南(nan)方(fang)科(ke)技(ji)大(da)學：新(xin)型(xing)離電型(xing)壓(ya)力導(dao)絲(si)技(ji)術(shu)

冠狀動脈疾病(bing)是全(quan)球(qiu)主(zhu)要(yao)致死(si)性疾病之壹(yi)，每年大(da)約(yue)有上(shang)千(qian)萬人因(yin)此(ci)死(si)亡。其特征在(zai)於斑(ban)塊沈積(ji)，會(hui)導致冠脈(mai)血管(guan)狹窄，從(cong)而嚴重影響心(xin)肌供血，最終可能引(yin)發(fa)致命(ming)的心(xin)臟病發(fa)作。在(zai)診(zhen)斷方(fang)面(mian)，除了(le)廣泛使用的X射(she)線，血流(liu)儲(chu)備(bei)分(fen)數(shu)（Fractional flow reserve，簡稱(cheng)FFR）的(de)檢測(ce)已經成(cheng)為(wei)評估(gu)冠狀動脈疾病(bing)的重要微創技術。FFR能(neng)對(dui)冠狀動脈的生(sheng)理功能(neng)進行(xing)定(ding)性評估(gu)，彌補(bu)了(le)傳統(tong)血管(guan)造影僅(jin)提(ti)供解剖學可視(shi)化的不(bu)足(zu)。

目(mu)前(qian)，用於FFR測(ce)試(shi)的壓力導絲(si)通常包含(han)置於遠端的電學（壓(ya)阻(zu)或壓電）或光(guang)學傳感(gan)器(qi)，通過(guo)導(dao)絲(si)內部嵌入的導(dao)電線或(huo)光(guang)學纖維(wei)傳輸(shu)壓(ya)力信(xin)號。然而，多(duo)條電線會(hui)降低(di)導(dao)絲(si)的硬度(du)，導(dao)致從(cong)近端到遠端的扭(niu)矩傳遞減(jian)小(xiao)，從而影響(xiang)導絲(si)在(zai)狹窄(zhai)和彎曲冠脈(mai)中(zhong)的(de)操控性。同(tong)理，由(you)於光(guang)學壓(ya)力(li)導絲固(gu)有(you)的(de)脆性限(xian)制了(le)導絲的彎曲性，導致了(le)扭結(jie)的(de)風(feng)險(xian)增大(da)。這些限(xian)制需(xu)重(zhong)復(fu)的(de)推(tui)進和撤(che)回操作(zuo)，導絲(si)尖(jian)部(bu)和(he)血管(guan)之間過(guo)大(da)且(qie)反復(fu)的(de)接(jie)觸(chu)力會(hui)導致脆弱的動脈血管(guan)剝離或穿孔等並發(fa)癥。在(zai)這方(fang)面(mian)，尖部(bu)接觸(chu)力的(de)實時(shi)檢測(ce)對(dui)於安(an)全(quan)導(dao)航至關(guan)重(zhong)要(yao)，但現有(you)的商業(ye)導(dao)絲(si)依(yi)然無法(fa)實現(xian)這壹(yi)功能(neng)。此(ci)外(wai)，商業(ye)壓(ya)力(li)導絲復(fu)雜的(de)制備(bei)過(guo)程(cheng)也提(ti)升(sheng)了(le)其成本(ben)。因(yin)此(ci)，能(neng)夠(gou)準確(que)檢測(ce)尖(jian)部接觸(chu)力並能在(zai)冠脈(mai)狹(xia)窄處立即(ji)可靠檢測(ce)FFR的(de)低成本(ben)、高(gao)操控(kong)性的壓力導(dao)絲(si)成(cheng)為亟(ji)待(dai)研(yan)發(fa)的重(zhong)要課(ke)題。

針對(dui)上述(shu)挑(tiao)戰，南科(ke)大(da)郭傳飛(fei)教授(shou)聯(lian)合中(zhong)科(ke)大(da)王柳(liu)教授(shou)開(kai)發(fa)了(le)壹(yi)種(zhong)新(xin)型(xing)離電型(xing)壓(ya)力導(dao)絲(si)（Iontronic tip-sensing guidewire，簡稱(cheng)ITG）。該尖部(bu)傳感(gan)導(dao)絲基於廉價且(qie)技(ji)術成熟的(de)工作導(dao)絲(si)制備(bei)，利用生物(wu)本(ben)身的離子傳導(dao)特性，將(jiang)生物(wu)體作(zuo)為信(xin)號的傳輸(shu)通道(dao)（如圖(tu)1），省去(qu)了(le)傳統(tong)導絲中(zhong)多(duo)條信號傳輸(shu)導(dao)線，從(cong)本(ben)質上(shang)將(jiang)導絲的操(cao)控(kong)性能提(ti)升(sheng)至理想(xiang)水平(ping)。同(tong)時(shi)，器(qi)件(jian)以離子凝膠(jiao)作為(wei)傳感(gan)層(ceng)，金屬頭和工作導(dao)絲(si)作為兩(liang)電極，並運(yun)用摩方(fang)精(jing)密(mi)面(mian)投影(ying)微立(li)體(ti)光(guang)刻(ke)（PμSL）技術(shu)（nanoArch® S130，精度(du)：2 μm）制作(zuo)樹(shu)脂管(guan)來固(gu)定(ding)和(he)封裝三(san)者(zhe)，從而使ITG獲(huo)得(de)了(le)高靈敏度、高(gao)響(xiang)應(ying)速(su)度(du)和(he)尖部反饋功能(neng)。

