用于有效内窥镜钳道清洁与去污的仿芥子籽无刷替代方案

《Biomimetics》：Biomimetic Mustard Seed-Inspired Brush-Free Alternative for Effective Endoscope Channel Cleaning and Decontamination

　　

柔性内窥镜钳道的清洁不足依然是导致医疗保健相关感染的主要原因，尽管已有既定的再处理规程。研究人员开发了受芥子籽表面特征启发的仿生活性炭球，作为内窥镜钳道清洁的无刷辅助工具，结合了温和的机械作用与基于吸附的有机碎屑去除。制备了直径为1.8–3.0 mm的活性炭球和碳纤维球，以适配2.5–3.5 mm的工作钳道，并通过热重分析、比表面积测试、扫描电子显微镜和能量色散X射线光谱进行了表征。使用番茄粉残余物和微生物学验证评估了清洁性能，并利用计算流体动力学评估了在抽吸条件下包含2.6 mm球的2.7 mm钳道内的流动行为。碳纤维球表现出更均匀的热降解（1000 °C时残余质量为8.9%）和带肋的纤维形态。相反，活性炭球表现出多孔的不规则结构，具有很强的吸附能力，其特征为高热稳定性（残余质量为86.4–89.3%），孔体积为0.087–0.108 cm3/g，BET比表面积为63.00 m2/g和21.65 m2/g。残留物暴露后，活性炭表面保留了更多的颗粒物，而碳纤维表面保持更清洁，并促进了更明显的壁面相互作用。微生物学测试表明了有效的去污，细菌计数减少至检出限以下。计算流体动力学分析证明了压力驱动的间隙流、升高的局部速度和涡流诱导的壁面剪切应力，足以增强碎屑去除而不会对钳道造成明显损伤。这些结果表明，受芥子籽启发的碳球通过整合吸附、流体动力学搅动和温和的擦洗，为内窥镜再处理提供了一种有前景的无刷策略，以提高清洁的安全性和有效性。

胃肠道疾病在全球范围内造成了重大健康负担，每年有超过1000万人受其影响，内窥镜技术被广泛作为主要诊断和管理手段。由于可重复使用内窥镜的成本问题，许多内窥镜中心依赖其进行多次操作。这就要求对每个患者使用后的内窥镜进行彻底的再处理。常规指南强调人工清洁与消毒两个步骤，遵循规范的人工清洁（使用毛刷、水和清洁剂等）可去除高达99.9%的微生物负荷。然而，人工清洁极度依赖严谨细致的人力操作，一旦出现微小的偏差便可能留下微生物残留，极易引发巨大的健康隐患。已有研究显示，至少15%接受内窥镜器械操作的患者会被胃肠道病原微生物污染。由于柔性内窥镜极易受损，毛刷的不当使用及其本身的弯折会划伤或使内窥镜钳道产生凹痕，导致污垢和微生物在凹痕中积聚，为生物膜的形成提供温床。为了应对由于人工清洁不足导致的医院感染和医源性传播问题，研究人员开展了这项研究，旨在寻找一种不依赖刚性毛刷的替代方案。该研究探讨了利用碳球作为额外的安全保障措施及毛刷替代品用于内窥镜清洁的可行性和有效性。论文发表在《Biomimetics》上。本研究通过吸附、流体动力学搅动与温和的擦洗机制，期望能够取代或补充传统的手动毛刷清洁，解决内窥镜钳道表面视觉清洁度与微生物安全性之间的长期差距，提升内窥镜再处理的安全性和有效性。

研究人员为开展此项研究，采用了材料表征、流体模拟和微生物验证等关键技术方法。首先，通过热重分析（TGA）、Brunauer–Emmett–Teller/Barrett–Joyner–Halenda（BET/BJH）比表面积和孔隙度分析、扫描电子显微镜（SEM）以及能量色散X射线光谱（EDS）对平均直径为1.8 mm至3.0 mm的活性炭（AC）和带肋碳纤维（CF）球体的热稳定性、表面形貌、元素成分及多孔网络进行定量表征以评估其材料特性。其次，采用计算流体动力学（CFD）数值仿真，利用ANSYS Fluent模拟静止内窥镜清洗机抽吸条件下碳球在柔性内窥镜钳道中的力学行为、速度场、压力场及壁面剪切应力。最后，利用番茄粉溶液模拟有机残留物进行表面形貌验证，并在韩国三家独立的官方认证测试机构进行了跨实验室的微生物学清洗效能评估。

在热行为方面，研究人员通过对AC 1.8 mm、AC 3.0 mm及CF 2.8 mm样品进行TGA测定发现，AC球由于弹性体粘合剂成分的存在，显示出多阶段热分解特性，在1000 °C时仍保留有约86.41%至89.32%的残余质量；相比之下，CF球在400至500 °C之间表现出由混入聚丙烯（PP）分解所致的急剧单一质量损失事件，在1000 °C时仅有约8.87%的残余质量。这表明CF球具有更为均匀的碳质网络且无机组分极低。

在表面积和孔隙度方面，通过BET和BJH方法测试得出，AC 1.8 mm具有63.00 m²/g的BET比表面积和0.108 cm³/g的总孔体积，其高比表面积主要归因于小于10 nm的密集微孔分布；而AC 3.0 mm的BET比表面积为21.65 m²/g，具有较大介孔宽度且更利于大分子扩散。此外，CF 2.8 mm未观察到N₂吸附-脱附行为，表明其无明显多孔结构。

