ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К УЛУЧШЕНИЮ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОХИРУРГИЧЕСКОГО ИНСТРУМЕНТА
Аннотация
Данная статья посвящена обзору подходов к улучшению характеристик электрохирургического инструмента. В настоящее время в малоинвазивной хирургии основным материалом электрохирургического инструмента, как правило, является нержавеющая сталь, однако в процессе эксплуатации происходит налипание тканей, образование нагара и коррозия инструмента, что приводит к снижению эффективности и неблагоприятным явлениям. В связи с этим весьма перспективным является разработка новых физико-химических подходов к улучшению характеристик электрохирургического инструмента, лишенных отмеченных выше недостатков. С одной стороны, предлагается замена нержавеющей стали на другие электропроводные материалы (золото, вольфрам, диоксид циркония и др.), с другой стороны рассмотрены варианты разработки функциональных покрытий нержавеющей стали (металлические, полимерные и композитные). Среди «классических» подходов можно выделить покрытия золотом, а также нитридами и оксидами тугоплавких металлов (Cr, Zr, Ti), характеризующиеся более высокой теплопроводностью и выраженным антипригарным эффектом. Весьма перспективным является использование покрытий на основе алмазоподобного углерода, обладающих более высокой величиной краевого угла смачивания по сравнению с нержавеющей сталью (97,25±1,87° против 75,47±2,55°) при более высокой микротвердости покрытия (2250 Hv против 500 Hv). Особое внимание привлекают супергидрофобные покрытия, например, покрытие на основе гексаметилдисилазана с наночастицами SiO2, по величине краевого угла смачивания в два раза превосходящее нержавеющую сталь (153,4±2,6° против 73,1±0,6°). Альтернативой покрытиям является формирование на поверхности электрохирургического инструмента микроканалов и наношероховатостей с целью снижения адгезии тканей и риска образования нагара. Внедрение принципов биомимикрии, т.е. подражание структурам живой природы, привело к исследованиям в области создания аналогов микроструктур (чешуйки панголина, кожа акулы), а также пропитанных жидкостью поверхностей, имитирующих свойства листьев хищного растения Кувшиночника, обладающих за счет слоя лубриканта на своей поверхности более низкими адгезионными свойствами по сравнению с немодифицированным материалом. Таким образом, к проблеме модифицирования поверхности электрохирургического инструмента уже удалось подойти с нескольких сторон и можно с достаточной долей уверенности заявить, что число исследований в данном направлении будет только увеличиваться.
Для цитирования:
Мягкова И.Н., Евсеев А.К., Поляков Н.А., Дровосеков А.Б., Горончаровская И.В., Шабанов А.К. Физико-химические подходы к улучшению характеристик электрохирургического инструмента. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2022. Т. 65. Вып. 10. С. 6-13. DOI: 10.6060/ivkkt.20226510.6649.
Литература
O’Connor J.L., Bloom D.A. William T. Bovie and electrosurgery. Surgery. 1996. V. 119. N 4. P. 390-396. DOI: 10.1016/s0039-6060(96)80137-1.
Cordero I. Electrosurgical units – how they work and how to use them safely. Commun. Eye Health. 2015. V. 28. N 89. P. 15-16.
Fahad S., Mahdi A.J., Ullah N. A new robust closedloop control system for electrosurgical generators. Res. Biomed. Eng. 2020. V. 36. P. 213-224. DOI: 10.1007/s42600-020-00062-y.
Massarweh N.N., Cosgriff N., Slakey D.P. Electrosurgery: History, Principles, and Current and Future Uses. J. Am. Coll. Surg. 2006. V. 202. N 3. P. 520-530. DOI: 10.1016/j.jamcollsurg.2005.11.017.
Galloro G., Magno L., Ruggiero S., Iovino P., Formisano C., Cortese L., Fusco F., Meola C., Carlo-magno G.M. Comparison between tungsten and steel polypectomy snares: evaluation of depth of colonic thermal wall injury in a pig model. Endoscopy. 2013. V. 45. N 2. P. 121-126. DOI: 10.1055/s-0032-1325930.
Malis L.I. Electrosurgery. J. Neurosurg. 1996. V. 85. N 5. P. 970-975. DOI: 10.3171/JNS.1996.85.5.0970.