根據(ju)導絲的實際(ji)尺寸，對(dui)離電型(xing)尖(jian)部壓(ya)力(li)導(dao)絲(si)ITG的(de)操(cao)控(kong)性進行(xing)模(mo)擬(ni)，並將(jiang)其與商業(ye)工作導(dao)絲(si)和商業(ye)壓(ya)力(li)導絲對(dui)比，如圖(tu)2，理論證(zheng)明(ming)離電型(xing)尖(jian)部壓(ya)力(li)導(dao)絲(si)的(de)操(cao)控(kong)性與商業(ye)工作導(dao)絲(si)接近，均(jun)達到(dao)了(le)1:1的扭轉(zhuan)比，而商業(ye)壓(ya)力(li)導絲由(you)於內(nei)部多(duo)條信號傳輸(shu)線的(de)設計(ji)，其扭轉(zhuan)比只(zhi)有0.4，這(zhe)證(zheng)明(ming)ITG的(de)操(cao)控性的優異性。隨(sui)後，團(tuan)隊通過(guo)扭(niu)轉(zhuan)測(ce)試(shi)機對(dui)ITG的操控(kong)性進行(xing)實時(shi)檢測(ce)，並將(jiang)其與商業(ye)工作導(dao)絲(si)和商業(ye)壓(ya)力(li)導絲對(dui)比，結(jie)果(guo)離電型(xing)尖(jian)部壓(ya)力(li)導(dao)絲(si)和(he)商業(ye)工作的(de)導(dao)絲的扭(niu)轉(zhuan)比均接(jie)近1:1，而商業(ye)壓(ya)力(li)導絲的扭轉(zhuan)比只(zhi)有約(yue)0.4，這與模(mo)擬(ni)結(jie)果(guo)壹(yi)致，再次證(zheng)明(ming)了(le)離電型(xing)尖(jian)部壓(ya)力(li)導(dao)絲(si)的(de)超(chao)高(gao)優(you)異性。

離電型(xing)尖(jian)部壓(ya)力(li)導(dao)絲(si)的(de)電容信號在(zai)模(mo)擬(ni)水環(huan)境中(zhong)對(dui)壓力的(de)響(xiang)應(ying)進行(xing)測(ce)試(shi)，如圖(tu)3。ITG的電容變(bian)化-壓強(qiang)變(bian)化曲線呈(cheng)線性，靈敏度為(wei)0.4 pF mmHg-1，且(qie)重(zhong)復(fu)試(shi)驗(yan)中(zhong)數(shu)據幾(ji)乎重合，說(shuo)明器(qi)件(jian)的重復(fu)性好。ITG對(dui)壓力的(de)相(xiang)應(ying)時(shi)間僅(jin)為0.54 ms。在(zai)10000次相(xiang)同(tong)的(de)壓力(li)循環(huan)過(guo)程(cheng)中(zhong)，ITG的(de)最大(da)電容信號幾(ji)乎無任何變(bian)化，且(qie)循環(huan)曲線軌跡幾(ji)乎相同(tong)，說(shuo)明ITG的(de)性能穩(wen)定(ding)性強，可保證(zheng)在(zai)介入手術過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)可靠性。ITG可以精(jing)確(que)檢測(ce)到(dao)不(bu)同(tong)形(xing)狀和頻(pin)率的脈(mai)搏信號。在(zai)活(huo)體豬(zhu)冠脈(mai)內(nei)，ITG可檢測(ce)到(dao)豬冠脈(mai)內(nei)的血流(liu)，在(zai)長時(shi)間的(de)檢測(ce)中(zhong)信(xin)號穩(wen)定(ding)，且(qie)可靈敏(min)捕捉到(dao)血流(liu)微小(xiao)的(de)信(xin)號波動，說(shuo)明壓(ya)力導(dao)絲的高靈(ling)敏(min)度和(he)快(kuai)速(su)響應(ying)。

