南京大学张晔课题组AFM：医用导管水凝胶涂层实现组织温度实时传感

医用外科导管在医学领域被广泛使用，不仅可直接输送药物至特定组织，也可引流手术部位积液以防炎症物质累积。但是，感染常发于导管与组织交界处。例如颅脑、腹腔和尿道植入引流导管引发感染的概率分别为43.5％、51.8％和80％以上。此外，未能及早监测出植入引流管引发的感染易导致机体出现不可逆的组织损伤及认知行为异常，尤其脑室引流引发的感染可能增加患者的死亡率。

植入部位感染初期显著特征是原位温度升高，而临床诊断常使用体温或核心温度，具有滞后性及2~4 ℃的误差。因此，在植入导管部位进行原位温度监测对于及早诊断和干预感染发生至关重要。

临床上通常采用植入附加设备来采集植入导管后原位温度变化。然而，当通过手术移除该附加设备时易造成植入部位的二次损伤，同时植入附加设备增加患者的就医成本。近来研究将温度传感器阵列耦合在导管表面进行温度监测，但该温度传感器与软组织的机械性能不匹配，易导致植入部位出现组织损伤。

成果简介

近日，南京大学张晔课题组开发设计了一种实时温度感应的水凝胶涂层，应用在医用外科导管的外表面上来对包括颅脑、腹腔和尿道在内的各植入部位进行感染监测。该水凝胶涂层实现了2.90% ℃−1的电阻温度系数，在可植入温度感应设备中处于领先地位，且传感性能在各种重复变形和整个植入周期内保持稳定。此外，水凝胶涂层在机械性能上与人体组织匹配，改善了导管与组织的接触界面。在脑部感染模型中，传感器第一时间监测到异常的局部温度信号，并提供前期预警以应对危险情况，极大地改善了个体存活率和发育状况。成果近期以“A Temperature-Sensing Hydrogel Coating on The Medical Catheter”为题发表在Advanced Functional Materials，DOI：10.1002/adfm.202310260。

图1 温度传感水凝胶涂层示意图

温度传感涂层由聚丙烯酰胺/聚丙烯酸/壳聚糖三网络水凝胶组成。水凝胶中的载流子在交变电场作用下形成稳定的离子流，利用离子传输的热激活原理实现温度响应，即温度升高后更快的离子传输速率表现为水凝胶更低的电阻，进而实时反映导管植入部位的温度变化，并在感染时发出警告（图1）。

图2 温度传感水凝胶涂层的形貌表征

温度传感水凝胶可以均匀涂覆在各种医用导管的表面，包括导尿管、鼻胃管、脑室引流管等，涂层与导管紧密接触，界面处没有明显的缝隙。作为电极的碳纳米管纤维附着在导管两侧，起到信号传输的作用。水凝胶涂层的整体厚度为100 μm，不影响导管的正常使用（图2）。

图3 水凝胶涂层的温度传感性能

温度传感水凝胶能够实现从34 °C到42 °C的连续监测，涵盖了人体温度变化的范围，且在多次监测循环内具有优异的重复性。其温度电阻响应系数实现高达2.90% °C−1 (R2 = 0.998)的同时，测量精度可以达到0.1 °C，在各种模拟体内液体环境中也能达到相应的水平，这样高水平的温度电阻响应系数，与商业传感器和文献报道的植入式温度传感器相比具有明显优势。导管在分别经受插拔循环、90°扭转、90°弯曲和10%挤压变形10000个循环后，传感性能依然保持稳定（图3）。这种高灵敏度、高准确性和高稳定性，确保了水凝胶涂层在动态生理条件下对感染部位的温度变化准确监测并给出预警。

图4 导管-组织界面炎症分析

研究人员进一步评估了水凝胶涂层的生物相容性和界面匹配性（图4）。对比对照组、普通导管组和水凝胶涂覆导管组植入颅脑2天和7天的界面组织病理结果，经过苏木精和伊红（H&E）的染色分析，以及评估活化的小胶质细胞标志物（IBA-1、CD68）及星形胶质细胞标志物（GFAP）的表达水平，发现水凝胶温度感应涂层的引入降低了普通导管引发的局部炎症，与空白对照组没有明显差异。

图5 温度传感水凝胶涂层在颅脑感染监测中的应用

在大鼠颅脑感染模型中，局部脑温在30分钟内从35.08 ℃上升至36.57 ℃，在水凝胶涂层温度传感的实时监测下，颅脑感染的大鼠及早受到干预治疗，40分钟后大鼠颅脑温度恢复正常。由于大脑原位温度监测的及时性和准确性，大鼠的存活率提高到90%。未有水凝胶温度传感器的早期预警及干预治疗，颅脑感染的大鼠存活率仅为60%，且颅脑的神经元凋亡明显增加，通过旷场实验发现其认知行为出现异常（图5）。这些结果表明，与传统的体表温度监测相比，水凝胶涂层原位温度感应对植入导管引发的感染具有及早发现和干预的重要意义。

总结展望

该工作通过设计开发了一种用于医疗导管的温度传感水凝胶涂层，实现了对大脑、腹腔和尿道等各植入部位温度的原位实时监测，对于医疗导管引发感染的早期预警具有重要价值。未来可在涂层中扩展集成多种生物信号的监测，将对个性化预防、诊断和智能医疗导管的应用具有重要意义。

南京大学现代工程与应用科学学院直博生李亦冉和南京中医药大学李丹为论文共同第一作者，南京大学现代工程与应用科学学院张晔副教授为论文通讯作者，南京大学是该论文的第一单位。研究工作受到国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省 “双创团队”项目等基金的支持。相关研究以“A Temperature-Sensing Hydrogel Coating on The Medical Catheter”为题发表在Advanced Functional Material上。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202310260

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！