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納米能源所李琳琳研究員、王中林院士/上海九院鄒多宏主任醫(yī)師《Nat. Commun.》:一根會(huì)發(fā)電的人工電子血管
2025-03-28  來(lái)源:高分子科技

  人類的心臟是自然界最高效的“泵”——若以每天跳動(dòng)9萬(wàn)次計(jì)算,80年累計(jì)搏動(dòng)次數(shù)高達(dá)26億次。維持這一奇跡運(yùn)轉(zhuǎn)的“生命通道”,是纖細(xì)卻至關(guān)重要的動(dòng)脈血管通道。一旦這條“血液高速公路”因動(dòng)脈粥樣硬化等發(fā)生“車禍”,輕則血流“擁堵”(動(dòng)脈狹窄),重則“全面癱瘓”(心肌梗死)。


  近年來(lái),全球人口老齡化、飲食結(jié)構(gòu)和生活方式變化等原因?qū)е滦难芗膊』颊呒ぴ。大量的患者由于血管狹窄、動(dòng)脈粥樣硬化需要介入治療、血管置換或者搭橋術(shù)?墒,這些手術(shù)后容易發(fā)生術(shù)后血管再次狹窄和阻塞,而且目前臨床還缺乏能夠?qū)崟r(shí)、長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)手術(shù)部位血管健康狀態(tài)的手段。北京納米能源與系統(tǒng)研究所李琳琳研究員課題組前期工作研發(fā)了一種對(duì)血管無(wú)約束的可植入式血流動(dòng)力學(xué)壓電傳感系統(tǒng),通過(guò)將壓電傳感器固定在動(dòng)脈血管外圍,血流應(yīng)力作用于傳感器產(chǎn)生電信號(hào),實(shí)現(xiàn)了對(duì)血流動(dòng)力學(xué)的實(shí)時(shí)、無(wú)線監(jiān)測(cè),而且傳感器不會(huì)干擾動(dòng)脈血管的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)(Small 2023, 20, 2304752)。


  針對(duì)動(dòng)脈冠狀疾病和外周動(dòng)脈疾病血管發(fā)生嚴(yán)重“擁堵”,需要?jiǎng)用}血管置換或搭橋手術(shù)的情況,李琳琳?qǐng)F(tuán)隊(duì)開(kāi)展了進(jìn)一步工作,將柔性電子器件與人工血管一體化集成,獲得了一根具有自我監(jiān)測(cè)功能的會(huì)發(fā)電的人工電子血管。采用該人工電子血管進(jìn)行動(dòng)脈置換手術(shù)后,其仿天然動(dòng)脈血管的內(nèi)層結(jié)構(gòu)能夠促進(jìn)快速內(nèi)皮化,降低血栓風(fēng)險(xiǎn)。而一體化集成的自供能摩擦發(fā)電傳感器件為人工血管安裝了雙保險(xiǎn),能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)人工血管的血流動(dòng)力學(xué)狀態(tài)和血管健康狀態(tài),一旦血管發(fā)生狹窄或阻塞等不良改變,傳感器就會(huì)監(jiān)測(cè)到,并將信號(hào)無(wú)線發(fā)送到手機(jī)APP,提醒使用者需要及時(shí)干預(yù)。她們?cè)谛挛魈m兔進(jìn)行了動(dòng)脈置換并完成了長(zhǎng)達(dá)三個(gè)月的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。她們與上海交通大學(xué)附屬第九人民醫(yī)院鄒多宏主任醫(yī)師合作,將這一人工電子血管置換靈長(zhǎng)類動(dòng)物食蟹猴的頸動(dòng)脈和股動(dòng)脈,實(shí)現(xiàn)了對(duì)血管狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。


