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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師《Nat. Commun.》:一根會發電的人工電子血管
2025-03-28  來源: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9萬次計算,80年累計搏動次數高達26億次。維持這一奇跡運轉的“生命通道”,是纖細卻至關重要的動脈血管通道。一旦這條“血液高速公路”因動脈粥樣硬化等發生“車禍”,輕則血流“擁堵”(動脈狹窄),重則“全面癱瘓”(心肌梗死)。


  近年來,全球人口老齡化、飲食結構和生活方式變化等原因導致心血管疾病患者激增。大量的患者由于血管狹窄、動脈粥樣硬化需要介入治療、血管置換或者搭橋術。可是,這些手術后容易發生術后血管再次狹窄和阻塞,而且目前臨床還缺乏能夠實時、長期監測手術部位血管健康狀態的手段。北京納米能源與系統研究所李琳琳研究員課題組前期工作研發了一種對血管無約束的可植入式血流動力學壓電傳感系統,通過將壓電傳感器固定在動脈血管外圍,血流應力作用于傳感器產生電信號,實現了對血流動力學的實時、無線監測,而且傳感器不會干擾動脈血管的結構和動態生長(Small 2023, 20, 2304752)。


  針對動脈冠狀疾病和外周動脈疾病血管發生嚴重“擁堵”,需要動脈血管置換或搭橋手術的情況,李琳琳團隊開展了進一步工作,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測功能的會發電的人工電子血管。采用該人工電子血管進行動脈置換手術后,其仿天然動脈血管的內層結構能夠促進快速內皮化,降低血栓風險。而一體化集成的自供能摩擦發電傳感器件為人工血管安裝了雙保險,能夠實時監測人工血管的血流動力學狀態和血管健康狀態,一旦血管發生狹窄或阻塞等不良改變,傳感器就會監測到,并將信號無線發送到手機APP,提醒使用者需要及時干預。她們在新西蘭兔進行了動脈置換并完成了長達三個月的實時動態監測。她們與上海交通大學附屬第九人民醫院鄒多宏主任醫師合作,將這一人工電子血管置換靈長類動物食蟹猴的頸動脈和股動脈,實現了對血管狀態的實時監測。


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


人工電子血管的構造:


  人工電子血管包括三個主要部分: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傳感器,用于實時和原位血液動力學監測;以及iii) 用于信號處理和無線信號傳輸的柔性印刷電路模塊 (圖1)。



圖1 天然動脈和人工電子血管的結構示意圖


  仿生人工血管具有雙層結構,內層由軸向排列的聚己內酯納米纖維(PCL NFs)組成,可減小血流阻力,促進宿主內皮細胞從吻合口向移植物遷移,從而加速血管內皮化進程。外層由各向異性的彈性納米纖維(TPU NFs)組成,其機械性能與天然動脈相當,使移植物能夠承受外科縫合和心動周期。柔性傳感器基于互補的納米線陣列之間的摩擦電效應工作,可以通過監測周期性電壓變化來反應脈搏波(圖2)。柔性PCB電路模塊位于手術部位附近的脂肪層和真皮層之間,能夠實時顯示和存儲血流數據。



圖2人工電子血管的結構表征


兔/食蟹猴動脈移植后監測效果驗證


  通過端端吻合手術用人工電子血管替換等長頸動脈,驗證人工電子血管的體內血液動力學監測能力。使用腎上腺素調節血壓、線拴法構建堵塞模型,人工電子血管可以迅速準確地反映了血液動力學參數的動態變化。人工電子血管在移植后三個月內可以實時監控血管移植物中的血流并準確識別病變(圖3,4)。



圖3 兔頸動脈移植后血流動力學監測效果



圖4 食蟹猴頸/股動脈移植后血流動力學監測效果


  這項工作成功開發了一種受天然動脈和動脈壓力感受器啟發的人工電子血管。在旁路移植手術后,人工血管外圍集成的血流傳感器能夠實時監測植入部位的血液動力學狀態,從而及時發現異常并干預治療,降低二次血栓形成的風險,為心血管疾病患者旁路手術后的關鍵時期提供了靈敏和直觀的監測技術。


  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:https://www.x-mol.com/groups/lilinlin

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(責任編輯:xu)
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