天津大学刘文广教授团队：高强高刚度的形状记忆水凝胶弹簧圈成功实现对肾动脉的栓塞
动脉瘤是一种动脉壁膨出的病症，膨出后的血管壁变薄，极易破损，随时危及生命。经导管动脉栓塞术（TAE）由于其微创性，已被广泛用于治疗动脉瘤。商用的金属弹簧圈在治疗大口径动脉瘤时，由于其刚度过高，在腔内不能紧密堆叠，存在复通风险。形状记忆高分子水凝胶作为一种具有记忆功能的智能软湿材料，因其类软组织性质，作为可植入的微创支架和生物传感器等具有潜在的应用前景。但是，绝大多数温敏形状记忆水凝胶过于柔软，模量远低于兆帕级别，在经导管递送过程中，极易变形堵塞导管，使手术失败。此外，大多数记忆凝胶的响应温度高于体温，难以固定高回弹力小螺旋半径的弹簧圈。并且，目前所研究的高强度水凝胶无X光成像功能，无法进行术中和术后的实时跟踪检查，这些问题极大地限制了高强凝胶真正的医学应用。
近期，天津大学材料学院刘文广教授研究团队创建了一种具有X光成像功能的高模量高强度体温刺激的形状记忆水凝胶，并与天津市一中心医院的冯学泉主任医师团队合作开发了一种新颖的形状记忆微弹簧圈，首次实现了高强度水凝胶对于动脉血管的栓塞。这种凝胶网络含有聚丙烯腈的偶极-偶极相互作用/聚丙烯酰胺的氢键物理作用及长链聚乙二醇二甲基丙烯酸酯的化学交联。广角X射线衍射、小角X射线散射结果提示，偶极对形成的结晶疏水微区对于提高凝胶的水环境稳定性和模量至关重要。动态力学分析表明，在室温下，由于强物理交联，凝胶杨氏模量高达 16 MPa，当温度升至体温，由于偶极/氢键作用的解离，凝胶模量降至 270 kPa。通过改变温度，可以实现体温驱动的形状记忆，凝胶的形状恢复速度快至4 s。鉴于以往共聚含碘显影单体对于形状记忆效应的破坏，该团队通过简单的硫酸钡沉积方法赋予凝胶X光成像功能，实验结果显示，硫酸钡的吸附对形状记忆效应和力学性能几乎没有影响。
图1 （A）水凝胶可通过手指温度实现软化。（B）显影水凝胶线圈的制备示意图。（C）无约束的水凝胶弹簧圈的形状记忆过程。（D）水凝胶微弹簧圈经导管递送到37 ℃水中的玻璃管内的形状记忆过程。
为了探索体内栓塞效果，该团队通过相反转方法成功将具有成像功能的凝胶预制成微弹簧圈，升温拉直，低温固定成直条状，在低温生理盐水保护下通过介入导管递送至猪肾动脉中，接触“热血”后，凝胶直条迅速转变成为弹簧圈，连续递送几个弹簧圈，成功实现肾动脉的栓塞，实验结果显示，凝胶可在体内良好显影并可观察到形状记忆过程，12周后的复查结果显示，水凝胶弹簧圈稳定存在于血管内并保持良好的栓塞功能，并未出现复通现象。解剖和染色结果显示，栓塞部位的肾脏已经缺血坏死，而对侧正常肾脏功能良好。这种具有自显影功能的形状记忆弹簧圈有望用于动脉瘤的栓塞。
（A）TAE过程的示意图。刚性的水凝胶直条在冷盐水的保护下经导管被递送至目标肾动脉中，接触“热血”后，凝胶直条迅速转变为弹簧形状并缠结在一起，阻断动脉血液供给。（B）可显影水凝胶弹簧圈体内形状记忆过程的X射线影像图（黄色圆点为弹簧圈轮廓）（C）术后间隔不同时间（4周，8周，12周）的复查血管造影图像，红色圆圈表示水凝胶弹簧圈的位置。（D）术后间隔不同时间（4周，8周，12周）对猪进行解剖得到的肾脏图片。比例尺= 2厘米。
该成果近日发表在Adv Funct Mater 2018 DOI: 10.1002/adfm.201705962。论文第一作者为博士生张银宇，该工作得到了国家杰出青年基金（51325305）和面上基金(21274105)的资助。
论文链接：
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201705962/full
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