设计一种新的医疗用针需要什么？当这根针需要比任何现有的商业针头更细、更尖锐，并且设计用于向以前无法到达的组织输送治疗时，答案是需要一个紧密合作的医生和工程师团队多年的时间。
哥伦比亚大学的创造者——耳鼻喉科医生Anil Lalwani和机械工程师Jeffrey Kysar相信，他们的超尖超薄设备将很快成为治疗听力损失和其他内耳疾病的重要工具。“毫不夸张地说，我们的微针可能是内耳精准医学的关键。”Lalwani说。
在一次采访中，两人讨论了他们十二年前如何开始合作，设计医疗器械的过程，以及为什么他们认为他们的微针将彻底改变听力损失和其他内耳疾病的治疗方法。
医学为什么需要这根针？
AL: 我们现在正处于基因疗法的边缘，这些疗法可以通过再生我们因多年暴露于噪音而失去的耳细胞来恢复听力。但我们真的没有一种方法可以精确、可预测且安全地输送这些疗法。
这是因为这些细胞位于内耳几乎无法触及的容器中，称为耳蜗。耳蜗是一个螺旋形的、充满液体的骨头，是我们身体中最硬的骨头。
耳蜗中有一个大约2毫米宽的薄膜，理论上可以为我们提供进入途径。但当你试图用标准手术工具打开这个膜时，它总是会破裂。一旦发生这种情况，你可能会永久失去听力和平衡感。
所以这是我们一直在研究这根微针的原因之一：在不撕裂薄膜的情况下将疗法引入耳蜗。
另一个原因是使用针头从耳蜗中抽取液体以诊断内耳疾病，如梅尼埃病，这种病会导致眩晕、恶心和听力损失。通过采样内耳液体，我们可以更好地了解梅尼埃病，这也将有助于我们在未来找到更好的治疗方法。
你们是如何开始合作的？
AL: 实际上，我们是在两位博士后的帮助下开始了这段“邂逅”。他们意识到我们可以形成一个很好的合作伙伴关系。
JK: 我曾以为医生可以进入人体的任何部位。但当我第一次见到Anil时，他告诉我，不，内耳基本上是一个未知的实体：没有任何东西可以从其中注入或取出。这引起了我的注意。
那个周六，我去书店买了一本人体解剖学的书。然后我开始查阅生物医学工程文献，看看关于这层膜有哪些已知的知识。我发现非常少。在人体中还有多少未被探索的组织可供研究？这个组织具有一些非常有趣的几何和机械特性，对我来说似乎是一个极好的机会。
在创建针头过程中遇到了哪些挑战？
JK: 让我简单谈谈为什么事物会断裂的理论。这是我的研究主题。
从工程角度来看，你可以把这层膜想象成一块拉得很紧的帆布。如果你在这块帆布上打一个小孔，这个孔不会自发扩大。但如果孔大于某个临界尺寸，它就会自发扩大并撕裂帆布。工程理论告诉我们，如果我们能在膜上引入一个小于这个临界尺寸的孔，膜就不会撕裂。
我们需要制造一根小于这个临界尺寸的微针，对于这层膜来说，大约是头发的宽度。为了在穿刺过程中最小化对组织的损害，促进术后膜的愈合，针头还需要非常锋利。
我们尝试了多种制造针头的方法。在我们开始合作不久后，一种3D打印技术出现了，这就是使我们成功的技术。双光子光刻技术允许所谓的体素分辨率约为200纳米，大约是头发直径的千分之一，非常非常小。通过这项技术，我们可以打印出极其锋利的针头，这些针头由聚合物制成，就像你可以在五金店买到的环氧树脂一样。我们的针头比任何商用针头都要锋利得多。
我们投入了大量时间和精力，确保针头足够坚固。我们有例子表明针头会断裂，或内部通道没有形成，或针尖变钝。这些都是我们作为工程师需要解决的问题，找出如何改进设计。
你们如何知道这些针头能达到预期效果？
AL: 我们进行了数十次动物手术，从未见过任何负面效应或听力损失。微针不会制造大于针头本身的孔，这个孔在48小时左右就能愈合。
我们还展示了微针的潜在价值，因为在这个领域，直到我们创造了这种设备，才有了这一领域的存在。
在我们最近的一篇论文（发表在《学术放射学》上），我们使用微针将造影剂注入豚鼠的内耳，以便通过MRI观察耳蜗中不同腔室的大小。这可能有助于我们诊断梅尼埃病，其中中间腔室变得更大。目前，成像人类耳蜗非常困难。如果我们能更准确地诊断梅尼埃病，这应该会导致更好的临床试验，最终带来更好的治疗方法。
在另一项最近的研究（发表在《耳科学与神经学》上），我们展示了我们可以可靠、安全地输送siRNA（一种基因疗法），而不会导致听力损失。我们希望确保载体（脂质体）本身没有毒性，同时也确保治疗药物在整个耳蜗中分布均匀。
通过微针，可以将造影剂注入内耳，帮助医生看到耳蜗的变化，从而帮助他们诊断如梅尼埃病等疾病。这里，MRI图像显示了豚鼠耳蜗的不同隔室。
下一步是什么？
JK: 在基因疗法方面，我们预计需要将相对较大的治疗剂量注入耳蜗，由于耳蜗是一个封闭的空间，我们需要在注射的同时抽出液体。否则，内耳的压力会增加，可能会损害听力和平衡感。这就是我们设计双管微针的原因，它可以同时通过一个管道注入治疗药物，通过另一个管道抽出液体，而不改变内耳压力。
AL: 大约一年半前，我们成立了一家名为Haystack Medical的公司，目标是将微针商业化。我们对将这项技术应用于人体的下一步感到非常兴奋。目前，我们正在与其他开发基因疗法的公司讨论使用我们的技术。使用微针，你可以在同一个人身上多次注射疗法，而不会导致听力损失。你可以查看基因疗法是否活跃，或者是否需要重新给药。这在微针的帮助下是可能的，因为它不会造成疤痕或永久损坏进入内耳的门户。
总体而言，我们认为微针将首次打开安全可靠的内耳诊断和治疗的大门。
JK: 我们都非常感谢我们出色的团队，包括学生、博士后、医学院学生以及我们的工程同事Elizabeth Olson，她是生物医学工程教授，还有参与我们团队的医疗临床医生和外科医生。
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