南方科技大学郭传飞教授课题组《Nature Biomedical Engineering》：新型离电型压力导丝技术

冠状动脉疾病是全球主要致死性疾病之一，每年大约有上千万人因此死亡。其特征在于斑块沉积，会导致冠脉血管狭窄，从而严重影响心肌供血，最终可能引发致命的心脏病发作。在诊断方面，除了广泛使用的X射线，血流储备分数（Fractional flow reserve，简称FFR）的检测已经成为评估冠状动脉疾病的重要微创技术。FFR能对冠状动脉的生理功能进行定性评估，弥补了传统血管造影仅提供解剖学可视化的不足。

目前，用于FFR测试的压力导丝通常包含置于远端的电学（压阻或压电）或光学传感器，通过导丝内部嵌入的导电线或光学纤维传输压力信号。然而，多条电线会降低导丝的硬度，导致从近端到远端的扭矩传递减小，从而影响导丝在狭窄和弯曲冠脉中的操控性。同理，由于光学压力导丝固有的脆性限制了导丝的弯曲性，导致了扭结的风险增大。这些限制需重复的推进和撤回操作，导丝尖端和血管之间过大且反复的接触力会导致脆弱的动脉血管剥离或穿孔等并发症。在这方面，尖端接触力的实时检测对于安全导航至关重要，但现有的商业导丝依然无法实现这一功能。此外，商业压力导丝复杂的制备过程也提升了其成本。因此，能够准确检测尖端接触力并能在冠脉狭窄处立即可靠检测FFR的低成本、高操控性的压力导丝成为亟待研发的重要课题。

针对上述挑战，南科大郭传飞教授联合中科大王柳教授开发了一种新型离电型压力导丝（Iontronic tip-sensing guidewire，简称ITG）。该尖端传感导丝基于廉价且技术成熟的工作导丝制备，利用生物本身的离子传导特性，将生物体作为信号的传输通道（如图1），省去了传统导丝中多条信号传输导线，从本质上将导丝的操控性能提升至理想水平。同时，器件以离子凝胶作为传感层，金属头和工作导丝作为两电极，并运用摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术（nanoArch®S130，精度：2μm）制作树脂管来固定和封装三者，从而使ITG获得了高灵敏度、高响应速度和尖端反馈功能。

图1. 离电型尖端传感导丝（ITG）的设计、制备和工作原理。

根据导丝的实际尺寸，对离电型尖端压力导丝ITG的操控性进行模拟，并将其与商业工作导丝和商业压力导丝对比，如图2，理论证明离电型尖端压力导丝的操控性与商业工作导丝接近，均达到了1:1的扭转比，而商业压力导丝由于内部多条信号传输线的设计，其扭转比只有0.4，这证明ITG的操控性的优越性。随后，团队通过扭转测试机对ITG的操控性进行实时检测，并将其与商业工作导丝和商业压力导丝对比，结果离电型尖端压力导丝和商业工作的导丝的扭转比均接近1:1，而商业压力导丝的扭转比只有约0.4，这与模拟结果一致，再次证明了离电型尖端压力导丝的超高优越性。

图2. ITG、工作导丝与商业压力导丝之间的操控性的比较。

离电型尖端压力导丝的电容信号在模拟水环境中对压力的响应进行测试，如图3。ITG的电容变化-压强变化曲线呈线性，灵敏度为0.4 pF mmHg-1，且重复试验中数据几乎完全重合，说明器件的重复性好。ITG对压力的相应时间仅为0.54 ms。在10000次相同的压力循环过程中，ITG的最大电容信号几乎无任何变化，且循环曲线轨迹几乎相同，说明ITG的性能稳定性强，可保证在介入手术过程中的可靠性。ITG可以精确检测到不同形状和频率的脉搏信号。在活体猪冠脉内，ITG可检测到猪冠脉内的血流，在长时间的检测中信号稳定，且可灵敏捕捉到血流微小的信号波动，说明压力导丝的高灵敏度和快速响应。

图3.ITG在体外和活体猪模型血管中的的传感性。

ITG的接触力反馈能力的验证在体外模拟系统和活体兔子体内进行，如图4。在未接触血管壁时，压力导丝可输出正常的脉动信号。而其头端一旦接触血管壁时，信号将会显著增加，明显不同于正常的血流信号，这将能警示操作者血管壁剥离或穿刺的风险，提示操作者及时做出调整，从而保证手术的安全性。

图4. ITG与体外和活体兔子模型中血管接触时的接触力检测。

在活体猪的狭窄血管内，对ITG对FFR值的检测能力进行验证，如图5。ITG可检测到猪动脉在逐渐变狭窄的过程中信号的精确变化，并且与商业导丝的数据几乎吻合，两者所检测到的FFR数值也接近，说明ITG具有精确检测FFR数值的能力。对于下降的血压，ITG比传统商业压力导丝的实时响应更加迅速和灵敏。

图5. ITG在活体猪模型中的FFR检测。

ITG具有优良的生物相容性，如图6。ITG在细胞荧光、细胞增殖能力、凝血、急毒、溶血、皮下、过敏实验中均表现优异的生物相容性。

图6. ITG的生物相容性测试。

综上所述，ITG具有比商业压力导丝更优越的操控性、响应速度、灵敏度、额外的接触力反馈功能和低成本的优势。ITG利用人体离子环境作为天然的离电信号传输通道，保证了在复杂血管内导航过程中的高扭转比和操控性。ITG具有目前传统压力导丝所缺乏的接触力反馈功能，大大减小了血管损伤的风险。ITG简单且无导线的设计不仅保证了最好的机械性能而且减少了制备成本，有希望增加先进的FFR评估技术在资源缺乏环境下的普及。除了直接的临床效益，ITG的创新设计与验证为未来介入医疗设备的发展提供了依据，有利于进一步促进安全、效率和病人预后的提升。

以上工作近期以“Iontronic tip-sensing guidewires”为题，发表于国际知名期刊《Nature Biomedical Engineering》上。南方科技大学关方怡博士后（现中国科学院深圳先进技术研究院助理研究员）与西安电子科技大学白宁宁副教授（原南方科技大学联合培养博士）为共同第一作者。本研究获得多项国家自然科学基金的资助。

https://doi.org/10.1038/s41551-025-01548-9

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