血流动力学驱动的磁弹血管移植物用于狭窄诊断！
血管移植物广泛用于心血管、脑血管重建及血液透析等手术，每年全球相关手术超过百万例。然而，移植物植入后狭窄发生率居高不下，约40%的移植物在2年内通畅性下降，5年内失败率可达40%。狭窄会导致终末器官缺血等危及生命的并发症，因此对血管通畅性进行持续监测至关重要。目前临床诊断的金标准——X射线血管造影、磁共振成像和多普勒超声——虽然准确，但依赖大型影像设备和专业人员，只能间断性检查，难以实现早期、连续的监测，尤其在医疗资源有限的地区。这导致狭窄往往在动脉严重闭塞后才被发现，迫使患者再次手术并面临生命危险。
鉴于此，加州大学洛杉矶分校陈俊教授、李松教授报道了一种血流动力学驱动的磁弹性血管移植物，它兼具生物相容性和防水性，能够在植入后通过无线、实时、连续的方式诊断狭窄。该移植物通过将动脉血流动力学转化为高保真电信号来实现诊断。MVG采用可规模化定制直径的制造工艺，并已通过显微外科吻合术在大鼠和猪的股动脉中进行了体内测试。吻合后的MVG成功恢复了血流，并通过人工智能辅助分析，准确识别了诱导狭窄的位置和严重程度。一项为期4个月的大鼠体内研究进一步证实了MVG在宿主体内的稳定性和生物相容性，未引发明显的不良免疫反应。该技术有望推动现有血管移植物解决方案的发展，改善血管疾病的管理。相关研究成果以题为“Hemodynamics-driven magnetoelastic vascular grafts for stenosis diagnosis”发表在最新一期《nature biotechnology》上。
【MVG的结构与工作原理】
MVG（如图1e所示）采用三层结构：中间层为血流动力可驱动的磁弹性微网（HAMM，如图1f），由嵌入硅胶基质中的磁性颗粒构成，其两侧是聚碳酸酯聚氨酯纳米纤维膜（如图1g）。在心脏舒张期，HAMM保持稳定的磁通密度 B 0 （图1h）。心脏收缩期，血流压力使HAMM变形，磁通密度变为 B 0 +ΔB （图1i）。舒张期压力下降，磁通密度恢复至 B 0 （图1j）。由于静磁场可安全穿透组织，这些磁通变化能被外部柔性线圈无线检测，并感应出高保真电信号，从而实现连续、准确的狭窄诊断（图1k）。MVG具有柔韧性（图1l）和可定制的尺寸（图1m），可适应不同解剖位置。
图 1. 一种由血流动力学驱动的磁弹性血管移植物
【可扩展性与定制化制造】
MVG采用静电纺丝和激光切割技术制造，工艺可扩展且适用于工业化生产。HAMM采用六边形分形网格结构设计（如图2d所示），增强了拉伸性和磁机耦合效应。扫描电镜和显微CT显示各层结构完整、结合紧密（图2c），内壁光滑，不影响层流血流（图2e中的黄色带表示10-20 kPa应力范围，HAMM可产生高达 10 % 的应变）。
【磁弹性与机械特性】
MVG的极限抗拉强度（5.98±1.2 MPa）和缝线保持强度（3.5±0.3 N）与临床使用的ePTFE移植物相当（图2f）。其顺应性为每100 mmHg 6.73±0.2 % ，接近天然人动脉（每100 mmHg 5.9±0.5%），并显著高于ePTFE移植物（每100 mmHg 1.33±0.1%）（图2g）。含HAMM层与不含HAMM层区域的弹性模量和顺应性基本一致，表明纳米纤维膜主导了MVG的机械性能。
【体外血流动力学传感性能与生物安全性评估】
在模拟脉动血流的体外实验中，MVG产生的感应电流信号峰峰值（P1-P2）与流速（在8-18 mls-1范围内， R 2 =0.97 ）及脉压（ R 2 =0.99 ）强相关（图2h, i）。通过分析信号还能准确计算心率（图2j）。狭窄模拟实验表明，MVG信号能灵敏反映流量的减少（图2l），并能通过信号特征差异区分近端与远端狭窄（图2m）。MVG在经历20000次脉动变形后传感准确性未出现明显下降（图2n），并具备防水特性，传感信号在PBS溶液中保持稳定。
