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人類研究蚊子上百年 只為做一根無痛針頭?

有一根“針”戳進你皮膚的時候,你毫無感覺,甚至還有點癢癢 。
對,就是你最恨的蚊子干的 。今天跟大家聊聊讓你深惡痛絕的蚊子,是如何用精妙的吸血方式,讓你無痛出血的 。

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問,世界上人類幼崽哭聲最多的地方是哪兒?答案只有一個,那就是醫(yī)院兒科的注射室 。
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不管是輸液針頭還是注射器 , 只要這個明晃晃的東西亮出來,必定能讓每個孩子痛哭流涕 。畢竟在人類百萬年的進化歷程中,看到針刺、尖銳的東西就能立刻感受到危險,所以對針頭的恐懼可以說是刻在人類基因里 。但卻有一個例外 。
有一根 “ 針 ” 戳進你皮膚的時候,你毫無感覺 , 甚至還有點癢癢 。對,就是你最恨的蚊子 。
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蚊子吸血后,除了給你留下一個奇癢無比的包以外,幾乎沒有痛感 。同樣是用一根 “ 針 ” 刺入皮膚,那蚊子是如何做到無痛吸血的呢?為了回答這個問題,有不少科學(xué)家都在研究蚊子,并試圖研制出蚊子嘴一樣的針 。大家好,我是差評君,今天跟大家聊聊讓你深惡痛絕的蚊子 , 是如何用精妙的吸血方式,讓你無痛出血的 。
# 蚊子是如何無痛吸血的?如果你真的抓到一只活蚊子 , 會發(fā)現(xiàn)它的口針非常軟,不管你多用力,都不可能把它刺進皮膚 。因為蚊子并不是直接用口針刺進皮膚,它們有一套特殊的吸血技巧 。 蚊子口器結(jié)構(gòu) 這是一只庫蚊,平時咬你次數(shù)最多的蚊子 。
從外表看,蚊子的口器確實很像一個針頭,但實際結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,它更像一個盾構(gòu)機 。我們能看到的,是蚊子的下唇,它像一個劍鞘,包裹著六根針 。
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一對上顎,一對下顎,一個上唇,和一個舌 。蚊子下顎的前段帶有鋸齒,它內(nèi)柔外剛 , 越靠近尖端,表面硬度越高,負(fù)責(zé)刺鋸皮膚,而上顎非常銳利,負(fù)責(zé)切割皮膚 。舌頭負(fù)責(zé)注入唾液,上唇負(fù)責(zé)吸血,而那個 “ 劍鞘 ”,也就是下唇,負(fù)責(zé)引導(dǎo)位置和撐開傷口 。
所以蚊子并不是在用一根針咬你,而是用了個 “ 6+1 ” 的配置來吸你的血 。 蚊子如何吸血?今天 , 這只庫蚊又一次停在你的身上決定吸點血,但這個過程并不容易 。
首先,蚊子會繃緊口器,對你的皮膚來一次動態(tài)沖擊 。這時候 , 它下唇包裹下的 “ 六脈神劍 ” 會集體出鞘,率先攻擊的是上顎 , 這根針擁有最銳利的尖端,就像一把花劍刺入你的皮膚,然后是尖端帶有鋸齒的下顎,它負(fù)責(zé)鋸開皮膚,讓口器繼續(xù)深入 。
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這時候從皮膚外面看,蚊子的下唇正彎曲成一個拱形,下方緊貼著你的皮膚 。它一邊撐開傷口,一邊引導(dǎo)其他口器尋找血管,就像捏住釘子的左手一樣,為右手提供落錘方位的指引 。
但蚊子并不能百分百找到血管,所以它的上顎和下顎就像一把瑞士軍刀 , 用 10-15hz 的頻率,反復(fù)的刺入和切割,在你的皮肉間游走,尋找合適的毛細血管 。這個叮咬過程甚至?xí)掷m(xù)幾分鐘 。終于,這只蚊子找到了目標(biāo)血管,于是口器中心位置的兩個管道,上唇和舌就開始工作了 。
舌負(fù)責(zé)把唾液注射到你的血管里 。蚊子唾液含有按蚊素( anophelin ),能夠防止血管凝血,讓血液更容易流動 。并且含有麻醉效果的蛋白質(zhì) , 能在吸血的時候降低你的皮膚敏感性 。
蚊子口器的最后一步才是吸血,這時候終于輪到上唇工作了,它和下顎一樣外柔內(nèi)剛,越靠近尖端 , 表面硬度越高,它負(fù)責(zé)插入毛細血管,將新鮮血液運出去 。
【人類研究蚊子上百年 只為做一根無痛針頭?】當(dāng)吸血太多的時候,蚊子腹部會膨脹到比自身還大,這時候它會分離出血液中的水分,騰出空間來儲存更有營養(yǎng)的血紅細胞 。整個吸血過程差不多要 240 秒,即使是無干擾的條件,蚊子都有一半幾率吸不到血 。
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但你家的這只庫蚊比較幸運,在被你發(fā)現(xiàn)之前 , 它就唱著小曲兒離開了 。而它遺留下的唾液會被你的免疫系統(tǒng)識別成 “ 外來病毒 ” , 并開啟一場免疫大戰(zhàn) 。
蚊子唾液中的功能蛋白 , 會和皮膚粘膜下致敏的細胞結(jié)合 , 使細胞釋放組胺等物質(zhì),導(dǎo)致皮膚發(fā)紅、水腫 , 并且產(chǎn)生瘙癢的感覺 。