Mikami T., Takahashi A., Hashi K., Gasa S., Houkin K. Performance of bipolar forceps during coagulation and its dependence on the tip material: a quantitative experimental assay. Technical note. J. Neurosurg. 2004. V. 100. N 1. P. 133-138. DOI: 10.3171/jns.2004.100.1.0133.
Rondinone J., Brassell J., Miller III S.A., Thorne J.O., Rondinone D.M., Jason Safabash, Vega F.D.V.M. A New Electrosurgical Ball Electrode with Non-Stick Properties. SPIE. V. 3249. P. 142-146. DOI: 10.1117/12.304338.
Belov S.V., Borik M.A., Danileiko J.K., Shulutko A. M., Lomonova E.E., Osiko V.V., Salyuk V.A. New Bipolar Electrosurgical Tools Based on Zirconia. Biomed. Eng. 2013. V. 47. N 2. P. 78-82. DOI: 10.1007/s10527-013-9339-4.
Belov S.V., Danyleiko Yu.K., Shulutko A.M., Semikov V.I., Gryaznov S.E., Osmanov E.G., Gorbacheva A.V., Patalova A. R., Osiko V.V., Salyuk V.A. Use of High-Tech Electrosurgical Instruments to Increase the Efficacy and Safety of Operations on the Thyroid Gland. Biomed. Eng. 2017. V. 51. N 1. P. 11-15. DOI: 10.1007/S10527-017-9674-Y.
Peterson J.L. Application of Electrosurgery in Scalp Re-duction. Experience with an Ultrasharp Tungsten Needle Electrode. J. Dermatol. Surg. Oncol. 1994. V. 20. N 3. P. 209-212. DOI: 10.1111/J.1524-4725.1994.TB00468.X.
Konesky G. Porosity Evolution in Electrosurgical Blade Coatings. MRS Proceed. 1998. V. 550. P. 249-254. DOI: 10.1557/PROC-550-249.
Jacques S., Bullara L.A., Pudenz R.H. Microvascular bipolar coagulator. Technical note. J. Neurosurg. 1976. V. 44. N 4. P. 523-524. DOI: 10.3171/jns.1976.44.4.0523.
Ohta T., Kuroiwa T., Kajimo Y. New bipolar diathermy forceps with automatic dripping and flushing. Technical note. Neurol. Med. Chir. (Tokyo). 1999. V. 39. N 7. P. 548-550. DOI: 10.2176/nmc.39.548.
Samii A., Dujovny M. Kirwan "non-stick" bipolar forceps. Surg. Neurol. 1996. V. 45. N 3. P. 297-298. DOI: 10.1016/0090-3019(95)00414-9.
Urueta R.W. Gold-plated electrosurgical instrument: In the metal finishing field. Met. Finish. 1998. V. 96. N 3. P. 90. DOI: 10.1016/S0026-0576(97)83097-8.
Wu C.M., Lu Y.J., Chen S.Y., Wen S.C., Wu C.H., Liao P.B., Ou K.L., Chou H.H. Surface characterization and thermomechanical behavior of nanostructured-gold layer for biomedical applications. J. Alloy. Compd. 2019. V. 782. P. 1114-1120. DOI: 10.1016/J.JALLCOM.2018.12.255.
Boyd A.H., Hylwa S.A. Nickel release from surgical instruments and operating room equipment. Dermatol. Online J. 2018. V. 24. N 4. Art. 3. DOI: 10.5070/D3244039353.
Hsu Y.L., Lee C.H., Chiu S.M., Sung Y.C., Yang K.Y., Chu C.W. Antisticking Properties of PVD CrWNx, CrOx and ZrOx Coatings on Medical Electrode Application. Defect Diffus. Forum. 2010. V. 297-301. P. 656-663. DOI: 10.4028/www.scientific.net/DDF.297-301.656.
Ou K.L., Chu J.C., Hosseinkhani H., Chiou J.F., Yu C.H. Biomedical nanostructured coating for minimally in-vasive surgery devices applications: characterization, cell cytotoxicity evaluation and an animal study in rat. Surg. Endosc. 2014. V. 28. N 7. P. 2174-2188. DOI: 10.1007/s00464-014-3450-9.
Lo J.L., Shieu F.S., Hung C.C. Characterization of textured Cr2O3 layer formed on AISI440A stainless steel via anisotropic electropolishing for electrosurgical instruments. Mater. Res. Express. 2019. V. 6. P. Art. 025402. DOI: 10.1088/2053-1591/aaec5e.
