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南京大學張曄課題組 Adv. Funct. Mater.:醫用導管水凝膠涂層實現組織溫度實時傳感
2023-11-27  來源:高分子科技

  醫用外科導管在醫學領域被廣泛使用,不僅可直接輸送藥物至特定組織,也可引流手術部位積液以防炎癥物質累積。但是,感染常發于導管與組織交界處。例如顱腦、腹腔和尿道植入引流導管引發感染的概率分別為43.5%、51.8%和80%以上。此外,未能及早監測出植入引流管引發的感染易導致機體出現不可逆的組織損傷及認知行為異常,尤其腦室引流引發的感染可能增加患者的死亡率。植入部位感染初期顯著特征是原位溫度升高,而臨床診斷常使用體溫或核心溫度,具有滯后性及2~4 ℃的誤差。因此,在植入導管部位進行原位溫度監測對于及診斷和干預感染發生至關重要。


  臨床上通常采用植入附加設備來采集植入導管后原位溫度變化。然而,當通過手術移除該附加設備時易造成植入部位的二次損傷,同時植入附加設備增加患者的就醫成本。近來研究將溫度傳感器陣列耦合在導管表面進行溫度監測,但該溫度傳感器與軟組織的機械性能不匹配,易導致植入部位出現組織損傷。


  近日,南京大學張曄課題組開發設計了一種實時溫度感應的水凝膠涂層應用在醫用外科導管的外表面上來對包括顱腦、腹腔和尿道在內的各植入部位進行感染監測。該水凝膠涂層實現了2.90% ℃?1的電阻溫度系數,在可植入溫度感應設備中處于領先地位,且傳感性能在各種重復變形和整個植入周期內保持穩定。此外,水凝膠涂層在機械性能上與人體組織匹配,改善了導管與組織的接觸界面。在腦部感染模型中,傳感器第一時間監測到異常的局部溫度信號,并提供前期預警應對危險情況,極大地改善了個體存活率和發育狀況。成果近期以“A Temperature-Sensing Hydrogel Coating on The Medical Catheter”為題發表在Advanced Functional MaterialsDOI10.1002/adfm.202310260 


圖1 溫度傳感水凝膠涂層示意圖


  溫度傳感涂層由聚丙烯酰胺/聚丙烯酸/殼聚糖三網絡水凝膠組成。水凝膠中的載流子在交變電場作用下形成穩定的離子流,利用離子傳輸的熱激活原理實現溫度響應,即溫度升高后更快的離子傳輸速率表現為水凝膠更低的電阻,進而實時反映導管植入部位的溫度變化,并在感染時發出警告(圖1 


2 溫度傳感水凝膠涂層的形貌表征


  溫度傳感水凝膠可以均勻涂覆在各種醫用導管的表面,包括導尿管、鼻胃管、腦室引流管等,涂層與導管緊密接觸,界面處沒有明顯的縫隙。作為電極的碳納米管纖維附著在導管兩側,起到信號傳輸的作用。水凝膠涂層的整體厚度為100 μm,不影響導管的正常使用(圖2 


水凝膠涂層的溫度傳感性能


  溫度傳感水凝膠能夠實現從34 °C42 °C的連續監測,涵蓋了人體溫度變化的范圍,且在多次監測循環內具有優異的重復性其溫度電阻響應系數實現高達2.90% °C?1 (R2 = 0.998)的同時,測量精度可以達到0.1 °C在各種模擬體內液體環境中也能達到相應的水平,這樣高水平的溫度電阻響應系數,與商業傳感器和文獻報道的植入式溫度傳感器相比具有明顯優勢導管在分別經受插拔循環、90°扭轉、90°彎曲10%擠壓變形10000個循環后,傳感性能依然保持穩定(圖3這種高靈敏度、高準確性和高穩定性確保了水凝膠涂層在動態生理條件下對感染部位的溫度變化準確監測并給出預警 


導管-組織界面炎癥分析


  研究人員進一步評估了水凝膠涂層的生物相容性和界面匹配性(圖4)。對比對照組、普通導管組和水凝膠涂覆導管組植入顱腦2天和7天的界面組織病理結果,經過蘇木精和伊紅(H&E染色分析以及評估活化的小膠質細胞標志物(IBA-1CD68)及星形膠質細胞標志物(GFAP)的表達水平發現水凝膠溫度感應涂層的引入降低了普通導管引發的局部炎癥,與空白對照組沒有明顯差異 


溫度傳感水凝膠涂層在顱腦感染監測中的應用


  在大鼠顱腦感染模型中,局部腦溫在30分鐘內從35.08 ℃上升至36.57 ℃,在水凝膠涂層溫度傳感的實時監測下,顱腦感染的大鼠及早受到干預治療40分鐘后大鼠顱腦溫度恢復正常。由于大腦原位溫度監測的及時性和準確性,大鼠的存活率提高到90%。未有水凝膠溫度傳感器的早期預警及干預治療,顱腦感染的大鼠存活率僅為60%,且腦的神經元凋亡明顯增加通過曠場實驗發現其認知行為出現異常(圖5。這些結果表明,與傳統的體表溫度監測相比,水凝膠涂層原位溫度感應對植入導管引發的感染具有及早發現和干預的重要意義。


  該工作通過設計開發了一種用于醫療導管的溫度傳感水凝膠涂層,實現了對大腦、腹腔和尿道等各植入部位溫度的原位實時監測,對于醫療導管引發感染的早期預警具有重要價值。未來可在涂層中擴展集成多種生物信號的監測,將對個性化預防、診斷和智能醫療導管的應用具有重要意義。


  南京大學現代工程與應用科學學院直博生李亦冉和南京中醫藥大學李丹為論文共同第一作者,南京大學現代工程與應用科學學院張曄副教授為論文通訊作者,南京大學是該論文的第一單位。研究工作受到國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金、江蘇省 “雙創團隊項目等基金的支持。相關研究以“A Temperature-Sensing Hydrogel Coating on The Medical Catheter”為題發表在Advanced Functional Material上。


  論文鏈接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202310260

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