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所以蚊子包的本質(zhì)就是一種過敏反應(yīng) 。如果有人長期被蚊子咬,那他的免疫系統(tǒng)就能無視蚊子唾液里的蛋白,最后就不會起包了 。但其實大部分人被咬的還不夠多,所以很難免疫蚊子的攻擊 。而蚊子唾液不止會讓你起包,如果這只蚊子體內(nèi)攜帶瘧原蟲、登革熱病毒,寨卡病毒,日本腦炎之類的蚊媒病原體,那病原體也會在這時候隨著唾液混入體內(nèi) 。
直到現(xiàn)在,每年仍然有超過 70 萬人因蚊蟲叮咬而死亡 。# 如何制造蚊子口器一樣的針頭?看完蚊子的吸血過程 , 它無痛吸血的奧秘也就破解了:一是它帶有麻醉劑的唾液,二是微小卻結(jié)構(gòu)各異的口器,以及振動刺入的方式 。那有同學(xué)就說了 , 人類能不能做出一種類似蚊子口器的針頭,模擬蚊子叮人,打針就不疼了呢?
這就不得不提到微針技術(shù)了 。日本科學(xué)家神山文男受蚊子 “ 無痛吸血 ” 的啟發(fā),開發(fā)出一種極細的注射針頭,直徑只有 60 微米 , 將多個這樣的微針陣列排布,就實現(xiàn)了藥物的快速輸送 。
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這種微針只有幾百微米到幾毫米長,可以恰好穿過皮膚角質(zhì)層而又不觸及痛覺神經(jīng),在皮膚表面形成給藥通道,使藥物到達皮膚指定深度 , 并進入皮下的毛細管網(wǎng)被吸收,在藥物滲透的同時又不會引起痛感和皮膚損傷 。微針技術(shù)可以說是藥物輸送和血液采樣的一次技術(shù)飛躍 , 特別對于糖尿病等需要長期注射藥物的人群來說,再也不用忍受注射疼痛了,這種感覺只能用一個字形容,爽( 沈騰 )!
不過由于人造微針是直接刺入皮膚,刺入力比蚊子口針大 3 個數(shù)量級,在刺入過程中容易發(fā)生屈曲和斷裂,目前還沒有實現(xiàn)大規(guī)模的臨床應(yīng)用 。
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而蚊子上唇端部還可看到一個長 20~25 μm 的 V 形加強筋,這個結(jié)構(gòu)增強了上唇強度和剛度 , 因而不容易發(fā)生彎曲破壞 。這個大自然的設(shè)計比所有普通針頭和微針設(shè)計高明得多 。所以從造物主的角度來看,現(xiàn)有技術(shù)制造的仿生針只是對蚊子口器的拙劣模仿 。
另外 , 一些醫(yī)療器材的設(shè)計也學(xué)習(xí)了蚊子的口器結(jié)構(gòu),比如活檢針 。活檢是診斷癌癥最常見的方法,醫(yī)生會用活檢針從疑似腫瘤的組織采集一小塊,稱為樣本 。然后,病理醫(yī)生將在顯微鏡下觀察該樣本,以作出準(zhǔn)確診斷 。但活檢針在扎入過程中可能會造成組織損傷、形變、移動等問題 。
既影響診斷的準(zhǔn)確性又有可能對患者造成創(chuàng)傷 。尤其對腦組織來說,即使是輕微的創(chuàng)傷都有可能造成不可逆的腦損傷 , 所以醫(yī)學(xué)界一直渴望能有一種不會造成組織損傷的活檢針 。2017 年,天普大學(xué)的四名科學(xué)家就研制了一種仿生手術(shù)針,借鑒了蚊子下顎的鋸齒結(jié)構(gòu) 。
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他們用牛腦和牛肝進行測試,發(fā)現(xiàn)這種特殊結(jié)構(gòu)的針頭更高效 , 相比于普通針頭,鋸齒針頭在扎入牛腦時減少了約 10-25% 的阻力,在扎入牛肝時降低了 35-45% 的阻力 。這也意味著這種活檢針在扎入皮膚的時候 , 阻力更小 , 在扎入擠壓過程中對組織造成的形變也較少,更不容易產(chǎn)生位移 。
而就在上個月的世界人工智能大會上 , 中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所傳感技術(shù)國家重點實驗室,展示了他們研制的一種類蚊口器仿生柔性神經(jīng)探針 。簡單的說就是一種侵入式腦機接口,可以用來臨床科研、監(jiān)測治療癲癇、抑郁癥、漸凍癥等腦部疾病 。
而這個類蚊仿生神經(jīng)探針就模仿了蚊子下顎和上唇的獨特結(jié)構(gòu)——外部為一個較硬的外樵,內(nèi)部為一個柔性吸管——外樵的硬度可保證植入,而柔性吸管則可滯留在體內(nèi)進行采集 。外樵的硬度甚至能夠直接穿透硬腦膜,相比于傳統(tǒng)腦機接口需要將硬腦膜剖開再植入的方式更加便捷,而且穿透過程中也不會損害電極 。
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探針背后的高靈敏觸覺傳感器陣列也學(xué)習(xí)了蚊子用觸覺而非視覺的定位方式,能準(zhǔn)確分辨探針?biāo)龅降氖悄X組織還是血管,從而避免血管損傷 。
在蚊子口針的仿生原理上 , 人類已經(jīng)研究了上百年,接下來的難點就在于微納制造技術(shù)以及降低成本 。雖然我們都恨透了蚊子這種生物,卻有無數(shù)科學(xué)家們都在努力模仿蚊子,為的就是有一天讓我們在注射或手術(shù)時,真的像蚊子叮咬般無痛 。
雖說我們對大自然的精巧設(shè)計還模仿的很拙劣,但這不能阻擋人類對它的理解和學(xué)習(xí),直到我們成為自己的造物主 。


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