患有先天性心脏下腔缺陷的儿童在生命早期会接受一系列侵入性手术。第一个手术包括植入一根称为分流器的塑料管以改善血液流动。然而，随着孩子的成长，分流器通常会被更换以适应他们不断变化的身体。现在，研究人员设计了一种在光激活时会膨胀的分流器。如果开发成功，这种装置可以减少这些孩子接受开胸手术的次数。

研究人员将在美国化学学会 (ACS) 秋季会议上展示他们的研究成果。ACS 2024 秋季会议是一场线上线下混合会议，将于 8 月 18 日至 22 日举行;会议将有大约 10,000 场关于一系列科学主题的演讲。

“外科医生首次插入导管后，这些孩子通常需要再进行两三次甚至四次手术，才能植入稍大一点的导管，”报告这项研究的克里斯托弗·罗德尔 (Christopher Rodell) 说。“我们的目标是使用插入分流器内的发光导管扩大导管内部，完全消除额外手术的需要。”罗德尔是德雷塞尔大学 (Drexel University) 生物医学工程助理教授。

这些先天性心脏缺陷会影响心脏下腔(即心室)，导致肺部和身体其他部位的血流受限。如果不进行手术，患有这些疾病的婴儿将无法存活。这些婴儿通常出生时体型较小，但在第一次分流器植入手术后可以快速成长。

为了适应孩子的成长，外科医生经常会进行另一次开胸手术。每次进行这种手术都会给孩子带来风险。在一项对 360 名接受过初次心脏重建手术的患者的研究中，41 名患者需要进行额外的手术来植入更大的分流器，其中 7 名患者因此死亡。

此前，罗德尔在德雷克塞尔大学的同事艾米·斯洛克莫顿和卡拉·斯皮勒制造了一种可扩展的原型，有望取代最常用的分流器。他们通过在管内涂上一层水凝胶来实现这一点，水凝胶中含有一个由水包围的聚合物网络，这些聚合物通过交联键相互连接。

新交联的形成迫使水从水凝胶中流出，并将聚合物拉到一起，使水凝胶收缩，分流器内部变宽。在最初的设计中，新的交联会自动形成，无需外部触发。

图片来源：美国化学学会

罗德尔加入斯洛克莫顿和斯皮勒的团队，帮助他们重新设计分流器，使材料在临床使用中是安全的，并可以根据每个孩子的需求进行调整。他通过开发一种新的水凝胶聚合物来实现这一点，这种水凝胶会形成新的交联，并在触发时增加分流器的内径。为了按需启动交联，罗德尔决定使用蓝光，因为这种波长携带的能量足以启动反应，但对活体组织来说是安全的。

“光一直是我最喜欢的触发器之一，因为你可以控制何时何地应用它，”罗德尔说。

对于这种新设备，罗德尔和他的研究生阿卡里·塞纳领导的团队使用了光纤导管，本质上是一根细长的管子，顶端有一个发光装置。为了激活分流器内的光敏水凝胶，他们打算让外科医生将导管插入腋窝附近的动脉，然后将其调整到位，这样就无需打开婴儿的胸腔。

在实验室实验中，他们发现可以逐渐扩大分流管，扩张量根据光照时间长短而变化——结果表明，一旦植入，分流管的调整可以根据每个孩子进行定制。他们发现，他们可以将分流管扩张多达 40%，直径从 3.5 毫米扩大到 5 毫米——几乎是儿童中植入的最大分流管的尺寸。

他们还评估了血细胞和血管对改良分流管的反应。他们没有发现任何证据表明植入的管子会导致血栓形成、炎症反应或其他可能造成潜在健康问题的反应。

接下来，该团队计划在模拟人类循环系统的人工装置中测试全长分流器原型。如果这些实验成功，研究人员打算继续在动物模型上进行实验。罗德尔表示，这项技术除了单心室心脏病外，还有其它用途。例如，外科医生可以使用类似的管子来替换车祸中受伤儿童的血管。

“在这些手术中，你会遇到同样的问题：儿童不仅仅是小大人;他们还在不断成长，”罗德尔说。“这是我们在生物材料中需要考虑的问题，即移植物会随着时间的推移而如何表现。”

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