血流動(dòng)力學(xué)驅(qū)動(dòng)的磁彈血管移植物用于狹窄診斷！

血管移植物廣泛用于心血管、腦血管重建及血液透析等手術(shù)，每年全球相關(guān)手術(shù)超過百萬例。然而，移植物植入后狹窄發(fā)生率居高不下，約40%的移植物在2年內(nèi)通暢性下降，5年內(nèi)失敗率可達(dá)40%。狹窄會(huì)導(dǎo)致終末器官缺血等危及生命的并發(fā)癥，因此對血管通暢性進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測至關(guān)重要。目前臨床診斷的金標(biāo)準(zhǔn)——X射線血管造影、磁共振成像和多普勒超聲——雖然準(zhǔn)確，但依賴大型影像設(shè)備和專業(yè)人員，只能間斷性檢查，難以實(shí)現(xiàn)早期、連續(xù)的監(jiān)測，尤其在醫(yī)療資源有限的地區(qū)。這導(dǎo)致狹窄往往在動(dòng)脈嚴(yán)重閉塞后才被發(fā)現(xiàn)，迫使患者再次手術(shù)并面臨生命危險(xiǎn)。

鑒于此，加州大學(xué)洛杉磯分校陳俊教授、李松教授報(bào)道了一種血流動(dòng)力學(xué)驅(qū)動(dòng)的磁彈性血管移植物，它兼具生物相容性和防水性，能夠在植入后通過無線、實(shí)時(shí)、連續(xù)的方式診斷狹窄。該移植物通過將動(dòng)脈血流動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)化為高保真電信號來實(shí)現(xiàn)診斷。MVG采用可規(guī)?；ㄖ浦睆降闹圃旃に?，并已通過顯微外科吻合術(shù)在大鼠和豬的股動(dòng)脈中進(jìn)行了體內(nèi)測試。吻合后的MVG成功恢復(fù)了血流，并通過人工智能輔助分析，準(zhǔn)確識別了誘導(dǎo)狹窄的位置和嚴(yán)重程度。一項(xiàng)為期4個(gè)月的大鼠體內(nèi)研究進(jìn)一步證實(shí)了MVG在宿主體內(nèi)的穩(wěn)定性和生物相容性，未引發(fā)明顯的不良免疫反應(yīng)。該技術(shù)有望推動(dòng)現(xiàn)有血管移植物解決方案的發(fā)展，改善血管疾病的管理。相關(guān)研究成果以題為“Hemodynamics-driven magnetoelastic vascular grafts for stenosis diagnosis”發(fā)表在最新一期《nature biotechnology》上。

【MVG的結(jié)構(gòu)與工作原理】

MVG（如圖1e所示）采用三層結(jié)構(gòu)：中間層為血流動(dòng)力可驅(qū)動(dòng)的磁彈性微網(wǎng)（HAMM，如圖1f），由嵌入硅膠基質(zhì)中的磁性顆粒構(gòu)成，其兩側(cè)是聚碳酸酯聚氨酯納米纖維膜（如圖1g）。在心臟舒張期，HAMM保持穩(wěn)定的磁通密度 B 0 （圖1h）。心臟收縮期，血流壓力使HAMM變形，磁通密度變?yōu)? B 0 +ΔB （圖1i）。舒張期壓力下降，磁通密度恢復(fù)至 B 0 （圖1j）。由于靜磁場可安全穿透組織，這些磁通變化能被外部柔性線圈無線檢測，并感應(yīng)出高保真電信號，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)、準(zhǔn)確的狹窄診斷（圖1k）。MVG具有柔韌性（圖1l）和可定制的尺寸（圖1m），可適應(yīng)不同解剖位置。

圖 1. 一種由血流動(dòng)力學(xué)驅(qū)動(dòng)的磁彈性血管移植物

【可擴(kuò)展性與定制化制造】

MVG采用靜電紡絲和激光切割技術(shù)制造，工藝可擴(kuò)展且適用于工業(yè)化生產(chǎn)。HAMM采用六邊形分形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如圖2d所示），增強(qiáng)了拉伸性和磁機(jī)耦合效應(yīng)。掃描電鏡和顯微CT顯示各層結(jié)構(gòu)完整、結(jié)合緊密（圖2c），內(nèi)壁光滑，不影響層流血流（圖2e中的黃色帶表示10-20 kPa應(yīng)力范圍，HAMM可產(chǎn)生高達(dá) 10 % 的應(yīng)變）。

【磁彈性與機(jī)械特性】

MVG的極限抗拉強(qiáng)度（5.98±1.2 MPa）和縫線保持強(qiáng)度（3.5±0.3 N）與臨床使用的ePTFE移植物相當(dāng)（圖2f）。其順應(yīng)性為每100 mmHg 6.73±0.2 % ，接近天然人動(dòng)脈（每100 mmHg 5.9±0.5%），并顯著高于ePTFE移植物（每100 mmHg 1.33±0.1%）（圖2g）。含HAMM層與不含HAMM層區(qū)域的彈性模量和順應(yīng)性基本一致，表明納米纖維膜主導(dǎo)了MVG的機(jī)械性能。

【體外血流動(dòng)力學(xué)傳感性能與生物安全性評估】

在模擬脈動(dòng)血流的體外實(shí)驗(yàn)中，MVG產(chǎn)生的感應(yīng)電流信號峰峰值（P1-P2）與流速（在8-18 mls-1范圍內(nèi)， R 2 =0.97 ）及脈壓（ R 2 =0.99 ）強(qiáng)相關(guān)（圖2h, i）。通過分析信號還能準(zhǔn)確計(jì)算心率（圖2j）。狹窄模擬實(shí)驗(yàn)表明，MVG信號能靈敏反映流量的減少（圖2l），并能通過信號特征差異區(qū)分近端與遠(yuǎn)端狹窄（圖2m）。MVG在經(jīng)歷20000次脈動(dòng)變形后傳感準(zhǔn)確性未出現(xiàn)明顯下降（圖2n），并具備防水特性，傳感信號在PBS溶液中保持穩(wěn)定。

