弹性体+水凝胶,制备高保真3D血管!有望用于术前仿真和案例培训

3D血管复制品可以用作训练平台,以真实模拟血管内介入,是心脑血管疾病的首选治疗方法。弹性体水凝胶的互补优势的多层3D血管复制品具有优异的性能,但是存在制备等难题,即难以仅在由弹性体单层组成的曲折3D血管复制品的内表面上均匀地涂覆薄的水凝胶层。

最近,韩国浦项科技大学机械工程系Joonwon Kim教授提出了一种有效的策略,通过仅在弹性体单层的内表面涂覆具有坚固界面的水凝胶聚合物,来设计和生产由弹性体(聚二甲基硅氧烷)-水凝胶(丙烯酰胺)多层构成的高保真3D血管复制品。薄的水凝胶层可赋予柔软的表面弹性,润滑性,且对高弹性体单层橡胶的超憎水性,仅使用去离子水作为循环液,而无需使用其他润滑剂。由于弹性体和水凝胶的互补特性,多层3D血管复制品有助于控制医疗设备和流体的内部循环,从而除了X射线血管造影外,还可以在光学图像下进行逼真的血管内介入模拟。该论文以“3D Vascular Replicas Composed of Elastomer–Hydrogel Skin Multilayers for Simulation of Endovascular Intervention”为题,发表在Advanced Functional Materials。

《AFM》:弹性体+水凝胶,制备高保真3D血管!有望用于术前仿真和案例培训

如图1a所示,一种有效的策略来设计和制造弹性体-水凝胶皮肤多层体组成的3D血管复制品,该多层体模仿了血管的几何形状和特性。水凝胶预凝胶溶液(丙烯酰胺)在紫外光下聚合,而只接触由含有疏水性光固化引发剂的有机溶剂处理的曲折3D血管复制品(聚二甲基硅氧烷)的内表面,可以形成具有坚固界面的水凝胶皮肤。测试证实,即使仅使用去离子水作为循环液,而无需使用其他润滑剂,多层3D血管复制品仍具有较高的体积弹性,柔软的表面弹性,润滑性和超疏水性(图1b)。

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图1 由弹性体-水凝胶皮肤多层构成的3D血管复制品:a)概念和b)应用(例如线圈栓塞)的示意图

线圈栓塞术是一种血管内介入技术,是一种将微导管置于脑动脉瘤内的程序,然后将其填充通过微导管传递的线圈。对线圈栓塞的模拟是在配备有水凝胶皮肤涂层3D血管复制品的人体模型上进行的,该复制品包括脑动脉,颈动脉,主动脉,动脉和股动脉。3D血管复制品上模拟测试结果表明,水凝胶皮肤涂覆的3D血管复制品被证明是通过血管内模拟和光学图像进行手眼协调的合理训练平台。

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图2 在光学图像下模拟血管内干预:在水凝胶皮肤包裹的3D血管复制物中,直径7mm的球形脑动脉瘤a)位于后交通动脉(PcomA),b)位于大脑中动脉(MCA)

在X射线血管造影下,对带有脑动脉瘤的水凝胶皮肤涂层3D血管复制品也进行了线圈栓塞模拟(图3a)。将配备3D血管复制品的人体模型放置在X射线成像系统上。将引导导管放置在股动脉和主动脉上方的颈动脉中,并通过引导导管注入X射线造影剂以获得脑动脉形状图像(图3b)。超疏水性水凝胶皮肤涂覆的3D血管复制品的内表面没有气泡被困住,从而使X射线造影剂在≈7s内即可穿过脑动脉的所有部分,从而获得清晰的血管图像。

为了进一步阐明其作为模拟器的潜力,十名神经外科医生在水凝胶皮肤包裹的3D血管复制品上进行了线圈栓塞。大多数参与者使用从0(完全不同意)到5(非常同意)的5分制来评估实践课程,其评分为“非常适合线圈栓塞的实践(4.2±0.3)”。因此,仿真结果表明,水凝胶皮肤涂覆的3D血管复制品可以作为一个出色的平台,为在需要的部位进行术前仿真和案例培训提供真实的临床环境。

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图3  在X射线图像(即X射线血管造影)下模拟血管内干预:a)人体模型,配备有放置在X射线成像系统上的3D血管复制品,b)X射线血管造影,c)从X射线血管造影获得的2D图像,d)导丝和微导管的导航,e)线圈栓塞

总结:多层3D血管复制品的类血管几何形状和特性促进了医疗设备的控制和流体的内部循环,除了X射线血管造影之外,还可以在光学图像下进行逼真的血管内介入模拟。经神经外科医师证明,多层3D血管复制品可以作为合理的培训平台,以在手术前模拟和在需要的部位进行特定案例的培训,来训练手眼协调能力。

 

全文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202003395

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