【引言】

动脉瘤是一种动脉壁内的气球状隆起,其发病可导致危及生命的出血。在临床病例中经导管动脉栓塞术(TAE)由于其风险低,成功率高以及微创手术等优点被广泛接受为治疗动脉瘤的有效方法。TAE技术通常是利用导管将金属微线圈(例如铂线圈)递送到目标血管中,阻断血液供应引发缺血性坏死,防止动脉瘤破裂。

临床上使用金属微线圈实现的栓塞成功率通常在15%以下,并且需要重复治疗,这就不可避免地导致了动脉瘤壁的再次暴露和潜在的破裂风险。随着研究的发展,目前常用的金属线圈的替代物(如可膨胀形状记忆聚合物涂层和微线圈),在降解期间其逐渐膨胀可能导致治疗颅内动脉瘤脑积水发生率更高。这些新研发的生物可降解聚合物栓塞材料由于随时间推移会发生体内质量损失,并不适合于持久的阻塞,因此研发安全和永久的动脉瘤栓塞材料对于临床应用而言是个极大的挑战。

【成果简介】

近日,天津大学刘文广教授和天津市一中心医院的冯学泉主任医师(共同通讯作者)团队在Adv. Funct. Mater.在线发表了一篇题为“Radiopaque Highly Stiff and Tough Shape Memory Hydrogel Microcoils for Permanent Embolization of Arteries”的文章,介绍了一种具有X光成像功能的高模量高强度体温刺激的形状记忆水凝胶,首次实现了高强度水凝胶对于动脉血管的栓塞。作者指出,这种凝胶网络含有聚丙烯腈的偶极-偶极相互作用/聚丙烯酰胺的氢键物理作用及长链聚乙二醇二甲基丙烯酸酯的化学交联,并且广角X射线衍射、小角X射线散射结果表明,偶极对形成的结晶疏水微区对于提高凝胶的水环境稳定性和模量至关重要。

【图文导读】

图1. 水凝胶中双重物理交联结构示意图

有机凝胶由有机相转化为水相时,会发生双重物理交联而形成水凝胶。

图2. PAN–PAAm–PEG3kDMA水凝胶物理性能表征

A) PAN–PAAm–PEG3kDMA水凝胶分子结构;

B) 不同AN(丙烯腈)含量的PAN–PAAm–PEG3kDMA水凝胶的广角一维衍射曲线;

C)水凝胶储能模量(G'),损耗模量(G'')和损耗因子(tanδ)的温度依赖性曲线(RAN = 66 wt%,CPLY = 25%,RPEG = 12 wt%,振幅:10 μm,频率:1Hz);

D)不同温度下的水凝胶的加载卸载应力应变曲线;

E)哑铃形水凝胶样品在25°C (E1)和37°C(E2)水浴中的拉伸试验,红色圆圈:水凝胶样品的颈缩区域,而在37℃时没有颈缩现象。

图3. 水凝胶体外形状记忆实验

B) 显影水凝胶线圈的制备示意图;

C) 无约束的水凝胶弹簧圈的形状记忆过程;

D) 水凝胶微弹簧圈经导管递送到37 ℃水中的玻璃管内的形状记忆过程。

图4. 水凝胶体内栓塞评价

A) TAE过程的示意图。刚性的水凝胶直条在冷盐水的保护下经导管被递送至目标肾动脉中,接触“热血”后,凝胶直条迅速转变为弹簧形状并缠结在一起,阻断动脉血液供给;

B) 可显影水凝胶弹簧圈体内形状记忆过程的X射线影像图(黄色圆点为弹簧圈轮廓);

C) 术后间隔不同时间(4周,8周,12周)的复查血管造影图像,红色圆圈表示水凝胶弹簧圈的位置;

D) 术后间隔不同时间(4周,8周,12周)对猪进行解剖得到的肾脏图片(scale bar : 2cm)。

图5. 不同处理组肾脏病理分析

A1-C1) 栓塞术后4,8,12周肾脏病理分析;

A2-C2)栓塞对侧肾脏的病理分析。

【小结】

利用AN(偶极单体),AAm(氢键单体)和PEG3kDMA的简单共聚合,然后直接BaSO4沉淀,成功制备了一种不透射线的刚性形状记忆水凝胶,并对水凝胶的温度响应行为进行了深入研究。同时利用猪肾脏模拟栓塞过程,在三个月的栓塞期间没有观察到血管再通,成功地延长了栓塞时间和栓塞的稳定性,这一研究为后续临床用动脉瘤栓塞材料的相关研究提供了新的研究思路和方法。

文献链接:Radiopaque Highly Stiff and Tough Shape Memory Hydrogel Microcoils for Permanent Embolization of Arteries(Adv. Funct. Mater.,2017,DOI: 10.1002/adfm.201705962)

【通讯作者及团队简介】

刘文广,天津大学材料科学与工程学院先进高分子材料研究所教授,中国生物材料青年委员会常委,中国生物材料学会生物医用高分子分会委员,《中国科学:技术科学》杂志中英文版(SCI收录)编委。主要从事水凝胶、药物/基因递送载体等生物医用高分子材料的研究,主持和参加多项国家自然科学基金重点/面上项目、十三五重点研发/863计划专题项目和天津市自然科学基金项目。2006年入选教育部新世纪优秀人才计划,2013年获得国家杰出青年科学基金资助,2016年入选国务院特殊津贴专家。

本文由材料人编辑部南渡编译,点我加入材料人编辑部。

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