冠狀動(dòng)脈疾病是全球主要致死性疾病之一，每年大約有上千萬人因此死亡。其特征在于斑塊沉積，會導(dǎo)致冠脈血管狹窄，從而嚴(yán)重影響心肌供血，最終可能引發(fā)致命的心臟病發(fā)作。在診斷方面，除了廣泛使用的X射線，血流儲備分?jǐn)?shù)（Fractional flow reserve，簡稱FFR）的檢測已經(jīng)成為評估冠狀動(dòng)脈疾病的重要微創(chuàng)技術(shù)。FFR能對冠狀動(dòng)脈的生理功能進(jìn)行定性評估，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)血管造影僅提供解剖學(xué)可視化的不足。

目前，用于FFR測試的壓力導(dǎo)絲通常包含置于遠(yuǎn)端的電學(xué)（壓阻或壓電）或光學(xué)傳感器，通過導(dǎo)絲內(nèi)部嵌入的導(dǎo)電線或光學(xué)纖維傳輸壓力信號。然而，多條電線會降低導(dǎo)絲的硬度，導(dǎo)致從近端到遠(yuǎn)端的扭矩傳遞減小，從而影響導(dǎo)絲在狹窄和彎曲冠脈中的操控性。同理，由于光學(xué)壓力導(dǎo)絲固有的脆性限制了導(dǎo)絲的彎曲性，導(dǎo)致了扭結(jié)的風(fēng)險(xiǎn)增大。這些限制需重復(fù)的推進(jìn)和撤回操作，導(dǎo)絲尖部和血管之間過大且反復(fù)的接觸力會導(dǎo)致脆弱的動(dòng)脈血管剝離或穿孔等并發(fā)癥。在這方面，尖部接觸力的實(shí)時(shí)檢測對于安全導(dǎo)航至關(guān)重要，但現(xiàn)有的商業(yè)導(dǎo)絲依然無法實(shí)現(xiàn)這一功能。此外，商業(yè)壓力導(dǎo)絲復(fù)雜的制備過程也提升了其成本。因此，能夠準(zhǔn)確檢測尖部接觸力并能在冠脈狹窄處立即可靠檢測FFR的低成本、高操控性的壓力導(dǎo)絲成為亟待研發(fā)的重要課題。

針對上述挑戰(zhàn)，南科大郭傳飛教授聯(lián)合中科大王柳教授開發(fā)了一種新型離電型壓力導(dǎo)絲（Iontronic tip-sensing guidewire，簡稱ITG）。該尖部傳感導(dǎo)絲基于廉價(jià)且技術(shù)成熟的工作導(dǎo)絲制備，利用生物本身的離子傳導(dǎo)特性，將生物體作為信號的傳輸通道（如圖1），省去了傳統(tǒng)導(dǎo)絲中多條信號傳輸導(dǎo)線，從本質(zhì)上將導(dǎo)絲的操控性能提升至理想水平。同時(shí)，器件以離子凝膠作為傳感層，金屬頭和工作導(dǎo)絲作為兩電極，并運(yùn)用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)（nanoArch® S130，精度：2 μm）制作樹脂管來固定和封裝三者，從而使ITG獲得了高靈敏度、高響應(yīng)速度和尖部反饋功能。

根據(jù)導(dǎo)絲的實(shí)際尺寸，對離電型尖部壓力導(dǎo)絲ITG的操控性進(jìn)行模擬，并將其與商業(yè)工作導(dǎo)絲和商業(yè)壓力導(dǎo)絲對比，如圖2，理論證明離電型尖部壓力導(dǎo)絲的操控性與商業(yè)工作導(dǎo)絲接近，均達(dá)到了1:1的扭轉(zhuǎn)比，而商業(yè)壓力導(dǎo)絲由于內(nèi)部多條信號傳輸線的設(shè)計(jì)，其扭轉(zhuǎn)比只有0.4，這證明ITG的操控性的優(yōu)異性。隨后，團(tuán)隊(duì)通過扭轉(zhuǎn)測試機(jī)對ITG的操控性進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并將其與商業(yè)工作導(dǎo)絲和商業(yè)壓力導(dǎo)絲對比，結(jié)果離電型尖部壓力導(dǎo)絲和商業(yè)工作的導(dǎo)絲的扭轉(zhuǎn)比均接近1:1，而商業(yè)壓力導(dǎo)絲的扭轉(zhuǎn)比只有約0.4，這與模擬結(jié)果一致，再次證明了離電型尖部壓力導(dǎo)絲的超高優(yōu)異性。

