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南京大學(xué)張曄課題組 Adv. Funct. Mater.：醫(yī)用導(dǎo)管水凝膠涂層實(shí)現(xiàn)組織溫度實(shí)時(shí)傳感
2023-11-27  來(lái)源：高分子科技

  醫(yī)用外科導(dǎo)管在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被廣泛使用，不僅可直接輸送藥物至特定組織，也可引流手術(shù)部位積液以防炎癥物質(zhì)累積。但是，感染常發(fā)于導(dǎo)管與組織交界處。例如顱腦、腹腔和尿道植入引流導(dǎo)管引發(fā)感染的概率分別為43.5％、51.8％和80％以上。此外，未能及早監(jiān)測(cè)出植入引流管引發(fā)的感染易導(dǎo)致機(jī)體出現(xiàn)不可逆的組織損傷及認(rèn)知行為異常，尤其腦室引流引發(fā)的感染可能增加患者的死亡率。植入部位感染初期顯著特征是原位溫度升高，而臨床診斷常使用體溫或核心溫度，具有滯后性及2~4 ℃的誤差。因此，在植入導(dǎo)管部位進(jìn)行原位溫度監(jiān)測(cè)對(duì)于及早診斷和干預(yù)感染發(fā)生至關(guān)重要。


  臨床上通常采用植入附加設(shè)備來(lái)采集植入導(dǎo)管后原位溫度變化。然而，當(dāng)通過(guò)手術(shù)移除該附加設(shè)備時(shí)易造成植入部位的二次損傷，同時(shí)植入附加設(shè)備增加患者的就醫(yī)成本。近來(lái)研究將溫度傳感器陣列耦合在導(dǎo)管表面進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，但該溫度傳感器與軟組織的機(jī)械性能不匹配，易導(dǎo)致植入部位出現(xiàn)組織損傷。


  近日，南京大學(xué)張曄課題組開發(fā)設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)溫度感應(yīng)的水凝膠涂層，應(yīng)用在醫(yī)用外科導(dǎo)管的外表面上來(lái)對(duì)包括顱腦、腹腔和尿道在內(nèi)的各植入部位進(jìn)行感染監(jiān)測(cè)。該水凝膠涂層實(shí)現(xiàn)了2.90% ℃?1的電阻溫度系數(shù)，在可植入溫度感應(yīng)設(shè)備中處于領(lǐng)先地位，且傳感性能在各種重復(fù)變形和整個(gè)植入周期內(nèi)保持穩(wěn)定。此外，水凝膠涂層在機(jī)械性能上與人體組織匹配，改善了導(dǎo)管與組織的接觸界面。在腦部感染模型中，傳感器第一時(shí)間監(jiān)測(cè)到異常的局部溫度信號(hào)，并提供前期預(yù)警以應(yīng)對(duì)危險(xiǎn)情況，極大地改善了個(gè)體存活率和發(fā)育狀況。成果近期以“A Temperature-Sensing Hydrogel Coating on The Medical Catheter”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials，DOI：10.1002/adfm.202310260。 


圖1 溫度傳感水凝膠涂層示意圖


  溫度傳感涂層由聚丙烯酰胺/聚丙烯酸/殼聚糖三網(wǎng)絡(luò)水凝膠組成。水凝膠中的載流子在交變電場(chǎng)作用下形成穩(wěn)定的離子流，利用離子傳輸?shù)臒峒せ钤韺?shí)現(xiàn)溫度響應(yīng)，即溫度升高后更快的離子傳輸速率表現(xiàn)為水凝膠更低的電阻，進(jìn)而實(shí)時(shí)反映導(dǎo)管植入部位的溫度變化，并在感染時(shí)發(fā)出警告（圖1）。 


圖2 溫度傳感水凝膠涂層的形貌表征


  溫度傳感水凝膠可以均勻涂覆在各種醫(yī)用導(dǎo)管的表面，包括導(dǎo)尿管、鼻胃管、腦室引流管等，涂層與導(dǎo)管緊密接觸，界面處沒(méi)有明顯的縫隙。作為電極的碳納米管纖維附著在導(dǎo)管兩側(cè)，起到信號(hào)傳輸?shù)淖饔。水凝膠涂層的整體厚度為100 μm，不影響導(dǎo)管的正常使用（圖2）。 


