Nature | 深圳先進(jìn)院研發(fā)可個(gè)性化適配的新型磁流體機(jī)器人 為左心耳封堵帶來全新方案
心臟左心耳血栓是房顫患者常見的并發(fā)癥,一旦血栓發(fā)生會(huì)導(dǎo)致患者中風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)加劇。當(dāng)前,針對(duì)左心耳血栓常用的方式是口服抗凝藥,或?qū)嵤┳笮亩舛滦g(shù),但傳統(tǒng)的金屬封堵器常常面臨封堵不全、血栓形成等難題。
針對(duì)這一臨床難題,北京時(shí)間3月5日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院集成所徐天添團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院阜外醫(yī)院潘湘斌團(tuán)隊(duì),在《自然》發(fā)表最新研究。合作團(tuán)隊(duì)首次研發(fā)出了一種可個(gè)性化適配所有左心耳類型的磁流體機(jī)器人(Magnetofluids),并提出了一種基于液體的心臟左心耳封堵的技術(shù)體系。
該研究首次解決了心臟左心耳血栓治療中面臨的“封堵周圍漏、器械相關(guān)性血栓、心肌損傷、內(nèi)皮化不完全”等核心痛點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了在豬模型上超過10個(gè)月的穩(wěn)定封堵,顛覆了目前臨床上使用的基于金屬封堵器的封堵手段,標(biāo)志著左心耳封堵技術(shù)從“固體適配”邁向“流體完全封堵”的全新階段。
該研究中,深圳先進(jìn)院研究員徐天添、吳新宇,阜外醫(yī)院主任醫(yī)師潘湘斌、王首正為論文共同通訊作者;浙醫(yī)二院經(jīng)血管植入器械研究院特聘研究員王姝(原徐天添團(tuán)隊(duì)博士后),阜外醫(yī)院助理研究員鞠文浩、博士后莊東林,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生陳哲誠(原徐天添團(tuán)隊(duì)碩士),深圳灣實(shí)驗(yàn)室研究員趙東良為論文共同第一作者。深圳先進(jìn)院為該研究第一單位。
破解左心耳血栓臨床難題
心臟左心耳是左心房向外延伸的狹長管狀結(jié)構(gòu),具有調(diào)節(jié)左心房壓力、儲(chǔ)存血液、參與凝血、維持心臟功能等作用,其內(nèi)壁凹凸不平的結(jié)構(gòu)易導(dǎo)致血流堵塞,是房顫患者血栓形成的主要原因。
而對(duì)于無法使用口服抗凝藥的房顫患者來說,左心耳封堵術(shù)是降低其中風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵治療手段。
現(xiàn)有的封堵技術(shù)長期面臨兩大核心挑戰(zhàn):一方面,現(xiàn)有的金屬封堵器質(zhì)地堅(jiān)硬,需刺破心肌壁才能固定,易導(dǎo)致封堵器周圍漏、器械相關(guān)性血栓和心肌損傷,硅膠等軟封堵器需要過度擴(kuò)張才能封堵,易破壞心臟內(nèi)血流動(dòng)力學(xué);另一方面,左心耳內(nèi)部布滿小梁間隙,不同患者的左心耳形態(tài)千差萬別,固體封堵器難以完全適配,未封堵的死角仍可能形成血栓,導(dǎo)致患者中風(fēng)。
一直以來,徐天添團(tuán)隊(duì)深耕磁控微型機(jī)器人技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)作為先進(jìn)制造的前沿技術(shù),憑借無線操控、微創(chuàng)介入、精準(zhǔn)靶向等優(yōu)勢(shì),成為解決微創(chuàng)介入診療臨床痛點(diǎn)的重要方向。團(tuán)隊(duì)常年與多個(gè)臨床團(tuán)隊(duì)積極開展合作,致力于通過磁控技術(shù)實(shí)現(xiàn)臨床難題的突破。
2023年11月的一天,徐天添團(tuán)隊(duì)正在圍繞原位固化的磁流體機(jī)器人展開實(shí)驗(yàn),恰逢潘湘斌團(tuán)隊(duì)來訪交流。徐天添團(tuán)隊(duì)在交流中了解到了左心耳封堵的臨床難題。
“普通流體材料難以對(duì)抗血流沖刷和心跳擠壓,難以實(shí)現(xiàn)安全封堵,如果利用磁流體這類新型材料,巧妙地利用外磁場(chǎng)作用以及本身的自適應(yīng)塑形能力,或許能克服解決左心耳封堵的臨床難題?!毙焯焯碚f道。
潘湘斌團(tuán)隊(duì)研發(fā)的超聲引導(dǎo)介入技術(shù)體系可以實(shí)時(shí)顯示心臟內(nèi)部結(jié)構(gòu),為植入磁流體,提供了關(guān)鍵引導(dǎo)路徑。雙方一拍即合,迅速開展實(shí)驗(yàn)研究。
團(tuán)隊(duì)在離體豬上完成初步驗(yàn)證后,對(duì)初版磁流體的磁性、流動(dòng)性、固定性等方面進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化,最終研發(fā)出了一款新型磁流體機(jī)器人。該機(jī)器人可以經(jīng)心臟介入導(dǎo)管進(jìn)入左心耳中,在磁力牽引下,能成功對(duì)抗高速血流和劇烈心跳帶來的干擾。與血液接觸后,它能快速原位固化,繼而形成完全貼合左心耳形狀的磁凝膠,對(duì)出血部位完全封堵。