離電型尖部壓力導(dǎo)絲的電容信號在模擬水環(huán)境中對壓力的響應(yīng)進(jìn)行測試，如圖3。ITG的電容變化-壓強(qiáng)變化曲線呈線性，靈敏度為0.4 pF mmHg-1，且重復(fù)試驗(yàn)中數(shù)據(jù)幾乎重合，說明器件的重復(fù)性好。ITG對壓力的相應(yīng)時(shí)間僅為0.54 ms。在10000次相同的壓力循環(huán)過程中，ITG的最大電容信號幾乎無任何變化，且循環(huán)曲線軌跡幾乎相同，說明ITG的性能穩(wěn)定性強(qiáng)，可保證在介入手術(shù)過程中的可靠性。ITG可以精確檢測到不同形狀和頻率的脈搏信號。在活體豬冠脈內(nèi)，ITG可檢測到豬冠脈內(nèi)的血流，在長時(shí)間的檢測中信號穩(wěn)定，且可靈敏捕捉到血流微小的信號波動(dòng)，說明壓力導(dǎo)絲的高靈敏度和快速響應(yīng)。

ITG的接觸力反饋能力的驗(yàn)證在體外模擬系統(tǒng)和活體兔子體內(nèi)進(jìn)行，如圖4。在未接觸血管壁時(shí)，壓力導(dǎo)絲可輸出正常的脈動(dòng)信號。而其頭端一旦接觸血管壁時(shí)，信號將會顯著增加，明顯不同于正常的血流信號，這將能警示操作者血管壁剝離或穿刺的風(fēng)險(xiǎn)，提示操作者及時(shí)做出調(diào)整，從而保證手術(shù)的安全性。

在活體豬的狹窄血管內(nèi)，對ITG對FFR值的檢測能力進(jìn)行驗(yàn)證，如圖5。ITG可檢測到豬動(dòng)脈在逐漸變狹窄的過程中信號的精確變化，并且與商業(yè)導(dǎo)絲的數(shù)據(jù)幾乎吻合，兩者所檢測到的FFR數(shù)值也接近，說明ITG具有精確檢測FFR數(shù)值的能力。對于下降的血壓，ITG比傳統(tǒng)商業(yè)壓力導(dǎo)絲的實(shí)時(shí)響應(yīng)更加迅速和靈敏。

ITG具有優(yōu)良的生物相容性，如圖6。ITG在細(xì)胞熒光、細(xì)胞增殖能力、凝血、急毒、溶血、皮下、過敏實(shí)驗(yàn)中均表現(xiàn)優(yōu)異的生物相容性。

綜上所述，ITG具有比商業(yè)壓力導(dǎo)絲更優(yōu)異的操控性、響應(yīng)速度、靈敏度、額外的接觸力反饋功能和低成本的優(yōu)勢。ITG利用人體離子環(huán)境作為天然的離電信號傳輸通道，保證了在復(fù)雜血管內(nèi)導(dǎo)航過程中的高扭轉(zhuǎn)比和操控性。ITG具有目前傳統(tǒng)壓力導(dǎo)絲所缺乏的接觸力反饋功能，大大減小了血管損傷的風(fēng)險(xiǎn)。ITG簡單且無導(dǎo)線的設(shè)計(jì)不僅保證了優(yōu)良機(jī)械性能而且減少了制備成本，有希望增加先進(jìn)的FFR評估技術(shù)在資源缺乏環(huán)境下的普及。除了直接的臨床效益，ITG的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與驗(yàn)證為未來介入醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展提供了依據(jù)，有利于進(jìn)一步促進(jìn)安全、效率和病人預(yù)后的提升。

以上工作近期以“Iontronic tip-sensing guidewires"為題，發(fā)表于國際期刊《Nature Biomedical Engineering》上。南方科技大學(xué)關(guān)方怡博士后（現(xiàn)中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院助理研究員）與西安電子科技大學(xué)白寧寧副教授（原南方科技大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士）為共同第一作者。本研究獲得多項(xiàng)國家自然科學(xué)基金的資助。