《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Blood droplet dynamics on heated liquid-infused surfaces
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摘要手术电刀在较高温度下工作时，常因血液和组织粘附而导致切割效率降低，并增加二次组织损伤的风险。虽然液体灌注表面（LISs）作为一种防粘附策略已展现出应用前景，但在极端热条件下其动态界面行为仍知之甚少。本研究通过原位光学成像和高帧频成像技术，在100–350 °C的临床相关温
摘要
手术电刀在较高温度下工作时，常因血液和组织粘附而导致切割效率降低，并增加二次组织损伤的风险。虽然液体灌注表面（LISs）作为一种防粘附策略已展现出应用前景，但在极端热条件下其动态界面行为仍知之甚少。本研究通过原位光学成像和高帧频成像技术，在100–350 °C的临床相关温度范围内，实验探究了血液液滴在微沟槽基LISs上的动力学行为。结果表明，粘附行为在该温度范围内呈现非单调特征。在100 °C时，润滑油表面张力的降低引发自发包覆和毛细驱动的浸润现象，形成穹顶状血液凝固物，并从基底上干净脱附。当温度升高至150 °C时，系统进入以动量为主导的区段，剧烈的蒸汽爆发破坏了润滑膜并使血液与结构直接接触，从而增强粘附。在更高温度（200–350 °C）下，超快汽化和快速吸油产生多孔泡沫状凝固物，界面结合力极小，导致粘附降低。这些发现阐明了血液与LISs相互作用中温度依赖的界面机制，为电外科及其他高温生物医学应用中热稳定防粘附表面的设计提供了机理指导。
引言
手术电刀是现代外科手术中不可或缺的工具，能够通过电流产生的热效应同时实现生物软组织的切割和凝血[1]。然而，在临床使用中，电极表面持续暴露于超过100 °C的极端温度，有时甚至接近400 °C[2]，[3]。在此条件下，邻近组织和血液发生热变性和碳化，在电极表面形成强粘附残留物。这种粘附不仅降低切割效率，还因非预期的组织粘附而在电极切割过程中增加二次组织损伤的风险[4]。因此，开发稳定、耐高温的防粘附表面具有重要的临床意义和科学价值。
近年来，通过微/纳结构调控界面润湿性的功能表面在手术电刀防粘附领域受到广泛关注[5]。其中，超疏水表面（SHSs）[6]，[7]，[8]和液体灌注表面（LISs）[9]，[10]，[11]被广泛认为是两种最具前景的技术途径。SHSs依赖于分级微/纳结构来捕获气泡并形成Cassie–Baxter润湿状态[12]，[13]，[14]，其中气层作为物理屏障，阻止血液和软组织渗入结构空腔，从而减少粘附[15]。代表性设计包括沟槽[16]、微柱[17]、六边形框架[18]以及多尺度分级结构[3]，[8]。然而，在极端热条件下，SHSs存在固有的稳定性局限。血液和生物组织的热失稳可克服微/纳结构施加的Laplace压力屏障，引发不可逆的润湿转变。同时，脂质和变性蛋白质优先沉积在结构钉扎位点上，导致微结构物理堵塞和严重粘附。这些因素共同限制了SHSs在高温手术环境中的有效性。相比之下，LISs将化学惰性润滑剂引入微/纳结构中，形成分子光滑且近乎不可压缩的固–液–液/固复合界面[19]。此类界面可有效抑制电荷吸附和生物介质的物理互锁，同时对外部扰动具有动态自适应能力。因此，LISs展现出优异的抗污和防粘附性能[20]，为高温手术应用提供了更有前景的策略。