圖3 水凝膠涂層的溫度傳感性能


  溫度傳感水凝膠能夠?qū)崿F(xiàn)從34 °C到42 °C的連續(xù)監(jiān)測(cè)，涵蓋了人體溫度變化的范圍，且在多次監(jiān)測(cè)循環(huán)內(nèi)具有優(yōu)異的重復(fù)性。其溫度電阻響應(yīng)系數(shù)實(shí)現(xiàn)高達(dá)2.90% °C?1 (R2 = 0.998)的同時(shí)，測(cè)量精度可以達(dá)到0.1 °C，在各種模擬體內(nèi)液體環(huán)境中也能達(dá)到相應(yīng)的水平，這樣高水平的溫度電阻響應(yīng)系數(shù)，與商業(yè)傳感器和文獻(xiàn)報(bào)道的植入式溫度傳感器相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。導(dǎo)管在分別經(jīng)受插拔循環(huán)、90°扭轉(zhuǎn)、90°彎曲和10%擠壓變形10000個(gè)循環(huán)后，傳感性能依然保持穩(wěn)定（圖3）。這種高靈敏度、高準(zhǔn)確性和高穩(wěn)定性，確保了水凝膠涂層在動(dòng)態(tài)生理?xiàng)l件下對(duì)感染部位的溫度變化準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)并給出預(yù)警。 


圖4 導(dǎo)管-組織界面炎癥分析


  研究人員進(jìn)一步評(píng)估了水凝膠涂層的生物相容性和界面匹配性（圖4）。對(duì)比對(duì)照組、普通導(dǎo)管組和水凝膠涂覆導(dǎo)管組植入顱腦2天和7天的界面組織病理結(jié)果，經(jīng)過(guò)蘇木精和伊紅（H&E）的染色分析，以及評(píng)估活化的小膠質(zhì)細(xì)胞標(biāo)志物（IBA-1、CD68）及星形膠質(zhì)細(xì)胞標(biāo)志物（GFAP）的表達(dá)水平，發(fā)現(xiàn)水凝膠溫度感應(yīng)涂層的引入降低了普通導(dǎo)管引發(fā)的局部炎癥，與空白對(duì)照組沒(méi)有明顯差異。 


圖5 溫度傳感水凝膠涂層在顱腦感染監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用


  在大鼠顱腦感染模型中，局部腦溫在30分鐘內(nèi)從35.08 ℃上升至36.57 ℃，在水凝膠涂層溫度傳感的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)下，顱腦感染的大鼠及早受到干預(yù)治療，40分鐘后大鼠顱腦溫度恢復(fù)正常。由于大腦原位溫度監(jiān)測(cè)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，大鼠的存活率提高到90%。未有水凝膠溫度傳感器的早期預(yù)警及干預(yù)治療，顱腦感染的大鼠存活率僅為60%，且顱腦的神經(jīng)元凋亡明顯增加，通過(guò)曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其認(rèn)知行為出現(xiàn)異常（圖5）。這些結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的體表溫度監(jiān)測(cè)相比，水凝膠涂層原位溫度感應(yīng)對(duì)植入導(dǎo)管引發(fā)的感染具有及早發(fā)現(xiàn)和干預(yù)的重要意義。


  該工作通過(guò)設(shè)計(jì)開發(fā)了一種用于醫(yī)療導(dǎo)管的溫度傳感水凝膠涂層，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大腦、腹腔和尿道等各植入部位溫度的原位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)于醫(yī)療導(dǎo)管引發(fā)感染的早期預(yù)警具有重要價(jià)值。未來(lái)可在涂層中擴(kuò)展集成多種生物信號(hào)的監(jiān)測(cè)，將對(duì)個(gè)性化預(yù)防、診斷和智能醫(yī)療導(dǎo)管的應(yīng)用具有重要意義。


  南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院直博生李亦冉和南京中醫(yī)藥大學(xué)李丹為論文共同第一作者，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院張曄副教授為論文通訊作者，南京大學(xué)是該論文的第一單位。研究工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金、江蘇省 “雙創(chuàng)團(tuán)隊(duì)”項(xiàng)目等基金的支持。相關(guān)研究以“A Temperature-Sensing Hydrogel Coating on The Medical Catheter”為題發(fā)表在Advanced Functional Material上。


  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202310260

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