突破局限！南方科大蒋兴宇联合北京协和医学院张岩发明新型仿生电子血管，可植入医疗器件新希望！

小奇

2020-10-14

心血管疾病仍然是全球死亡率的头号原因，世界每年死于心脑血管疾病的人数高达1500万人。当心脏血管发生狭窄时，血液供应不足，患者往往会出现心绞痛，如不及时处理，则会严重危及生命。临床上针对心脏血管狭窄，通常采取冠状动脉旁路移植术，也称冠状动脉搭桥术，这是治疗冠心病心肌缺血十分有效的手段之一。

近年来，科学家们想要通过组织工程方式来提供血管，以开发出开发了一系列方法来制备组织工程血管（tissue engineered blood vessel, TEBV），例如脱细胞基质，自组装细胞片以及生物活性和仿生材料。然而，这些方法大多仅作为支架提供机械支持，主要依赖于宿主组织的重塑过程，在帮助新生血管再生方面存在明显的局限性。迄今为止，它们均未取得令人满意的临床结果。

除此之外，目前还没有一种小直径（<6mm）的组织工程血管（tissue engineered blood vessel, TEBV）能够满足临床需要。为了解决这些问题，下一代TEBV不仅应充当支架以提供机械支持并促进宿主细胞募集，而且还应具有主动响应并与天然重塑过程相结合的能力，以便在植入后提供适应性治疗。

先前有研究表明，将活体组织与柔性电子设备相结合，可以使常规TEBV具有更多的功能和能力，以克服现有的生物医学问题，例如通过原位感测血流量和温度以及通过治疗性药物或基因递送进行治疗，从而进行精确诊断。

成果简介：

基于先前的工作，南方科技大学蒋兴宇、中国医学科学院北京协和医学院张岩等人开发了一种电子血管，该血管通过将液态金属与聚（L-丙交酯-共-ε-己内酯）（PLC）结合到金属聚合物导体（MPC）中，从而将柔性电极集成到可生物降解的支架中。成果以题为“Electronic Blood Vessel”发表在Matter期刊上。

在电子血管中选择液态金属镓铟合金（EGAIn）作为导电材料的原因如下：

（1）与金或铂相比，Ga-In液态金属在保持良好电导率的同时具有出色的柔韧性和可拉伸性，这对于人造血管的适应至关重要有节奏的跳动引起的变形；

（2）根据实验结果，它具有极好的细胞相容性和血液相容性；

（3）与其他先进的微细加工技术相比，使用丝网印刷技术更为简单，并且可以以经济高效的方式实现工业规模的批量生产。

图|电子血管的制备与表征

进行电刺激和电穿孔递送基因

作为概念的证明，研究人员使用电子血管进行体外电刺激和电穿孔。通过电刺激，电子血管可以有效地促进伤口愈合模型中的细胞增殖和迁移。它还可以通过电穿孔将绿色荧光蛋白（GFP）DNA质粒原位递送到三种血管细胞中。

图|体外电刺激

图|体外电穿孔

通畅3个月！

接下来，研究人员在兔子中测试了该电子血管，用电子血管代替了颈动脉。在3个月的体内研究过程中，研究人员使用多普勒超声成像对植入物进行了监测，发现该装置在整个过程中都允许足够的血液流动。使用X射线和染料观察动脉内部的影像学测试表明，人造动脉的功能与天然动脉一样，没有缩小的迹象。当研究人员在三个月的周期结束时移出植入物并分析了兔子的内脏时，该装置没有产生炎症反应的迹象。

值得一提的是，目前大多数TEBV在植入后2周就会被阻塞，而该电子血管通畅时间至少为12周，这对于临床应用具有广阔的前景。

图|电子血管的原位监测

下面用动图展示下：

动脉造影植入后3个月

小结：

综上所述，通过将液态金属基导电电路与可生物降解的聚合物集成在一起，我们开发了一种具有出色的生物相容性，柔韧性，导电性，机械强度和可降解性的电子血管。作为血管替代物，电子血管通过赋予常规可生物降解TEBV的电功能突破了现有血管支架的局限性，为解决威胁小直径血管的问题提供了新的平台。通过与其他电子设备集成，电子血管可以提供各种治疗，例如电刺激，电穿孔，电控药物释放等。当与新兴技术（例如人工智能）结合使用时，它可以通过桥接血管组织-机器界面并授权收集和存储健康数据（例如血流速度，血压和血糖水平）来极大地促进未来的个性化医学。将来，优化其功能并创建多功能电子血管可以极大地有益于人类心血管健康。

参考文献：

Shiyu Cheng, et al., Electronic Blood Vessel. Matter 2020.

https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.08.029

个人简介：

蒋兴宇，南方科技大学讲席教授，1999年获得美国芝加哥大学化学学士，2004年于美国哈佛大学化学系取得博士学位，师从美国两院院士George Whitesides教授。2005年-2018年任国家纳米科学中心研究员、博士生导师。2018年加入南方科技大学，担任生物医学工程系讲席教授、系主任。先后获得国家杰出青年科学基金、国家重点研发项目首席科学家、“万人计划”科技创新领军人才、英国皇家化学会会士、中青年科技创新领军人才、“万人计划”青年拔尖人才、国务院特殊津贴专家、中科院“百人计划”等荣誉称号、腾讯首届“科学探索奖”获得者、美国医学与生物工程会会士。在国际重要学术期刊发表SCI论文310余篇，总引用超过20,000余次，H因子71。申请发明专利180余项，授权发明专利90项，转化14项并获得CFDA批件4项。现任Nanoscale Horizons, Nanoscale, Nanoscale Advances顾问委员会成员, Advanced Healthcare Materials, Analytical Chemistry等期刊编委。