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  下尿路功能障礙（LUTD）主要表現(xiàn)為膀胱活動(dòng)低下（UAB）、膀胱過度活動(dòng)（OAB）和尿失禁（UI），不僅嚴(yán)重影響了患者的生活質(zhì)量，還給醫(yī)療系統(tǒng)帶來巨大經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。膀胱測量法通過測量膀胱壓力來評估膀胱狀況，是國際尿失禁協(xié)會(huì)推薦臨床中診斷LUTD的“金標(biāo)準(zhǔn)”。然而，臨床中傳統(tǒng)的膀胱測量法需要醫(yī)護(hù)人員反復(fù)使用侵入性導(dǎo)管，不僅診斷成功率低，費(fèi)用高昂，還會(huì)給患者帶來不同程度身心傷害。因此，研發(fā)無侵入式導(dǎo)管的實(shí)時(shí)監(jiān)測方案對于改善下尿路功能障礙的臨床診斷與治療至關(guān)重要。

  近期，天津大學(xué)楊靜教授、張雷教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種自愈合、可降解和可防污的類組織植入式傳感器。研究團(tuán)隊(duì)首先創(chuàng)制了不同軟硬段配比的自愈合型類組織模量彈性體，基于兩種配比彈性體，融合可被人體吸收的鎂電極，構(gòu)架出基于金字塔微結(jié)構(gòu)的類組織植入式傳感器，并應(yīng)用于膀胱活動(dòng)的監(jiān)測。傳感器整體具備可降解性，無需二次手術(shù)取出。這種植入式傳感器的開發(fā)有望在臨床上為下尿路功能障礙患者提供一種新型無導(dǎo)管的膀胱活動(dòng)檢測方式。相關(guān)成果以“Self-healing, degradable, and implantable tissue-like sensor for monitoring of abnormal bladder activity”為題發(fā)表在國際知名期刊Biosensors & Bioelectronics上（IF=10.5）。天津大學(xué)楊凱博士為論文的一作者，楊靜教授和張雷教授為通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金優(yōu)青、面上項(xiàng)目的支持。

  這項(xiàng)研究首先基于聚二甲基硅氧烷和聚己內(nèi)酯為超分子骨架，結(jié)合靜電作用、單/雙氫鍵動(dòng)態(tài)鍵構(gòu)建彈性體（STLE），實(shí)現(xiàn)了在模擬體液中高效愈合。降解初期彈性體分子鏈流動(dòng)性提升，進(jìn)而促進(jìn)了材料自愈。利用STLE和可降解鎂電極，構(gòu)建了基于金字塔微結(jié)構(gòu)的類組織傳感器，并在模擬體液環(huán)境中降解。體外模擬和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，該傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)測膀胱活動(dòng)，且在長期植入后無炎癥排異反應(yīng)，為下尿路功能障礙患者提供新的診斷方法（圖1）。

圖1 用于膀胱活動(dòng)監(jiān)測的自愈組織樣傳感器

  STLE表現(xiàn)出較高抗細(xì)菌粘附能力、血液相容性和可降解性（圖2）。同時(shí)，STLE具有類膀胱組織模量（約0.3MPa）和在體液環(huán)境中的自愈合性（約67%）。此外，在短期降解后，STLE分子鏈間動(dòng)態(tài)鍵重組所需的能量降低，從而進(jìn)一步提升了其自愈合效率。

圖2 STLE的防污、降解、機(jī)械性能和自愈合性能

  基于STLE和可被人體吸收的鎂薄片，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一種帶有金字塔型微結(jié)構(gòu)的植入式自愈壓力傳感器（圖3）。傳感器尺寸為毫米級，符合植入式傳感器的小型化要求。金字塔型微結(jié)構(gòu)尺寸最大的design-4的傳感器表現(xiàn)出最高的靈敏度（9.1Pa^-1），是無微結(jié)構(gòu)傳感器靈敏度的5.7倍。傳感器的壓力響應(yīng)曲線展現(xiàn)出清晰的可區(qū)分性和可重復(fù)性，驗(yàn)證了其出色的穩(wěn)定性和可靠性。此外，傳感器自愈合后的靈敏度可達(dá)到7.5 Pa^-1，自愈合效率約為82.4%。在模擬體液環(huán)境中，傳感器在237天后可實(shí)現(xiàn)降解，避免了二次手術(shù)取出。

圖3 基于STLE的植入式傳感器的靈敏度和自愈特性

  在圖4中展示的人工裝置由底部安裝傳感器的橡膠氣球（模擬膀胱）以及液體（模擬尿液）單向流動(dòng)系統(tǒng)組成，用于體外測試膀胱活動(dòng)監(jiān)測。體外模擬的結(jié)果表明，傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測膀胱活動(dòng)，無需反復(fù)使用侵入性導(dǎo)管，并能根據(jù)信號(hào)曲線準(zhǔn)確分析LUTD患者的膀胱活動(dòng)類型（UAB、OAB和UI）。

圖4 植入式傳感器的體外模擬監(jiān)測測試

  通過構(gòu)建大鼠膀胱監(jiān)測模型開展體內(nèi)傳感研究（圖5）。將傳感器通過組織膠固定于大鼠膀胱底部，并采用注射器緩慢注入或抽出生理鹽水，以模擬膀胱充盈和排尿過程。體內(nèi)檢測的結(jié)果表明傳感器具有出色的傳感穩(wěn)定性。傳感器植入5周后的組織切片結(jié)果顯示，傳感器對器官和組織未出現(xiàn)不良反應(yīng)，組織細(xì)胞的正常形態(tài)、結(jié)構(gòu)和組織細(xì)胞排列與未植入的健康大鼠相似，未觀察到炎癥細(xì)胞浸潤、細(xì)胞壞死和變性，證實(shí)了傳感器在體內(nèi)具有長期生物相容性。與最近報(bào)道的用于檢測膀胱活動(dòng)的傳感器相比，該研究報(bào)道的類組織植入式傳感器具有自愈合、防污和降解等優(yōu)勢。

圖5 植入式傳感器的體內(nèi)膀胱活動(dòng)監(jiān)測和傳感器長期植入后的生物相容性

  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0956566325006438

通訊作者簡介

  張雷，天津大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金獲得者。主要研究方向包括生物化工與合成生物學(xué)、低溫保護(hù)、功能材料、海洋涂料等。已在Nature Biotechnology, Nature Communications, JACS, Angew, Chemical Reviews, AIChE Journal, CES, Research, Engineering等期刊發(fā)表論文100多篇。

  楊靜，天津大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師；國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金獲得者、國家級某領(lǐng)域青年人才。主持國家級重點(diǎn)創(chuàng)新項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)專項(xiàng)子課題等項(xiàng)目。主要研究方向?yàn)椴牧虾铣缮飳W(xué)、細(xì)胞保存、仿皮膚材料等。以第一/通訊作者在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Chem. Rev., Research, Adv. Func. Mater., ACS Nano, 等刊物發(fā)表SCI論文50余篇。