3D血管復制品可以用作訓練平臺，以真實模擬血管內(nèi)介入，是心腦血管疾病的首選治療方法。彈性體和水凝膠的互補優(yōu)勢的多層3D血管復制品具有優(yōu)異的性能，但是存在制備等難題，即難以僅在由彈性體單層組成的曲折3D血管復制品的內(nèi)表面上均勻地涂覆薄的水凝膠層。
最近，韓國浦項科技大學機械工程系Joonwon?Kim教授提出了一種有效的策略，通過僅在彈性體單層的內(nèi)表面涂覆具有堅固界面的水凝膠聚合物，來設計和生產(chǎn)由彈性體（聚二甲基硅氧烷）-水凝膠（丙烯酰胺）多層構(gòu)成的高保真3D血管復制品。薄的水凝膠層可賦予柔軟的表面彈性，潤滑性，且對高彈性體單層橡膠的超憎水性，僅使用去離子水作為循環(huán)液，而無需使用其他潤滑劑。由于彈性體和水凝膠的互補特性，多層3D血管復制品有助于控制醫(yī)療設備和流體的內(nèi)部循環(huán)，從而除了X射線血管造影外，還可以在光學圖像下進行逼真的血管內(nèi)介入模擬。該論文以“3D Vascular Replicas Composed of Elastomer–Hydrogel Skin Multilayers for Simulation of Endovascular Intervention”為題，發(fā)表在Advanced Functional Materials。
如圖1a所示，一種有效的策略來設計和制造彈性體-水凝膠皮膚多層體組成的3D血管復制品，該多層體模仿了血管的幾何形狀和特性。水凝膠預凝膠溶液（丙烯酰胺）在紫外光下聚合，而只接觸由含有疏水性光固化引發(fā)劑的有機溶劑處理的曲折3D血管復制品（聚二甲基硅氧烷）的內(nèi)表面，可以形成具有堅固界面的水凝膠皮膚。測試證實，即使僅使用去離子水作為循環(huán)液，而無需使用其他潤滑劑，多層3D血管復制品仍具有較高的體積彈性，柔軟的表面彈性，潤滑性和超疏水性（圖1b）。
圖1 由彈性體-水凝膠皮膚多層構(gòu)成的3D血管復制品：a）概念和b）應用（例如線圈栓塞）的示意圖
線圈栓塞術(shù)是一種血管內(nèi)介入技術(shù)，是一種將微導管置于腦動脈瘤內(nèi)的程序，然后將其填充通過微導管傳遞的線圈。對線圈栓塞的模擬是在配備有水凝膠皮膚涂層3D血管復制品的人體模型上進行的，該復制品包括腦動脈，頸動脈，主動脈，動脈和股動脈。3D血管復制品上模擬測試結(jié)果表明，水凝膠皮膚涂覆的3D血管復制品被證明是通過血管內(nèi)模擬和光學圖像進行手眼協(xié)調(diào)的合理訓練平臺。
圖2 在光學圖像下模擬血管內(nèi)干預：在水凝膠皮膚包裹的3D血管復制物中，直徑7mm的球形腦動脈瘤a）位于后交通動脈（PcomA），b）位于大腦中動脈（MCA）
在X射線血管造影下，對帶有腦動脈瘤的水凝膠皮膚涂層3D血管復制品也進行了線圈栓塞模擬（圖3a）。將配備3D血管復制品的人體模型放置在X射線成像系統(tǒng)上。將引導導管放置在股動脈和主動脈上方的頸動脈中，并通過引導導管注入X射線造影劑以獲得腦動脈形狀圖像（圖3b）。超疏水性水凝膠皮膚涂覆的3D血管復制品的內(nèi)表面沒有氣泡被困住，從而使X射線造影劑在≈7s內(nèi)即可穿過腦動脈的所有部分，從而獲得清晰的血管圖像。
為了進一步闡明其作為模擬器的潛力，十名神經(jīng)外科醫(yī)生在水凝膠皮膚包裹的3D血管復制品上進行了線圈栓塞。大多數(shù)參與者使用從0（完全不同意）到5（非常同意）的5分制來評估實踐課程，其評分為“非常適合線圈栓塞的實踐（4.2±0.3）”。因此，仿真結(jié)果表明，水凝膠皮膚涂覆的3D血管復制品可以作為一個出色的平臺，為在需要的部位進行術(shù)前仿真和案例培訓提供真實的臨床環(huán)境。
圖3 ?在X射線圖像（即X射線血管造影）下模擬血管內(nèi)干預：a）人體模型，配備有放置在X射線成像系統(tǒng)上的3D血管復制品，b）X射線血管造影，c）從X射線血管造影獲得的2D圖像，d）導絲和微導管的導航，e）線圈栓塞
總結(jié)：多層3D血管復制品的類血管幾何形狀和特性促進了醫(yī)療設備的控制和流體的內(nèi)部循環(huán)，除了X射線血管造影之外，還可以在光學圖像下進行逼真的血管內(nèi)介入模擬。經(jīng)神經(jīng)外科醫(yī)師證明，多層3D血管復制品可以作為合理的培訓平臺，以在手術(shù)前模擬和在需要的部位進行特定案例的培訓，來訓練手眼協(xié)調(diào)能力。
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