ITG的接觸(chu)力反饋能(neng)力的驗(yan)證(zheng)在(zai)體外(wai)模(mo)擬(ni)系統(tong)和活(huo)體兔(tu)子體(ti)內(nei)進行(xing)，如圖(tu)4。在(zai)未接觸(chu)血管(guan)壁時(shi)，壓力(li)導絲(si)可輸出(chu)正(zheng)常的(de)脈(mai)動信(xin)號。而其頭端壹(yi)旦(dan)接(jie)觸(chu)血管(guan)壁時(shi)，信號將(jiang)會(hui)顯著(zhu)增加(jia)，明顯(xian)不(bu)同(tong)於正(zheng)常的(de)血流(liu)信(xin)號，這將(jiang)能警示(shi)操作(zuo)者血管(guan)壁剝離或穿刺(ci)的風(feng)險(xian)，提(ti)示(shi)操作者(zhe)及時(shi)做出(chu)調整，從(cong)而保證(zheng)手術的(de)安全(quan)性。

在(zai)活(huo)體豬(zhu)的(de)狹(xia)窄血管(guan)內，對(dui)ITG對(dui)FFR值(zhi)的(de)檢測(ce)能(neng)力進行(xing)驗(yan)證(zheng)，如圖(tu)5。ITG可檢測(ce)到(dao)豬動脈在(zai)逐(zhu)漸變(bian)狹(xia)窄(zhai)的(de)過(guo)程(cheng)中(zhong)信(xin)號的精確(que)變(bian)化，並且(qie)與商業(ye)導(dao)絲(si)的數據幾(ji)乎吻(wen)合，兩者所檢測(ce)到(dao)的FFR數值(zhi)也接近，說(shuo)明ITG具(ju)有精(jing)確檢測(ce)FFR數(shu)值(zhi)的(de)能(neng)力(li)。對(dui)於下(xia)降的(de)血壓(ya)，ITG比傳統(tong)商業(ye)壓(ya)力(li)導絲的實時(shi)響應(ying)更(geng)加(jia)迅速(su)和(he)靈敏。

ITG具(ju)有優良的生(sheng)物(wu)相容性，如圖(tu)6。ITG在(zai)細胞熒光(guang)、細胞增殖能(neng)力(li)、凝血、急(ji)毒(du)、溶(rong)血、皮(pi)下(xia)、過(guo)敏(min)實驗(yan)中(zhong)均(jun)表現優異(yi)的(de)生(sheng)物(wu)相容性。

綜(zong)上(shang)所(suo)述(shu)，ITG具(ju)有比商業(ye)壓(ya)力(li)導絲更優異(yi)的(de)操(cao)控(kong)性、響應(ying)速(su)度(du)、靈(ling)敏度、額(e)外(wai)的接(jie)觸(chu)力反饋功能(neng)和(he)低(di)成(cheng)本(ben)的(de)優勢(shi)。ITG利用人體離子環境作為天然(ran)的(de)離電信號傳輸(shu)通道(dao)，保證(zheng)了(le)在(zai)復(fu)雜血管(guan)內導航過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)高扭轉(zhuan)比和操(cao)控性。ITG具有目前(qian)傳統(tong)壓力導絲(si)所缺乏的接(jie)觸(chu)力反饋功能(neng)，大(da)大(da)減小(xiao)了(le)血管(guan)損傷的風(feng)險(xian)。ITG簡單且(qie)無導(dao)線的(de)設計(ji)不(bu)僅(jin)保證(zheng)了(le)優良機械(xie)性能而且(qie)減(jian)少了(le)制備(bei)成(cheng)本(ben)，有(you)希(xi)望(wang)增加(jia)先進的FFR評估(gu)技術(shu)在(zai)資(zi)源缺乏環境下(xia)的普(pu)及。除了(le)直接(jie)的(de)臨(lin)床(chuang)效(xiao)益(yi)，ITG的創新設計(ji)與驗(yan)證(zheng)為(wei)未來介入醫療設備(bei)的(de)發(fa)展提(ti)供了(le)依(yi)據，有(you)利於進壹(yi)步(bu)促(cu)進安全(quan)、效(xiao)率和病(bing)人預(yu)後的(de)提(ti)升(sheng)。

以上(shang)工作近期(qi)以“Iontronic tip-sensing guidewires"為(wei)題(ti)，發(fa)表於國際期刊(kan)《Nature Biomedical Engineering》上(shang)。南(nan)方(fang)科(ke)技(ji)大(da)學關(guan)方(fang)怡(yi)博(bo)士後（現(xian)中(zhong)國科(ke)學院(yuan)深圳(zhen)先(xian)進技術(shu)研究院(yuan)助理研(yan)究(jiu)員(yuan)）與西(xi)安(an)電子科(ke)技(ji)大(da)學白(bai)寧寧副(fu)教授(shou)（原南方(fang)科(ke)技(ji)大(da)學聯(lian)合培養博士）為(wei)共(gong)同(tong)第(di)壹(yi)作(zuo)者(zhe)。本(ben)研(yan)究獲(huo)得(de)多(duo)項國家自然科(ke)學基金的資(zi)助。