https://www.nature.com/articles/s41598-024-72620-8

Trọng tâm cốt lõi: Một-phân tích chuyên sâu vềvật liệu lõi điện tửdùng để chế tạo đầu kim-lớp phủ bằng thép không gỉ và polyme-xây dựng các đặc tính của chúng quyết định hiệu suất của đầu kim như thế nào.

Hiệu suất vượt trội của đầu kim siêu âm tạo tiếng vang chất lượng cao-bắt nguồn từ những tiến bộ trong khoa học vật liệu. Đầu kim không được làm từ một chất liệu duy nhất; nó là một hệ thống tổng hợp được hình thành nhờ sự kết hợp của chất nền kim loại, "khung" chịu tải- và lớp phủ polymer, "lớp da" có chức năng âm học. Nắm bắt được đặc tính của hai loại vật liệu này chính là chìa khóa để làm chủ công nghệ cốt lõi của kim siêu âm tạo tiếng vang.

I. “Bộ xương”: Vai trò cơ học của chất nền kim loại

Bộ xương kim loại xác định lực xuyên thấu của đầu, độ bền uốn và độ bền sử dụng.

• Thép không gỉ (Cấp 304/316)Đây là chất nền phổ biến nhất cho đầu kim. Thép không gỉ loại 304 có khả năng gia công tuyệt vời và tiết kiệm chi phí-, đáp ứng nhu cầu của hầu hết các quy trình đâm thủng thông thường. Thép không gỉ loại 316 kết hợp molypden, mang lại khả năng chống ăn mòn vượt trội rõ rệt. Nó đặc biệt thích hợp cho các thủ thuật đòi hỏi phải nằm trong thời gian dài hoặc tiếp xúc với các loại thuốc có tính kích thích cao, chẳng hạn như truyền hóa chất và các ứng dụng dẫn lưu phức tạp. Những loại thép này có độ cứng vừa phải: chúng giữ được các cạnh cắt sắc bén đồng thời chống lại hiện tượng va đập hoặc gãy khi xuyên qua mô cứng.
• Nitinol (Hợp kim NiTi)Một vật liệu "thông minh" về mặt chức năng được xác định bởi tính siêu đàn hồi và hiệu ứng ghi nhớ hình dạng. Đối với các đầu kim phải di chuyển theo các con đường giải phẫu cong, quanh co-chẳng hạn như kim dẫn hướng cho một số khối dây thần kinh hoặc phẫu thuật cắt sỏi thận qua da-Đầu kim Nitinol chịu được biến dạng uốn cong nghiêm trọng mà không bị tổn thương vĩnh viễn, trở lại hình dạng thẳng ban đầu sau khi loại bỏ căng thẳng. Tính linh hoạt đặc biệt này cho phép đầu mũi phù hợp một cách trơn tru với các cấu trúc lòng phức tạp của con người, giảm thiểu sự rách và rách mô.

II. "Làn da": Phép thuật âm thanh của lớp phủ polymer

Trong khi chất nền kim loại mang lại sự hỗ trợ về cấu trúc thì lớp phủ polymer trên bề mặt đầu dò đóng vai trò như linh hồn cho phép hiển thị siêu âm, giải quyết hình ảnh không ổn định do phản xạ gương trên kim loại trần.

Thành phần và cấu trúc lớp phủ

Lớp phủ bao gồm các polyme phân tử cao-có tính tương thích sinh học, điển hình là các dẫn xuất polyurethane hoặc polytetrafluoroethylene (PTFE). Thiết kế chức năng cốt lõi của chúng dựa trên các quần thể bọt khí siêu nhỏ (đường kính hàng chục đến hàng trăm micron) hoặc các vi hạt rắn có mật độ-cao (ví dụ: canxi cacbonat, titan dioxide) được nhúng trong ma trận polyme được phân tán đồng đều.

Cơ chế làm việc

Khi sóng siêu âm truyền từ mô cơ thể vào lớp phủ, sự phản xạ và khúc xạ cường độ cao xảy ra ở vô số bề mặt tiếp xúc cực nhỏ giữa các vi bọt/vi hạt và nền polyme. Các giao diện vi mô-này tạo thành một mạng phản hồi ba{2}}chiều dày đặc. Không giống như phản xạ gương đơn hướng từ kim loại trần mịn, cơ chế tán xạ khuếch tán này phân tán năng lượng siêu âm tới theo mọi hướng. Do đó, đầu dò nhận được tín hiệu tiếng vang mạnh mẽ ở bất kỳ góc quét nào, tạo ra điểm đánh dấu chính xác, sáng rõ cho đầu kim trên màn hình siêu âm.

III. Sự cân bằng-trong việc lựa chọn vật liệu và triển vọng tương lai

Sản xuất công nghiệp đòi hỏi sự thỏa hiệp phức tạp để cân bằng nhiều chỉ số hiệu suất cho vật liệu đầu kim.

• Lực thâm nhập so với độ vangLớp phủ dày hơn khuếch đại độ sáng của tiếng vang nhưng vẫn làm mờ đầu dò và tăng khả năng chống chèn. Cân bằng độ dày lớp phủ và hiệu suất âm thanh đặt ra một thách thức quan trọng trong sản xuất. Lớp phủ tiên tiến xử lý các lớp siêu mỏng có kích thước micron-mục tiêu- micron để tối đa hóa hiệu suất tạo tiếng vang.
• Độ cứng và tính linh hoạtCác đầu bằng thép không gỉ có độ cứng-cao là lựa chọn tối ưu cho việc đặt ống thông mạch tuyến tính đòi hỏi quỹ đạo thẳng chính xác. Đầu Nitinol linh hoạt mang lại hiệu suất vượt trội cho các khối thần kinh sâu yêu cầu đường tiếp cận cong. Các bác sĩ lâm sàng chọn chất nền đầu tip phù hợp với yêu cầu của từng quy trình.

Tương thích sinh họcTất cả các vật liệu tiếp xúc với mô- đều trải qua thử nghiệm tương thích sinh học nghiêm ngặt để xác nhận rằng không có độc tính tế bào, phản ứng mẫn cảm và phản ứng gây sốt. Lớp phủ cũng yêu cầu hệ số ma sát thấp để giảm lực cản của mô trong quá trình đưa vào.

Trong tương lai, những đổi mới liên tục trong khoa học vật liệu sẽ tiếp tục phát triển công nghệ đầu kim. Các hướng nghiên cứu chính cho-kim siêu âm thế hệ tiếp theo bao gồm lớp phủ chức năng kháng khuẩn, đầu kim bằng vật liệu sinh học có khả năng phân hủy hoàn toàn và đầu kim bằng vật liệu thông minh phản ứng với các kích thích bên ngoài như nhiệt độ và từ trường.