北京理工大学AM：仿生磁性纤毛平台问世：无线监测与精准干预血管狭窄的新策略

在心血管疾病的诊疗领域，如何实现对深部血管病变的早期预警与精准干预，一直是亟待突破的难题。当前，大多数监测技术局限于体表信号，而对于引发血管狭窄等深层病理生理变化的监测，往往要等到疾病进入晚期才能发现。传统的诊断方法，如血管造影和血管内超声，不仅具有侵入性，且通常仅在临床指征明显时才进行，易错失最佳干预时机。与此同时，作为临床标准的药物洗脱支架，其固定的药物释放模式无法针对患者个体化的再狭窄风险进行调整，可能导致不必要的药物暴露。因此，开发一种能够实现早期、持续监测并按需进行局部治疗的智能系统，对于改善患者预后具有重要意义。

针对这一挑战，北京理工大学郭玉冰特别研究员、武广昊预聘助理教授、周天丰教授合作团队，受自然界中生物纤毛的启发，成功研发出一种名为“磁性人工纤毛”（MAC）的创新平台。该平台将无线血流动力学监测与靶向药物递送功能合二为一，为血管狭窄等流体相关疾病的早期干预提供了全新解决方案。该系统整合了由柔性复合材料和活性氧响应纳米囊泡构成的智能单元，能够在无需植入电子元件的情况下，通过外部传感器实时感知病理性血流变化，并在炎症微环境下自动触发局部药物治疗，实现了诊断与治疗的一体化。相关论文以“Nature-Inspired Magnetic Cilia for Detection and Early Intervention of Vascular Stenosis”为题，发表在Advanced Materials上。

为构建这一系统，研究团队首先对磁性人工纤毛的材料和结构进行了精心设计与优化。他们采用具有超低弹性模量的Ecoflex作为基底，并掺入高剩磁的钕铁硼微粒，通过双离心混合技术确保磁性颗粒均匀分布。为了平衡磁性能与加工性能，团队确定了50%的钕铁硼质量浓度，使材料兼具45 emu/g的剩磁和102 kPa的杨氏模量。随后，通过两步模塑法制备出高长径比的纤毛阵列，每个纤毛直径200微米、长度1.5毫米，间距0.6毫米。有限元仿真分析显示，这种排列紧密的纤毛阵列在外部空间产生更强的磁场，且当纤毛发生弯曲形变时，其上方空间的磁场分布会发生明显位移，尤其是在弯曲方向上信号衰减更为显著，这为通过外部磁场信号变化来感知血流状态奠定了理论基础。

图 1 | 磁性人工纤毛平台用于无线血流动力学传感和靶向药物递送的原理示意图。

图 2 | MAC阵列的设计、制备与优化。

为验证MAC的流体传感能力，研究团队进行了体外动态流动实验。结果显示，在模拟心血管搏动流的蠕动泵驱动下，纤毛阵列能够随着流体同步振荡。随着泵速增加，血流速度和脉动频率同步提高，外部高斯计监测到的磁场信号振幅和频率也发生相应变化，其频率与输入脉动频率完美匹配。进一步研究发现，当流速在一定范围内递增时，磁场信号振幅呈近线性增长，表明MAC系统能够实现实时、同步的流场感知。在模拟不同狭窄程度的血管模型中，MAC阵列被植入狭窄段喉部。结果表明，随着狭窄程度（0%，25%，50%）的加重，纤毛弯曲变形加剧，导致外部监测到的磁场信号出现显著变化，并与狭窄严重程度呈现单调相关性，有力证明了该系统用于早期监测血管狭窄进程的潜力。

图 3 | MAC阵列用于动态流体感知的实验。

图 4 | MAC用于狭窄监测的仿真与实验验证。

在实现传感功能的同时，该平台还集成了按需给药的治疗模块。研究团队利用巨噬细胞膜制备了载有抗炎药物地塞米松的纳米囊泡，并通过紫外光谱、动态光散射等手段证实了其结构完整性和高载药效率。体外细胞实验表明，这些纳米囊泡能够被炎症状态下的人脐静脉内皮细胞高效摄取，并显著降低炎性细胞因子IL-6的分泌，显示出良好的抗炎效果。为实现微环境响应性释放，研究人员利用一种活性氧可裂解的硫缩酮连接分子，将载药纳米囊泡共价偶联在磁性人工纤毛表面。在模拟炎症高活性氧环境的实验中，连接分子被特异性裂解，纳米囊泡得以从纤毛表面释放，并被周围的内皮细胞摄取。流动稳定性实验进一步确认，该释放过程主要由活性氧触发，而非由流体剪切力机械诱导。

图 5 | 纳米囊泡的表征及其炎症靶向性。

图 6 | MAC/载药纳米囊泡的制备及其炎症靶向释放。

为了更真实地模拟体内环境，研究团队构建了内皮化的狭窄芯片模型，并将载药MAC置于狭窄喉部进行动态实验。流体-结构相互作用仿真显示，狭窄下游存在涡流区域，这有助于释放的纳米囊泡在目标区域富集。实验观察证实，在活性氧刺激下，纳米囊泡从纤毛上释放，并能够被下游的内皮细胞有效捕获和摄取。更重要的是，从MAC上释放的载药纳米囊泡在体外实验中，能够显著抑制由脂多糖激活的内皮细胞的炎性反应，表现为血管细胞黏附分子-1表达下降和促炎细胞因子IL-6分泌减少，从而验证了该系统在病理性血管微环境下进行靶向治疗的可行性。

图 7 | MAC在内皮化狭窄通道中性能的体外实验。

综上所述，这项研究提出的磁性人工纤毛平台，通过将无线机械传感与自主生化调控相结合，成功构建了一个集诊断与治疗于一体的微型化系统。该平台不仅避免了传统植入式电子器件的长期稳定性和生物相容性风险，还为流体相关疾病的早期诊断和精准治疗开辟了新路径。尽管目前的研究以血管狭窄为模型，但其模块化的设计理念和对微环境响应的机制，预示着该系统未来可通过调整磁性和几何参数、或耦合其他疾病特异性响应分子，广泛应用于更广泛的生物医学场景，为精准医疗时代智能植入装置的发展提供了重要参考。