在形貌和结构特征上，SEM图像表明，AC球表面呈现出颗粒状纹理与呈锯齿状层的微观粗糙结构，这种结构能够为碎屑提供丰富的吸附位点；相反，CF球的微观结构展现出相互连接的平滑板状形态，这一特性增加了其表面的可访问性，不仅能够抵抗深层土壤陷入，且利于产生涡流擦洗效应。

在元素分析中，EDS结果揭示AC球含有约25%碳和50%氧，且由于使用了含硅粘合剂，其表面包含较高比例的矿物元素（约15%硅和外加铝、钙、铁等）；CF球则表现出极高的碳含量（超过83%）和约16%的氧。在将两种碳球浸入番茄粉溶液流经测试管道后的表面测定表明，AC 3.0 mm表面通过吸附作用捕获并包裹了大量杂质颗粒，CF 2.8 mm的突起处捕获了番茄粉。EDS分析还证实了两种碳球在清洗操作前后均未发生明显的化学形变或结构损毁，且初步证明了这会产生以CF球先剥离管壁污垢、再通过AC球吸附的“剥离-捕获”协同去污机制。

在微生物清洁性能上，研究人员利用初始受污染程度大于10⁶ CFU/mL的常规管道进行清洗效果测试。结果显示，经CF清洗球辅助人工预处理后的内窥镜工作钳道样品被分送至三家独立认证实验室，其细菌和真菌计数的测定结果均显示共享样品的残余微生物负荷稳定低于10 CFU/mL，达到了ISO 15883-5标准所定义的至多10 CFU/mL培养基础灭菌的临床标准水平。

在内窥镜钳道流场和压力场分析中，CFD模拟达标了1.8 mm球体在2.7 mm管道内的流体相互作用研究人员发现，碳球上游存在高压区域（约+25 Pa），下游形成低压区域（约-5.4 Pa），所形成的压差约为ΔP约30 Pa，构成了推动CF球沿管腔动力学运移的驱动力。此外，流体在管壁与球体之间的狭窄间隙流中剧烈加速，局部最大流速度达2.0 m/s，平均速度增至2.0 m/s，高速低压梯度区在管壁产生了超过生物膜粘附强度的局部剪切应力，这一流体动力学条件下产生的涡流对内外壁面具极强剥离作用，碳球扫过即可清除顽固接附生物残屑。与实验表现的微生物清除能力相印证，CFD流体力学模拟定量验证了带肋CF球协助产生足以实现所需机械效应的剪切壁应力，在保障内窥镜通道壁免受点载荷与划伤的同时达到高效清洁保障。

讨论部分探讨并系统论证了联合应用CF与AC碳球实现优势互补的去污机制如何从根本上应对柔性内窥镜钳道的再处理感染风险。通过利用CF肋状结构器械的高效涡流物理碰撞实现壁面剥离去污和AC高孔隙官能团的强力吸附容留有机碎屑，该技术能够避免由于传统刚性刷毛操作带来的钳道壁表面破坏和生物膜感染隐患产生。此项生物模仿方案特别体现在完全借鉴了天然种子黏液层的三维聚合网络物化结构特征，碳球内的9 wt%碳纤维和活性炭正如包裹在弹性聚合物基底这种种子黏液“宏观支架”中的细小天然聚合物纳米节点，在清洗流体注入能够实现瞬间流体扩散、弹性衰减压溃和高能吸附。通过通用的受控微生物质污染物标模测试和流体力学三维并行simulation数据模型替代，证明了该系统在实际临床表现中面对极高污染负荷的苛刻临床胃镜应用条件依然能实现精准微生物学与生物物理学根除挑战。在精准控制测试方面依据各国家卫生监管机构标准，即使在未破坏通道内壁物理流体特性的前提下，仍具有极高的病理学清除率。未来工作方面，研究团队将需要持续进行多物种复杂生物膜的灭菌量化流体测验证以及长寿命常规划痕测验证。最后作者总结道，研究开发了对活性炭和碳纤维基材料内窥镜钳道清洁辅助进行了特性分析及加上计算机数值。研究通过热分析、多孔网络结构测量与多维度形态学表征，证实了AC碳球能高效吸附并提供稳固保护作用而CF球具备均一纤维宏观结构突出能在内壁精准产生缓和但有效的摩擦机械清创以实现功效有效彻底的无创清洁。独立于手动清洁除隐患外。在典型的内窥镜钳道下CFD分析展示了碳球可在壁间隙导致显著且时差达到30 Pa与2 m/s的高压远动力与流速梯度，所激发的剪切应力超越物黏附限。结合微生物消减评测实验中菌落水平低于探测量证明，本构思实际可作为不磨损弹性壁并兼具吸附性质的物理清洁清洗原件弥补现技术中传统的目测洁净和临床标准无要求不足，期望利用流体力学及自然几何偏载强化对传统毛刷各种作用不替代的目安全增强。由于抛弃了高可能?ζει软道及穿孔狭吸之有效补的共鸣体及代有效全强及的目检高目将临床补明显优化效应显示大幅生。本了物理高长期广意医防杂网结。