内皮细胞能在MVG内壁附着生长（图2o）。将人外周血单核细胞与MVG共培养7天后，通过流式细胞术分析显示，MVG组在总细胞、单核细胞、粒细胞、T细胞、B细胞和自然杀伤细胞数量上，与对照组及ePTFE组均无统计学显著差异（图2p），表明其未引起可检测的细胞毒性或免疫反应。在1 T磁场下进行30分钟MRI扫描，HAMM层未出现明显温升或移动，证实其MRI安全性。
图 2. 磁弹性血管移植物的优化与表征
【体内血流动力学传感】
在大鼠模型中，通过端端吻合术将MVG植入股动脉（图3b）。外部柔性线圈贴于皮肤（图3c），可连续、跨皮无线记录血流动力学信号（图3d, e）。植入4周后，MVG响应时间与植入初期相比无显著差异（图3f）。多普勒超声显示吻合处为层流血流（图3g），且MVG信号计算的心率与超声结果高度一致（图3h）。结合体外狭窄模拟数据，利用预训练的卷积神经网络对MVG信号进行分类，对近端狭窄、远端狭窄及通畅状态的识别平均准确率达 88.06 % （图3i, j, k）。
图 3. 大鼠模型中的体内血流动动力学感知
【大动物模型体内狭窄监测与诊断】
在猪股动脉模型中的实验进一步验证了MVG的临床潜力（图4a, b）。直径4 mm的MVG成功吻合后，血流立即恢复（图4d）。X射线血管造影确认了移植物通畅，无血流限制或血管损伤（图4e-g）。免疫荧光分析显示，吻合口附近动脉的内皮细胞和平滑肌细胞标记物分布正常（图4h-j）。MVG产生的血流动力学信号（红色曲线）与临床监护仪记录的动脉血压波形高度吻合（图4k）。通过诱导急性狭窄，MVG信号能灵敏反映血流变化，并能区分狭窄位置（近端狭窄信号减弱，图4n；远端狭窄影响较小，图4o）以及不同严重程度的狭窄。AI模型对包括基线通畅、急/慢性狭窄在内的多种状态分类准确率达 91.2 % （图4r）。即使MVG与线圈间隔20 mm，信号信噪比仍可达26 dB（图4s），展示了其强大的跨组织传感能力。
图 4. 猪模型中磁弹性血管移植物用于狭窄诊断的体内演示
【长期生物相容性】
为期120天的大鼠长期植入研究（图5a）显示，MVG被宿主组织包裹（图5c），无假瘤形成或液体积聚。组织学（H&E和Masson染色，图5d, e）和免疫荧光分析（图5f-h）表明，与对照组相比，MVG周围组织无显著损伤或炎症迹象。流式细胞术全面免疫分析显示，实验组与对照组在血液、周围组织及脾脏样本中的T细胞表型（图5i, k-m）、巨噬细胞极化（图5j, n-p）均无显著差异。PET-CT扫描显示MVG植入部位局部炎症有限（图5q-t）。元素分析表明，MVG中的硅材料未发生可检测的泄漏（图5u）。血液学分析各项指标均在正常参考范围内（图5v），证实了动物整体健康及装置的血流安全性。
图 5. 长期生物相容性研究
【总结】
本研究表明，MVG能够实现无线、实时、连续的狭窄诊断。其血流动力学驱动的工作机制，基于软材料中的巨磁弹性效应，降低了对体外能源的依赖。长期体内研究证实了其优异的生物相容性和生物稳定性。未来工作可聚焦于改进MVG设计以减少MRI成像伪影、优化信号在骨骼（如胸腔、颅骨）附近的传输效率，以及开发集成低成本板载存储和低资源AI芯片的分析系统，以提升在资源有限地区的可及性。MVG技术不仅有望革新血管移植物术后监测模式，实现居家连续监护，未来还可能拓展应用于尿道成形术、生物或人工器官移植后的并发症监测等领域。
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