微结构金属紧固件(MANTIS)的设计与表征：实现刚性材料与柔软生物组织的无缝合机械粘附

为解决人工心脏瓣膜(BHV)缝合过程中耗时耗力的问题，研究人员开发了基于仿生微结构的无缝合机械粘附技术(MANTIS)。通过模拟螳螂爪的屈曲机制设计4种不锈钢微紧固件，实现在多向载荷下对股静脉组织的强效锚定，为儿科BHV等微型器械组装提供新方案。

　　

心脏瓣膜置换手术是全球第二大常见的心脏外科手术，每年约有27.5万至37万例患者接受此类治疗。生物人工心脏瓣膜(BHV)因其优异的血流动力学性能和经导管植入的便利性，临床应用日益广泛。然而，传统BHV依赖手工缝合将组织瓣膜固定在金属支架上，这一过程不仅耗时且高度依赖操作者技能，对于更小尺寸的儿科BHV而言挑战尤为突出。

针对这一临床痛点，来自波士顿儿童医院的研究团队在《Acta Biomaterialia》发表创新研究，开发出名为MANTIS的微结构组织紧固技术。该技术通过仿生设计实现刚性材料与柔软生物组织的快速无缝合粘附，为医疗器械与生物组织的整合提供了全新解决方案。

研究采用光化学加工技术制备不锈钢微紧固件，通过组织学分析明确人类股静脉(HFV)壁层结构特征以指导设计。主要技术方法包括：1) 基于Masson三色染色的HFV组织学表征；2) 受螳螂爪启发的可控屈曲结构设计；3) 多向力学测试评估粘附性能；4) 阵列化微结构的光化学蚀刻加工。

【人类股静脉组织表征】
通过组织学分析揭示HFV壁层由内膜、中膜和外膜构成的三层结构，平均厚度为0.48±0.12 mm。这一发现为微紧固件高度设计提供了关键参数，确保穿刺深度既能穿透全层又不损伤邻近结构。

【微紧固件设计与测试】
研究团队设计了4种具有不同凹入轮廓的微结构：1) 标准钩型；2) 多爪型；3) 关节爪型；4) 螺旋型。其中关节爪型创新性地引入可控变形功能，模拟螳螂爪捕获猎物时的屈曲机制。力学测试显示，所有设计在法向、0°剪切和180°剥离载荷下均显著优于对照组，其中关节爪型表现出最优的多向载荷适应性。

【讨论与结论】
MANTIS技术通过微观机械互锁原理实现组织粘附，其性能超越传统缝合和化学粘合剂。关节爪型设计首次在微米尺度实现可控变形功能，为<500 μm厚组织的可靠固定提供解决方案。该技术不仅适用于BHV组装，还可拓展至神经接口、可穿戴设备等需要异质材料整合的领域。专利保护的设计方案(US 17/855,081等)为后续临床转化奠定基础，美国国防部的资助(W81-XWH-20-1-0295)也印证了其战略价值。

这项研究标志着医疗器械组装技术的范式转变，Joseph N. Urban等研究者通过跨学科创新，将仿生学原理与精密制造技术相结合，为解决"刚柔结合"这一生物医学工程难题提供了突破性方案。