一根会发电的人工电子血管：实时监测血管健康的新突破

创作时间:

作者:

@小白创作中心

一根会发电的人工电子血管：实时监测血管健康的新突破

引用

来源

http://www.polymer.cn/sci/kjxw24401.html

人类的心脏是自然界最高效的“泵”——若以每天跳动9万次计算，80年累计搏动次数高达26亿次。维持这一奇迹运转的“生命通道”，是纤细却至关重要的动脉血管通道。一旦这条“血液高速公路”因动脉粥样硬化等发生“车祸”，轻则血流“拥堵”（动脉狭窄），重则“全面瘫痪”（心肌梗死）。

近年来，全球人口老龄化、饮食结构和生活方式变化等原因导致心血管疾病患者激增。大量的患者由于血管狭窄、动脉粥样硬化需要介入治疗、血管置换或者搭桥术。可是，这些手术后容易发生术后血管再次狭窄和阻塞，而且目前临床还缺乏能够实时、长期监测手术部位血管健康状态的手段。北京纳米能源与系统研究所李琳琳研究员课题组前期工作研发了一种对血管无约束的可植入式血流动力学压电传感系统，通过将压电传感器固定在动脉血管外围，血流应力作用于传感器产生电信号，实现了对血流动力学的实时、无线监测，而且传感器不会干扰动脉血管的结构和动态生长。

针对动脉冠状疾病和外周动脉疾病血管发生严重“拥堵”，需要动脉血管置换或搭桥手术的情况，李琳琳团队开展了进一步工作，将柔性电子器件与人工血管一体化集成，获得了一根具有自我监测功能的会发电的人工电子血管。采用该人工电子血管进行动脉置换手术后，其仿天然动脉血管的内层结构能够促进快速内皮化，降低血栓风险。而一体化集成的自供能摩擦发电传感器件为人工血管安装了双保险，能够实时监测人工血管的血流动力学状态和血管健康状态，一旦血管发生狭窄或阻塞等不良改变，传感器就会监测到，并将信号无线发送到手机APP，提醒使用者需要及时干预。她们在新西兰兔进行了动脉置换并完成了长达三个月的实时动态监测。她们与上海交通大学附属第九人民医院邹多宏主任医师合作，将这一人工电子血管置换灵长类动物食蟹猴的颈动脉和股动脉，实现了对血管状态的实时监测。

相关工作近日以“Electronic vascular conduit for in situ identification of hemadostenosis and thrombosis in small animals and nonhuman primates”为题发表在Nature Communications。北京纳米能源与系统研究所李琳琳研究员、王中林院士和上海交大第九人民医院邹多宏主任医师为该论文的共同通讯作者，北京纳米能源与系统研究所博士后刘志荣（现为北京理工大学副教授）、北京纳米能源与系统研究所博士生汤楚玉和上海交大第九人民医院韩楠楠为本论文的共同第一作者。

人工电子血管的构造

人工电子血管包括三个主要部分：i)静电纺丝制备的仿生双层人工血管；ii) 人工血管外围的柔性力学传感器，用于实时和原位血液动力学监测；以及iii) 用于信号处理和无线信号传输的柔性印刷电路模块 (图1)。

图1 天然动脉和人工电子血管的结构示意图

仿生人工血管具有双层结构，内层由轴向排列的聚己内酯纳米纤维(PCL NFs)组成，可减小血流阻力，促进宿主内皮细胞从吻合口向移植物迁移，从而加速血管内皮化进程。外层由各向异性的弹性纳米纤维(TPU NFs)组成，其机械性能与天然动脉相当，使移植物能够承受外科缝合和心动周期。柔性传感器基于互补的纳米线阵列之间的摩擦电效应工作，可以通过监测周期性电压变化来反应脉搏波（图2）。柔性PCB电路模块位于手术部位附近的脂肪层和真皮层之间，能够实时显示和存储血流数据。