內(nèi)皮細(xì)胞能在MVG內(nèi)壁附著生長（圖2o）。將人外周血單核細(xì)胞與MVG共培養(yǎng)7天后，通過流式細(xì)胞術(shù)分析顯示，MVG組在總細(xì)胞、單核細(xì)胞、粒細(xì)胞、T細(xì)胞、B細(xì)胞和自然殺傷細(xì)胞數(shù)量上，與對照組及ePTFE組均無統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著差異（圖2p），表明其未引起可檢測的細(xì)胞毒性或免疫反應(yīng)。在1 T磁場下進(jìn)行30分鐘MRI掃描，HAMM層未出現(xiàn)明顯溫升或移動(dòng)，證實(shí)其MRI安全性。

圖 2. 磁彈性血管移植物的優(yōu)化與表征

【體內(nèi)血流動(dòng)力學(xué)傳感】

在大鼠模型中，通過端端吻合術(shù)將MVG植入股動(dòng)脈（圖3b）。外部柔性線圈貼于皮膚（圖3c），可連續(xù)、跨皮無線記錄血流動(dòng)力學(xué)信號（圖3d, e）。植入4周后，MVG響應(yīng)時(shí)間與植入初期相比無顯著差異（圖3f）。多普勒超聲顯示吻合處為層流血流（圖3g），且MVG信號計(jì)算的心率與超聲結(jié)果高度一致（圖3h）。結(jié)合體外狹窄模擬數(shù)據(jù)，利用預(yù)訓(xùn)練的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對MVG信號進(jìn)行分類，對近端狹窄、遠(yuǎn)端狹窄及通暢狀態(tài)的識別平均準(zhǔn)確率達(dá) 88.06 % （圖3i, j, k）。

圖 3. 大鼠模型中的體內(nèi)血流動(dòng)動(dòng)力學(xué)感知

【大動(dòng)物模型體內(nèi)狹窄監(jiān)測與診斷】

在豬股動(dòng)脈模型中的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了MVG的臨床潛力（圖4a, b）。直徑4 mm的MVG成功吻合后，血流立即恢復(fù)（圖4d）。X射線血管造影確認(rèn)了移植物通暢，無血流限制或血管損傷（圖4e-g）。免疫熒光分析顯示，吻合口附近動(dòng)脈的內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞標(biāo)記物分布正常（圖4h-j）。MVG產(chǎn)生的血流動(dòng)力學(xué)信號（紅色曲線）與臨床監(jiān)護(hù)儀記錄的動(dòng)脈血壓波形高度吻合（圖4k）。通過誘導(dǎo)急性狹窄，MVG信號能靈敏反映血流變化，并能區(qū)分狹窄位置（近端狹窄信號減弱，圖4n；遠(yuǎn)端狹窄影響較小，圖4o）以及不同嚴(yán)重程度的狹窄。AI模型對包括基線通暢、急/慢性狹窄在內(nèi)的多種狀態(tài)分類準(zhǔn)確率達(dá) 91.2 % （圖4r）。即使MVG與線圈間隔20 mm，信號信噪比仍可達(dá)26 dB（圖4s），展示了其強(qiáng)大的跨組織傳感能力。

圖 4. 豬模型中磁彈性血管移植物用于狹窄診斷的體內(nèi)演示

【長期生物相容性】

為期120天的大鼠長期植入研究（圖5a）顯示，MVG被宿主組織包裹（圖5c），無假瘤形成或液體積聚。組織學(xué)（H&E和Masson染色，圖5d, e）和免疫熒光分析（圖5f-h）表明，與對照組相比，MVG周圍組織無顯著損傷或炎癥跡象。流式細(xì)胞術(shù)全面免疫分析顯示，實(shí)驗(yàn)組與對照組在血液、周圍組織及脾臟樣本中的T細(xì)胞表型（圖5i, k-m）、巨噬細(xì)胞極化（圖5j, n-p）均無顯著差異。PET-CT掃描顯示MVG植入部位局部炎癥有限（圖5q-t）。元素分析表明，MVG中的硅材料未發(fā)生可檢測的泄漏（圖5u）。血液學(xué)分析各項(xiàng)指標(biāo)均在正常參考范圍內(nèi)（圖5v），證實(shí)了動(dòng)物整體健康及裝置的血流安全性。

圖 5. 長期生物相容性研究

【總結(jié)】

本研究表明，MVG能夠?qū)崿F(xiàn)無線、實(shí)時(shí)、連續(xù)的狹窄診斷。其血流動(dòng)力學(xué)驅(qū)動(dòng)的工作機(jī)制，基于軟材料中的巨磁彈性效應(yīng)，降低了對體外能源的依賴。長期體內(nèi)研究證實(shí)了其優(yōu)異的生物相容性和生物穩(wěn)定性。未來工作可聚焦于改進(jìn)MVG設(shè)計(jì)以減少M(fèi)RI成像偽影、優(yōu)化信號在骨骼（如胸腔、顱骨）附近的傳輸效率，以及開發(fā)集成低成本板載存儲(chǔ)和低資源AI芯片的分析系統(tǒng)，以提升在資源有限地區(qū)的可及性。MVG技術(shù)不僅有望革新血管移植物術(shù)后監(jiān)測模式，實(shí)現(xiàn)居家連續(xù)監(jiān)護(hù)，未來還可能拓展應(yīng)用于尿道成形術(shù)、生物或人工器官移植后的并發(fā)癥監(jiān)測等領(lǐng)域。