UCLA陳俊、李松合作，連發2篇Nature大子刊！

血流動力學驅動的磁彈血管移植物用于狹窄診斷！

血管移植物廣泛用于心血管、腦血管重建及血液透析等手術，每年全球相關手術超過百萬例。然而，移植物植入后狹窄發生率居高不下，約40%的移植物在2年內通暢性下降，5年內失敗率可達40%。狹窄會導致終末器官缺血等危及生命的并發癥，因此對血管通暢性進行持續監測至關重要。目前臨床診斷的金標準——X射線血管造影、磁共振成像和多普勒超聲——雖然準確，但依賴大型影像設備和專業人員，只能間斷性檢查，難以實現早期、連續的監測，尤其在醫療資源有限的地區。這導致狹窄往往在動脈嚴重閉塞后才被發現，迫使患者再次手術并面臨生命危險。

鑒于此，加州大學洛杉磯分校陳俊教授、李松教授報道了一種血流動力學驅動的磁彈性血管移植物，它兼具生物相容性和防水性，能夠在植入后通過無線、實時、連續的方式診斷狹窄。該移植物通過將動脈血流動力學轉化為高保真電信號來實現診斷。MVG采用可規模化定制直徑的制造工藝，并已通過顯微外科吻合術在大鼠和豬的股動脈中進行了體內測試。吻合后的MVG成功恢復了血流，并通過人工智能輔助分析，準確識別了誘導狹窄的位置和嚴重程度。一項為期4個月的大鼠體內研究進一步證實了MVG在宿主體內的穩定性和生物相容性，未引發明顯的不良免疫反應。該技術有望推動現有血管移植物解決方案的發展，改善血管疾病的管理。相關研究成果以題為“Hemodynamics-driven magnetoelastic vascular grafts for stenosis diagnosis”發表在最新一期《nature biotechnology》上。

【MVG的結構與工作原理】

MVG（如圖1e所示）采用三層結構：中間層為血流動力可驅動的磁彈性微網（HAMM，如圖1f），由嵌入硅膠基質中的磁性顆粒構成，其兩側是聚碳酸酯聚氨酯納米纖維膜（如圖1g）。在心臟舒張期，HAMM保持穩定的磁通密度 B 0 （圖1h）。心臟收縮期，血流壓力使HAMM變形，磁通密度變為 B 0 +ΔB （圖1i）。舒張期壓力下降，磁通密度恢復至 B 0 （圖1j）。由于靜磁場可安全穿透組織，這些磁通變化能被外部柔性線圈無線檢測，并感應出高保真電信號，從而實現連續、準確的狹窄診斷（圖1k）。MVG具有柔韌性（圖1l）和可定制的尺寸（圖1m），可適應不同解剖位置。

圖 1. 一種由血流動力學驅動的磁彈性血管移植物

【可擴展性與定制化制造】

MVG采用靜電紡絲和激光切割技術制造，工藝可擴展且適用于工業化生產。HAMM采用六邊形分形網格結構設計（如圖2d所示），增強了拉伸性和磁機耦合效應。掃描電鏡和顯微CT顯示各層結構完整、結合緊密（圖2c），內壁光滑，不影響層流血流（圖2e中的黃色帶表示10-20 kPa應力范圍，HAMM可產生高達 10 % 的應變）。

【磁彈性與機械特性】

MVG的極限抗拉強度（5.98±1.2 MPa）和縫線保持強度（3.5±0.3 N）與臨床使用的ePTFE移植物相當（圖2f）。其順應性為每100 mmHg 6.73±0.2 % ，接近天然人動脈（每100 mmHg 5.9±0.5%），并顯著高于ePTFE移植物（每100 mmHg 1.33±0.1%）（圖2g）。含HAMM層與不含HAMM層區域的彈性模量和順應性基本一致，表明納米纖維膜主導了MVG的機械性能。

【體外血流動力學傳感性能與生物安全性評估】

在模擬脈動血流的體外實驗中，MVG產生的感應電流信號峰峰值（P1-P2）與流速（在8-18 mls-1范圍內， R 2 =0.97 ）及脈壓（ R 2 =0.99 ）強相關（圖2h, i）。通過分析信號還能準確計算心率（圖2j）。狹窄模擬實驗表明，MVG信號能靈敏反映流量的減少（圖2l），并能通過信號特征差異區分近端與遠端狹窄（圖2m）。MVG在經歷20000次脈動變形后傳感準確性未出現明顯下降（圖2n），并具備防水特性，傳感信號在PBS溶液中保持穩定。