  相關(guān)工作近日以“Electronic vascular conduit for in situ identification of hemadostenosis and thrombosis in small animals and nonhuman primates”為題發(fā)表在Nature Communications。北京納米能源與系統(tǒng)研究所李琳琳研究員、王中林院士和上海交大第九人民醫(yī)院鄒多宏主任醫(yī)師為該論文的共同通訊作者,北京納米能源與系統(tǒng)研究所博士后劉志榮(現(xiàn)為北京理工大學(xué)副教授)、北京納米能源與系統(tǒng)研究所博士生湯楚玉和上海交大第九人民醫(yī)院韓楠楠為本論文的共同第一作者。


人工電子血管的構(gòu)造:


  人工電子血管包括三個(gè)主要部分:i)靜電紡絲制備的仿生雙層人工血管;ii) 人工血管外圍的柔性力學(xué)傳感器,用于實(shí)時(shí)和原位血液動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè);以及iii) 用于信號(hào)處理和無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)娜嵝杂∷㈦娐纺K (圖1)。



圖1 天然動(dòng)脈和人工電子血管的結(jié)構(gòu)示意圖


  仿生人工血管具有雙層結(jié)構(gòu),內(nèi)層由軸向排列的聚己內(nèi)酯納米纖維(PCL NFs)組成,可減小血流阻力,促進(jìn)宿主內(nèi)皮細(xì)胞從吻合口向移植物遷移,從而加速血管內(nèi)皮化進(jìn)程。外層由各向異性的彈性納米纖維(TPU NFs)組成,其機(jī)械性能與天然動(dòng)脈相當(dāng),使移植物能夠承受外科縫合和心動(dòng)周期。柔性傳感器基于互補(bǔ)的納米線陣列之間的摩擦電效應(yīng)工作,可以通過(guò)監(jiān)測(cè)周期性電壓變化來(lái)反應(yīng)脈搏波(圖2)。柔性PCB電路模塊位于手術(shù)部位附近的脂肪層和真皮層之間,能夠?qū)崟r(shí)顯示和存儲(chǔ)血流數(shù)據(jù)。



圖2人工電子血管的結(jié)構(gòu)表征


兔/食蟹猴動(dòng)脈移植后監(jiān)測(cè)效果驗(yàn)證


  通過(guò)端端吻合手術(shù)用人工電子血管替換等長(zhǎng)頸動(dòng)脈,驗(yàn)證人工電子血管的體內(nèi)血液動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)能力。使用腎上腺素調(diào)節(jié)血壓、線拴法構(gòu)建堵塞模型,人工電子血管可以迅速準(zhǔn)確地反映了血液動(dòng)力學(xué)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化。人工電子血管在移植后三個(gè)月內(nèi)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控血管移植物中的血流并準(zhǔn)確識(shí)別病變(圖3,4)。



圖3 兔頸動(dòng)脈移植后血流動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)效果



圖4 食蟹猴頸/股動(dòng)脈移植后血流動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)效果


  這項(xiàng)工作成功開(kāi)發(fā)了一種受天然動(dòng)脈和動(dòng)脈壓力感受器啟發(fā)的人工電子血管。在旁路移植手術(shù)后,人工血管外圍集成的血流傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)植入部位的血液動(dòng)力學(xué)狀態(tài),從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常并干預(yù)治療,降低二次血栓形成的風(fēng)險(xiǎn),為心血管疾病患者旁路手術(shù)后的關(guān)鍵時(shí)期提供了靈敏和直觀的監(jiān)測(cè)技術(shù)。


  原文鏈接:

  Zhirong Liu#, Chuyu Tang#, Nannan Han#, Zhuoheng Jiang, Xi Liang, Shaobo Wang, Quanhong Hu, Cheng Xiong, Shuncheng Yao, Zhuo Wang, Zhong Lin Wang*, Duohong Zou*,Linlin Li*. Electronic vascular conduit for in situ identification of hemadostenosis and thrombosis in small animals and nonhuman primates. Nat. Comm. 2025, 16, 2671

  https://www.nature.com/articles/s41467-025-58056-2


  李琳琳課題組主頁(yè):https://www.x-mol.com/groups/lilinlin

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