效果超越臨床最廣泛使用的金屬封堵器
“從研究設(shè)想到實(shí)驗(yàn)落地,再到論文投稿、返修、上線,整個(gè)過程持續(xù)了兩年多的時(shí)間。”論文共同第一作者王姝回憶。
在研發(fā)過程中,團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)磁流體機(jī)器人在臨床上實(shí)現(xiàn)左心耳封堵還存在諸多挑戰(zhàn)。為此,他們以釹鐵硼顆粒為磁響應(yīng)材料,乙烯-乙烯醇共聚物的二甲基亞砜溶液為基載液,通過仿真、體外實(shí)驗(yàn)確認(rèn)合適的磁鐵及覆蓋位置,并創(chuàng)新地通過聚乙烯醇粉末調(diào)控磁流體,以促進(jìn)心內(nèi)膜的生長。團(tuán)隊(duì)通過聚焦臨床實(shí)際需求,構(gòu)建起了完善的磁流體左心耳封堵技術(shù)體系,填補(bǔ)了該領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)空白。
此外,由于大鼠無法實(shí)施介入手術(shù),需開胸后直接注射封堵,對(duì)科研人員的操作精度要求極高;在豬模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中,豬與犬體型、生理結(jié)構(gòu)迥異,需格外注意磁場(chǎng)擺放位置、磁流體固化時(shí)間,每次實(shí)驗(yàn)都要進(jìn)行充分的術(shù)前評(píng)估、反復(fù)預(yù)演。兩年多的時(shí)間里,研究團(tuán)隊(duì)常常在深圳、北京兩地多次往返,徹夜討論、通宵實(shí)驗(yàn)成為了研究工作的常態(tài)。
驗(yàn)證效果顯示,這一新型磁流體機(jī)器人對(duì)左心耳的封堵效果優(yōu)于作為臨床最廣泛使用的傳統(tǒng)金屬封堵器。
研究人員在8頭巴拿馬豬、30只SD大鼠,以及比格犬的跨物種驗(yàn)證中發(fā)現(xiàn),該材料在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物介入手術(shù)中無明顯出血和心率異常。3D重建顯示,新型磁流體機(jī)器人能夠徹底封堵左心耳血栓,適用于各種復(fù)雜形態(tài)的左心耳。磁流體機(jī)器人在豬模型上植入2至10個(gè)月后,固化后的磁凝膠表面可形成光滑完整的心內(nèi)膜,解剖學(xué)顯示,無器械相關(guān)性血栓形成和心肌損傷,為團(tuán)隊(duì)提出的磁流體封堵術(shù)的有效性和安全性提供了有力支撐。
審稿人對(duì)該成果評(píng)價(jià)道,該研究將為左心耳封堵術(shù)確立全新策略基礎(chǔ),有望解決現(xiàn)有器械面臨的諸多問題。
左心耳封堵邁向“液體封堵”階段
中國心房顫動(dòng)管理指南(2025)指出,全球房顫患者人數(shù)約為5970萬例。其中相當(dāng)比例的患者因左心耳形態(tài)復(fù)雜、高齡、出血風(fēng)險(xiǎn)高等因素,無法耐受傳統(tǒng)金屬封堵器的植入?,F(xiàn)有的金屬封堵器即使有不同的型號(hào),也難以完全適配臨床上復(fù)雜形態(tài)的左心耳。研究團(tuán)隊(duì)提出的新型磁流體封堵術(shù)有望為臨床上左心耳封堵術(shù)的實(shí)施策略帶來新思路。
徐天添表示,該研究開創(chuàng)了左心耳血栓“液體封堵”的介入治療新模式,為復(fù)雜腔隙的完全封堵提供了新范式,是一次工程科學(xué)與醫(yī)學(xué)交叉結(jié)合的成功案例。
潘湘斌表示,該研究解決了傳統(tǒng)封堵技術(shù)的核心痛點(diǎn),為房顫患者,尤其是左心耳形態(tài)復(fù)雜、無法耐受傳統(tǒng)封堵器的患者提供了更安全、長效的卒中預(yù)防方案,可減少二次手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和醫(yī)療成本。
未來,研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步圍繞左心耳封堵后磁凝膠表面內(nèi)皮的生成機(jī)制,以及更長期的安全性方面展開探索,并推動(dòng)該新型磁流體向臨床應(yīng)用進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

圖1.磁流體左心耳封堵術(shù)示意及封堵效果展示。深圳先進(jìn)院供圖

圖2.磁流體左心耳封堵體外實(shí)驗(yàn)過程(動(dòng)圖請(qǐng)看附件)。深圳先進(jìn)院供圖

圖3. DSA(數(shù)字減影血管造影)拍攝的巴馬豬體內(nèi)磁流體左心耳封堵實(shí)驗(yàn)過程(動(dòng)圖請(qǐng)看附件)。深圳先進(jìn)院供圖

磁流體磁響應(yīng)效果測(cè)試中。阜外醫(yī)院供圖
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