內皮細胞能在MVG內壁附著生長（圖2o）。將人外周血單核細胞與MVG共培養7天后，通過流式細胞術分析顯示，MVG組在總細胞、單核細胞、粒細胞、T細胞、B細胞和自然殺傷細胞數量上，與對照組及ePTFE組均無統計學顯著差異（圖2p），表明其未引起可檢測的細胞毒性或免疫反應。在1 T磁場下進行30分鐘MRI掃描，HAMM層未出現明顯溫升或移動，證實其MRI安全性。

圖 2. 磁彈性血管移植物的優化與表征

【體內血流動力學傳感】

在大鼠模型中，通過端端吻合術將MVG植入股動脈（圖3b）。外部柔性線圈貼于皮膚（圖3c），可連續、跨皮無線記錄血流動力學信號（圖3d, e）。植入4周后，MVG響應時間與植入初期相比無顯著差異（圖3f）。多普勒超聲顯示吻合處為層流血流（圖3g），且MVG信號計算的心率與超聲結果高度一致（圖3h）。結合體外狹窄模擬數據，利用預訓練的卷積神經網絡對MVG信號進行分類，對近端狹窄、遠端狹窄及通暢狀態的識別平均準確率達 88.06 % （圖3i, j, k）。

圖 3. 大鼠模型中的體內血流動動力學感知

【大動物模型體內狹窄監測與診斷】

在豬股動脈模型中的實驗進一步驗證了MVG的臨床潛力（圖4a, b）。直徑4 mm的MVG成功吻合后，血流立即恢復（圖4d）。X射線血管造影確認了移植物通暢，無血流限制或血管損傷（圖4e-g）。免疫熒光分析顯示，吻合口附近動脈的內皮細胞和平滑肌細胞標記物分布正常（圖4h-j）。MVG產生的血流動力學信號（紅色曲線）與臨床監護儀記錄的動脈血壓波形高度吻合（圖4k）。通過誘導急性狹窄，MVG信號能靈敏反映血流變化，并能區分狹窄位置（近端狹窄信號減弱，圖4n；遠端狹窄影響較小，圖4o）以及不同嚴重程度的狹窄。AI模型對包括基線通暢、急/慢性狹窄在內的多種狀態分類準確率達 91.2 % （圖4r）。即使MVG與線圈間隔20 mm，信號信噪比仍可達26 dB（圖4s），展示了其強大的跨組織傳感能力。

圖 4. 豬模型中磁彈性血管移植物用于狹窄診斷的體內演示

【長期生物相容性】

為期120天的大鼠長期植入研究（圖5a）顯示，MVG被宿主組織包裹（圖5c），無假瘤形成或液體積聚。組織學（H&E和Masson染色，圖5d, e）和免疫熒光分析（圖5f-h）表明，與對照組相比，MVG周圍組織無顯著損傷或炎癥跡象。流式細胞術全面免疫分析顯示，實驗組與對照組在血液、周圍組織及脾臟樣本中的T細胞表型（圖5i, k-m）、巨噬細胞極化（圖5j, n-p）均無顯著差異。PET-CT掃描顯示MVG植入部位局部炎癥有限（圖5q-t）。元素分析表明，MVG中的硅材料未發生可檢測的泄漏（圖5u）。血液學分析各項指標均在正常參考范圍內（圖5v），證實了動物整體健康及裝置的血流安全性。

圖 5. 長期生物相容性研究

【總結】

本研究表明，MVG能夠實現無線、實時、連續的狹窄診斷。其血流動力學驅動的工作機制，基于軟材料中的巨磁彈性效應，降低了對體外能源的依賴。長期體內研究證實了其優異的生物相容性和生物穩定性。未來工作可聚焦于改進MVG設計以減少MRI成像偽影、優化信號在骨骼（如胸腔、顱骨）附近的傳輸效率，以及開發集成低成本板載存儲和低資源AI芯片的分析系統，以提升在資源有限地區的可及性。MVG技術不僅有望革新血管移植物術后監測模式，實現居家連續監護，未來還可能拓展應用于尿道成形術、生物或人工器官移植后的并發癥監測等領域。