迄今为止，LISs已在广泛的生物医学器件中得到探索，包括诊断工具、医用导管、手术器械、植入物和组织工程材料[21]。其与微生物、细胞、蛋白质和生物流体的界面相互作用也得到了系统研究[22]。在手术电刀领域，多项研究已证实LISs在减少组织粘附和碳化方面的有效性。例如，Zhang等人开发了一种基于微柱的LIS，在250 °C与猪肌肉接触时使粘附力降低约80%[23]，并验证了其在手术应用中的防粘附性能[9]。Li等人受猪笼草叶片表面启发，构建了由微沟槽和内部微腔组成的分级结构，并引入润滑剂自补充机制以进一步增强防粘附性能[24]。在我们先前的研究中，我们在手术电刀上开发了基于微坑阵列的LIS，证明了组织粘附的大幅降低，并揭示了界面分离优先发生在润滑层内部而非组织界面[10]。这些研究表明，表面几何结构[25]、润滑剂保持能力[26]和界面动力学[27]是决定LISs性能和耐久性的关键因素。然而，现有研究大多集中于表面制备和宏观防粘附性能，而极端热条件下血液、润滑剂和固体界面的耦合演化仍未得到深入理解。特别是，高温可同时引发血液快速蒸发、组织凝固、润滑剂再分布或耗竭以及界面接触状态的改变，但这些过程如何相互作用以决定血液在LISs上的粘附行为尚未得到系统阐明。此外，在电外科过程中，接触界面通常被血液和组织遮挡[28]，使得对这些瞬态界面过程的直接观测十分困难。因此，LISs与血液在高温下的相互作用机制仍未得到充分探索，阻碍了高性能手术电刀的理性设计。
本文在100–350 °C的温度窗口内，实验研究了血液液滴与微沟槽基LISs之间的热力学相互作用，涵盖了手术电刀的典型工作范围。作为对比参考，我们此前的工作已阐明在同一温度范围内血液液滴在SHSs上的界面演化，揭示了低温下的稳定防粘附和高温下液滴爆炸引起的不可逆粘附[29]。在此基础上，我们对LISs上温度依赖的界面演化进行了对比分析，发现血液液滴的粘附行为呈现非单调特征。具体而言，在低温下润滑膜维持了稳定的防粘附；在中温下润滑剂的破坏导致粘附增加；而在高温下，快速蒸发结合牺牲性吸油机制在凝固前抑制了粘附。这些发现推进了对极端热条件下LISs行为的根本理解，并为下一代手术电刀的设计提供了机理指导。
章节摘录
材料
采用医用级304不锈钢板（30? mm × 30? mm × 1.5? mm）作为基底。采用医用级硅油（(C2H6OSi)n；粘度100 mPa?s），购自麦克林生物化学有限公司（上海，中国），作为润滑剂。采用含乙二胺四乙酸（EDTA）作为抗凝剂的牛全血作为测试液体。血液购自广聚隆实验室用品有限公司（江苏，中国），使用前储存于2–8 °C。
低温下的界面演化（100 °C）
图2展示了在100 °C下不同沟槽宽度LISs上血液液滴的时间演化过程。如图2a所示，在沉积后5? s内，小而密集分布的气泡在LIS-W0的润湿脊上形核。随后这些气泡发生合并和破裂，在40? s内逐渐形成更大的气泡，该过程归因于近沸条件下界面水分蒸发和逸出。与气泡动力学同时发生的是颜色转变：
结论
本研究揭示了在100–350?°C温度窗口内血液液滴在LISs上呈现非单调粘附行为。在100?°C时，润滑油自发包覆包裹液滴，同时毛细驱动的浸润与水分蒸发动态竞争，形成穹顶状凝固物，并脱附且无残留物，证实了LISs的优异防粘附性能。将温度升至150?°C时，系统转入以动量为主导的区段：剧烈蒸汽爆发破坏了润滑膜
CRediT作者贡献声明
沈鹏宇：调查研究，正式分析。王文韬：撰写–审阅与编辑，方法论，正式分析，概念构思。姚云鹏：资源支持，调查研究。唐伟进：可视化，验证，资源支持。陈伟羲：撰写–初稿，正式分析，数据整理。卢龙生：监督指导，项目管理，方法论，经费获取。李开凯：撰写–审阅与编辑，方法论，经费获取，概念构思。
利益冲突声明
作者声明不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本工作得到国家自然科学基金（编号52275425和编号52505480）、中央高校基本科研业务费专项资金（编号2025ZYGXZR047）、广东省自然科学基金（编号2026A1515012192和编号2023A1515011710）、中国博士后科学基金（编号2025M771341）以及中国博士后科学基金特别资助项目（编号GZB20250339）的资助。
陈伟羲 | 唐伟进 | 沈鹏宇 | 姚云鹏 | 王文韬 | 李开凯 | 卢龙生