Han Z., Fu J., Feng X., Niu S., Zhang J., Ren L. Bionic anti-adhesive electrode coupled with maize leaf micro-structures and TiO2 coating. RSC Adv. 2017. V. 7. N 72. P. 45287-45293. DOI: 10.1039/C7RA08184G.
Çeviker N., Keskil S., Baykaner K. A New Coated Bipolar Coagulator: Technical Note. Acta Neurochir. 1998. V. 140. P. 619-620. DOI: 10.1007/s007010050150.
Reichel A., Franz G., Amann M.C. Correlation of Growth and Surface Properties of Poly(p-xylylenes) to Reaction Conditions. Coating. 2015. V. 5. N 2. P. 142-171. DOI: 10.3390/coatings5020142.
Golda-Cepa M., Engvall K., Hakkarainen M., Kotarba A. Recent progress on parylene C polymer for biomedical applications: A review. Prog. Org. Coat. 2020. V. 100. P. 105493. DOI: 10.1016/j.porgcoat.2019.105493.
Kang S.K., Kim P.Y., Koo I.G., Kim H.Y., Jung J.C., Choi M.Y., Lee J.K., Collins G.J. Nonstick Polymer Coatings for Energy-based Surgical Devices Employed in Vessel Sealing. Plasma Process. Polym. 2012. V. 9. N 4. P. 446-452. DOI: 10.1002/PPAP.201100155.
Tan T., Meng J., Rahbar N., Li H., Papandreou G., Maryanoff C.A., Soboyejo W.O. Effects of silane on the interfacial fracture of a parylene film over a stainless steel substrate. Mat. Sci. Eng. C. 2012. V. 32. N 3. P. 550-557. DOI: 10.1016/j.msec.2011.12.008.
Huber S., Moe M.K., Schmidbauer N., Hansen G.H., Herzke D. Emissions from incineration of fluoropolymer materials. A literature survey. Kjeller: Norwegian Institute for Air Research. 2009. P. 58.
Waritz R.S. An industrial approach to evaluation of pyrolysis and combustion hazards. Environ. Health Perspect. 1975. V. 11. P. 197-202. DOI: 10.1289/EHP.7511197.
Chen D.M., Hsieh W.H., Snyder T.S., Yang V., Litzinger T.A., Kuo K.K. Combustion behavior and thermophysical properties of metalbased solid fuels. J. Propulsion. 1991. V. 7. N 2. P. 250-257. DOI: 10.2514/3.23318.
31. Bhadury P.S., Singh S., Sharma M., Palit M. Flash pyrolysis of polytetrafluoroethylene (teflon) in a quartz assembly. J. Anal. Appl. Pyrolysis. 2007. V. 78. N 2. P. 288-290. DOI: 10.1016/J.JAAP.2006.07.006.
Shen Y.D., Lin L.H., Chiang H.J., Ou K.L., Cheng H.Y. Research of electrosurgical unit with novel antiadhesion composite thin film for tumor ablation: Microstructural characteristics, thermal conduction properties, and biological behaviors. J. Biomed. Mater. Res. B Appl. Biomater. 2016. V. 104. N 1. P. 96-105. DOI: 10.1002/jbm.b.33363.
Ou K.L., Weng C.C., Sugiatno E., Ruslin M., Lin Y.H., Cheng H.Y. Effect of nanostructured thin film on mini-mally invasive surgery devices applications: characterization, cell cytotoxicity evaluation and an animal study in rat. Surg. Endosc. 2016. V. 30. N 7. P. 3035-3049. DOI: 10.1007/s00464-015-4596-9.
Lin L.H., Hsu Y.J., Chiang H.J., Cheng H.Y., Wang C.S., Ou K.L. The Application of Minimally Invasive De-vices with Nanostructured Surface Functionalization: Antisticking Behavior on Devices and Liver Tissue Interface in Rat. J. Nanomat. 2015. Art. 357943. DOI: 10.1155/2015/357943.
Hsiao W.H., Lin L.H., Chiang H.J., Ou K.L., Cheng H.Y. Biomedical electrosurgery devices containing nanostructure for minimally invasive surgery: reduction of thermal injury and acceleration of wound healing for liver cancer. J. Mater. Sci. Mater. Med. 2015. V. 26. N 2. Art. 77. DOI: 10.1007/s10856-015-5416-4.
