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光固化让治疗脑血管疾病更容易更安全
文章来源:未知 作者:镭虹科技 时间: 2021-07-24 21:34 浏览次数:
脑动脉瘤是一种神经外科常见的脑血管疾病,常被称为颅内不定时炸弹。它是一种典型的血管畸形,是由虚弱的血管壁肿胀形成的,外形像肿瘤的动脉瘤。 脑动脉瘤虽然并非真正的肿瘤,但

脑动脉瘤是一种神经外科常见的脑血管疾病,常被称为颅内“不定时炸弹”。它是一种典型的血管畸形,是由虚弱的血管壁肿胀形成的,外形像肿瘤的动脉瘤。

脑动脉瘤虽然并非真正的肿瘤,但是一旦破裂,则会导致危重病情,甚至死亡。动脉瘤破裂时的死亡率高于40%。介入栓塞术是对脑动脉瘤的治疗的主要手段。

介入栓塞术是将导管经股动脉进入动脉瘤内,使用弹簧圈材料主动填充动脉瘤,通过阻断血液供应来引起缺血性坏死,从而将其与血流分开,是治疗动脉瘤的安全有效程序。

然而,目前的栓塞术存在几个缺点。如,

由于填充金属线圈(如铂线圈)机械强度高而导致填充率低,使剩余体积被凝固血液占用。这种不均匀和不完整的填充可能导致血管再通、再出血和破裂。因此,线圈并不适合有血液凝固问题的患者。

液态栓塞材料(如Onyx)的填充率可高于僵硬的金属线圈,然而对材料控制的不熟练,会由于液体材料与血液接触时因Onyx的自我凝固特性,在过程中诱发严重并发症。

因此,有必要开发满足以下条件的新型液体栓塞材料和栓塞策略:

不会形成碎片

对整个动脉瘤的均匀和完全填充

使栓塞材料膨胀、收缩和分离的情况最小化

生物相容性

水凝胶被认为是可以满足这些条件的一种潜在的液体栓塞材料,因为它具有柔软的机械强度,可以在不损坏容器壁的情况下紧凑填充动脉瘤,而且不使用有毒的有机溶剂来进行凝固。

 

光固化让治疗脑血管疾病更容易更安全

 

和温度、pH值,以及化学反应的刺激凝固手段相比,光照射的手段可以更好的控制水凝胶的交联(聚合),防止过早凝胶或不凝胶而导致的并发症。

之前已经采用的光固化手段(即用光照射来进行凝胶)存在材料不相容,完全填充之后再固化不完全,固化用的近紫外波长具有很高的潜在生物毒性等问题。因此,还没有将光固化手段用于脑动脉瘤介入栓塞治疗取得圆满成功的报道。

近日,来自韩国浦项科技大学的金俊元(Joonwon Kim)教授等人成功将光固化水凝胶应用于脑动脉瘤的栓塞治疗。该成果发表于最近出版的,在国际材料领域科研界上享誉盛名的顶尖期刊Advanced Materials上。

 

光固化让治疗脑血管疾病更容易更安全

金俊元教授采用了具有优良生物相容性和强大稳定性的,含有钽纳米粉末的双交联藻基水凝胶材料(简称DAT)来作为填充材料。DAT是一种基于自然衍生物的生物材料,利用无害的可见光照射形成的共价键交联,以及血液中存在的Ca2+形成离子键交联,达到良好的协同效果。

同时设计制作了一种集成了光纤的微流体装置(OFI-MD),可在血管内的极端环境中,通过原位光交联反应,连续形成旋转的水凝胶微纤维,来作为一种优质的栓塞材料。

光固化水凝胶材料

这里所使用的光固化水凝胶材料是一种可光交联链接的藻酸盐,通过使用酪胺的EDC/NHS反应而得到。分子结构及相关谱图信息如下图所示。

可光交联藻酸盐的化学结构以及核磁共振谱(NMR)和傅里叶红外(FTIR)图谱

光固化让治疗脑血管疾病更容易更安全

 

含有钽纳米粉末的双交联藻基水凝胶材料的双固化机理

此处引发光交联反应的自由基的产生,并不需要额外添加有很高潜在生物毒性的光引发剂。在过硫酸盐(如SPS)存在时,452nm的可见光照射会激发RuII(bpy)32+,从而产生钌(III)和硫酸盐自由基。钌(III)可以产生酪氨酰自由基,与附近的酪氨酰残留物耦合,形成二酪氨酸键。

双交联藻基水凝胶材料(DAT)在452nm可见光照射下产生自由基,并发生光化学交联反应

光纤集成式微流体装置(OFI-MD)

该工作创新性地设计了一个光纤集成式微流体装置(OFI-MD)。这个装置可以在液态DAT水凝胶材料向动脉瘤中注入时,同时进行光交联固化,从而形成栓塞材料。所使用的光源为452nm的可见光,对人体完全无害。而且在整个使用过程中,体系的温度几乎没有变化,十分安全。

 

光固化让治疗脑血管疾病更容易更安全

 

用于连续填充可光交联水凝胶微纤维的OFI-MD设备结构和配置图

将DAT储存在使用柠檬酸磷酸脱硫剂腺苷抗凝血剂(CPDA-1)处理的37°C狗血中,以及动物模型体内,确认了DAT的稳定性。在小鼠皮肤下进行体内分离测试,确认对哺乳动物不会发生酶分离。同时采用了血管内模拟器确认了OFI-MD的临床适用性。

可光交联水凝胶的血管内模拟器应用试验

金俊元教授等人的研究提出了一种具有优良生物相容性和强大稳定性的,基于自然衍生物的双交联藻基水凝胶材料,利用无害可见光的照射形成共价键交联,以及血液中存在的Ca2+形成的离子键交联,达到了协同效应的交联效果。

同时开发了光纤集成式微流体装置,可以在极端血管内环境进行连续填充并交联成型。能达到90%的动脉瘤填充率,且仅需25秒左右,不会形成微小的碎片或堵塞微流体装置。

交联后的水凝胶材料可保持其形状,并达到15kPa的机械强度,在生理环境中超过14天都不会分离,同时验证了其细胞相容性和血红素相容性。

实验证明,这种使用光纤集成式微流体装置,采用双交联藻基水凝胶材料对脑动脉瘤进行栓塞治疗的一种很有前途的治疗手段。


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