血流動力學的評估是心血管患者術后監(jiān)護的重要基礎指標，對于兒科和先天性心血管疾病同樣如此。實時、準確地監(jiān)測病人的血液動力學狀態(tài)，能夠幫助及時進行疾病診斷和預后評估。但是，要實現(xiàn)“實時、及時”絕非易事。近期，中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所李琳琳團隊開發(fā)了一種可植入式、通過“可生長”的護鞘（Sheath）結(jié)構(gòu)固定壓電傳感器，達到血管無約束目的的壓電血液動力學傳感系統(tǒng)，將采集的血管敏感壓力信號實時傳輸?shù)绞謾CAPP，實現(xiàn)了血液動力學的監(jiān)測。
仿生的護鞘結(jié)構(gòu)受到植物葉鞘結(jié)構(gòu)和功能的啟示。禾本科植物如小麥、水稻等具有顯著的葉鞘，它們的功能是保護莖上的幼嫩居間分生組織和幼芽，加強莖的支持作用。隨著植物的生長，葉鞘隨莖的延伸而逐漸展開，不干擾莖的生長。本工作中設計的聚氨酯纖維護鞘具有類似的結(jié)構(gòu)和功能，能夠固定柔性壓電傳感器而不干擾動脈血管的動態(tài)生長，從力學協(xié)同增強的角度提高了傳感性能。
壓電傳感器由周向排列的聚偏氟乙烯納米纖維（PVDF NFs）組成，從而提高壓電響應性。使用模擬血管通路對傳感設備進行體外血流動力學測試，傳感器動態(tài)機械刺激的感測能力通過建立電壓輸出和壓力之間的關系量化。隨著模擬血管內(nèi)壓力（20-200 mmHg，1 Hz）的增加，輸出電壓相應增加，具有顯著線性關系（R2 = 0.99）和0.64 mV/mmHg的高靈敏度，驗證了傳感器用于監(jiān)測血管內(nèi)壓力的靈敏性和可靠性。
通過這一傳感系統(tǒng)對實驗動物大鼠、兔的動脈血液動力學進行監(jiān)測。在大鼠上實現(xiàn)了連續(xù)2周的高精度和高穩(wěn)定性無線監(jiān)測，3個月植入時程內(nèi)未對動物造成任何不良影響。這一無約束設計的壓電傳感器系統(tǒng)有望在改善心血管疾病患者的術后隨訪中發(fā)揮關鍵作用，以便及時進行疾病診斷和預后評估。
圖1 無約束血管電子系統(tǒng)概述：傳感器的仿生護鞘可以將傳感器穩(wěn)定地固定在血管周圍，并從力學協(xié)同增強的角度上有效提高傳感性能。
圖2 無約束血管電子系統(tǒng)的制造和表征。
圖3 無約束血管電子系統(tǒng)實現(xiàn)了兔不同生理狀態(tài)下實時的血流動力學監(jiān)測。
圖4 無約束血管電子系統(tǒng)的大鼠中長程植入及血流動力學監(jiān)測
這一研究從“材料-器件-系統(tǒng)”多個層次實現(xiàn)協(xié)同創(chuàng)新，在柔性壓電材料的設計、傳感器結(jié)構(gòu)優(yōu)化、植入式工作環(huán)境適應性等方面都取得了重要突破，為植入式脈搏波監(jiān)測技術積累了寶貴的基礎。這一植入式傳感系統(tǒng)不僅具有出色的性能，而且通過后端小型集成模塊，系統(tǒng)實現(xiàn)了生理信號的無線傳輸，為患者提供了便捷和高效的生理監(jiān)測方式，為醫(yī)生提供重要的生理數(shù)據(jù)。
該研究題為“Unconstrained piezoelectric vascular electronics for wireless monitoring of hemodynamics and cardiovascular health”發(fā)表在《Small》上。廣西大學/中國科學院北京納米能源所聯(lián)合培養(yǎng)碩士生湯楚玉及中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所“博新計劃”博士后劉志榮博士為文章的共同第一作者，李琳琳研究員為通訊作者。
論文鏈接： https://doi.org/10.1002/smll.202304752
京公網(wǎng)安備11010802046783號