Hauert R. A review of modified DLC coatings for biological appli-cations. Diam. Relat. Mater. 2003. V. 12. N 3-7. P. 583-589. DOI: 10.1016/S0925-9635(03)00081-5.
Mikami T., Minamida Y., Koyanagi I., Houkin K. Novel bipolar forceps with protein repellence using gold-polytetra-fluoroethylene composite film. Neurosurgery. 2007. V. 60. N 2.
P. 157-161. DOI: 10.1227/01.NEU.0000249252.86417.85.
Khalili E., Sarafbidabad M. Combination of laser patterning and nano PTFE sputtering for the creation a super-hydrophobic surface on 304 stainless steel in medical applications. Surf. Interfaces. 2017. V. 8. P. 219-224. DOI: 10.1016/J.SURFIN.2017.06.008.
Park J.Y., Tenjimbayashi M., Muto J., Shiratori S. Anti-adhesion Function between a Biological Surface and a Metallic Device Interface at High Temperature by Wettability Control. ACS Biomater. Sci. Eng. 2018. V. 4. N 5. P. 1891-1899. DOI: 10.1021/acsbiomaterials.8b00387.
Zhou C., Lu J., Wang X. Adhesion Behavior of Textured Electrosurgical Electrode in an Electric Cutting Process. Coating. 2020. V. 10. N 6. Art. 596. DOI: 10.3390/coatings10060596.
Lin C.C., Lin H.J., Lin Y.H., Sugiatno E., Ruslin M., Su C.Y., Cheng H.Y. Micro/nanostructured surface modifica-tion using femtosecond laser pulses on minimally invasive electrosurgical devices. J. Biomed. Mat. Res. B. 2016. V. 105. N 4. P. 865-873. DOI: 10.1002/jbm.b.33613.
Golovanov A.V., Luparev N.V., Sorokin B.P. Modification of diamond surface during photolithography, plasma-chemical cleaning, and magnetron deposition. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2020. V. 63. N 11. P. 49-56. DOI: 10.6060/ivkkt.20206311.6232.
Villegas M., Zhang Y., Jarad N.A., Soleymani L., Didar T.F. Liquid-Infused Surfaces: A Review of Theory, De-sign, and Applications. ACS Nano. 2019. V. 13. N 8. P. 8517-8536. DOI: 10.1021/acsnano.9b04129.
Zhang P., Chen H., Zhang L., Zhang D. Anti-adhesion effects of liquid-infused textured surfaces on high-temperature stainless steel for soft tissue. Appl. Surf. Sci. 2016. V. 385. P. 249-256. DOI: 10.1016/j.apsusc.2016.05.110.
Zhang P., Liu G., Zhang D., Chen H. Liquid-Infused Surfaces on Electrosurgical Instruments with Exceptional Anti-adhesion and Low-Damage Performances. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2018. V. 10. N 39. P. 33713-33720. DOI: 10.1021/acsami.8b13373.
Liu G., Zhang P., Liu Y., Zhang D., Chen H. Self-Lubricanting Slippery Surface with Wettability Gradients for Anti-Sticking of Electrosurgical Scalpel. Micromachines. 2018. V. 10. N 12. Art. 816. DOI: 10.3390/mi9110591.
Han Z., Fu J., Fang Y., Zhang J., Niu S., Ren L. Anti-adhesive property of maize leaf surface related with tem-perature and humidity. J. Bionic Eng. 2017. V. 14. P. 540-548. DOI: 10.1016/S1672-6529(16)60420-1.
Li C., Yang Y., Yang L., Shi Z. Biomimetic Anti-Adhesive Surface Microstructures on Electrosurgical Blade Fabricated by Long-Pulse Laser Inspired by Pangolin Scales. Micromachines. 2019. V. 10. N 12. Art. 816. DOI: 10.3390/mi10120816.
Li C., Yang L.J., Yan C.C., Chen W., Cheng G.H. Bio-mimetic Anti-adhesive Surface Microstructures of Elec-trosurgical Knife Fabricated by Fibre Laser. J. Laser Micro Nanoeng. 2018. V. 13. N 3. P. 309-313. DOI: 10.2961/jlmn.2018.03.0028.
