冠狀動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，會導致冠脈血管狹窄，從而嚴重影響心肌供血，最終可能引發致命的心臟病發作。在診斷方面，除了廣泛使用的X射線，血流儲備分數（Fractional flow reserve，簡稱FFR）的檢測已經成為評估冠狀動脈疾病的重要微創技術。FFR能對冠狀動脈的生理功能進行定性評估，彌補了傳統血管造影僅提供解剖學可視化的不足。 目前，用于FFR測試的壓力導絲通常包含置于遠端的電學（壓阻或壓電）或光學傳感器，通過導絲內部嵌入的導電線或光學纖維傳輸壓力信號。然而，多條電線會降低導絲的硬度，導致從近端到遠端的扭矩傳遞減小，從而影響導絲在狹窄和彎曲冠脈中的操控性。
同理，由于光學壓力導絲固有的脆性限制了導絲的彎曲性，導致了扭結的風險增大。這些限制需重復的推進和撤回操作，導絲尖端和血管之間過大且反復的接觸力會導致脆弱的動脈血管剝離或穿孔等并發癥。在這方面，尖端接觸力的實時檢測對于安全導航至關重要，但現有的商業導絲依然無法實現這一功能。此外，商業壓力導絲復雜的制備過程也提升了其成本。因此，能夠準確檢測尖端接觸力并能在冠脈狹窄處立即可靠檢測FFR的低成本、高操控性的壓力導絲成為亟待研發的重要課題。
針對上述挑戰，南科大郭傳飛教授聯合中科大王柳教授開發了一種新型離電型壓力導絲（Iontronic tip-sensing guidewire，簡稱ITG）。該尖端傳感導絲基于廉價且技術成熟的工作導絲制備，利用生物本身的離子傳導特性，將生物體作為信號的傳輸通道（如圖1），省去了傳統導絲中多條信號傳輸導線，從本質上將導絲的操控性能提升至理想水平。同時，器件以離子凝膠作為傳感層，金屬頭和工作導絲作為兩電極，并運用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術（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、高響應速度和尖端反饋功能。
圖1. 離電型尖端傳感導絲（ITG）的設計、制備和工作原理。
根據導絲的實際尺寸，對離電型尖端壓力導絲ITG的操控性進行模擬，并將其與商業工作導絲和商業壓力導絲對比，如圖2，理論證明離電型尖端壓力導絲的操控性與商業工作導絲接近，均達到了1:1的扭轉比，而商業壓力導絲由于內部多條信號傳輸線的設計，其扭轉比只有0.4，這證明ITG的操控性的優越性。隨后，團隊通過扭轉測試機對ITG的操控性進行實時檢測，并將其與商業工作導絲和商業壓力導絲對比，結果離電型尖端壓力導絲和商業工作的導絲的扭轉比均接近1:1，而商業壓力導絲的扭轉比只有約0.4，這與模擬結果一致，再次證明了離電型尖端壓力導絲的超高優越性。
圖2. ITG、工作導絲與商業壓力導絲之間的操控性的比較。
離電型尖端壓力導絲的電容信號在模擬水環境中對壓力的響應進行測試，如圖3。ITG的電容變化-壓強變化曲線呈線性，靈敏度為0.4 pF mmHg-1，且重復試驗中數據幾乎完全重合，說明器件的重復性好。ITG對壓力的相應時間僅為0.54 ms。在10000次相同的壓力循環過程中，ITG的最大電容信號幾乎無任何變化，且循環曲線軌跡幾乎相同，說明ITG的性能穩定性強，可保證在介入手術過程中的可靠性。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，ITG可檢測到豬冠脈內的血流，在長時間的檢測中信號穩定，且可靈敏捕捉到血流微小的信號波動，說明壓力導絲的高靈敏度和快速響應。
圖3. ITG在體外和活體豬模型血管中的的傳感性。
ITG的接觸力反饋能力的驗證在體外模擬系統和活體兔子體內進行。在未接觸血管壁時，壓力導絲可輸出正常的脈動信號。而其頭端一旦接觸血管壁時，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險，提示操作者及時做出調整，從而保證手術的安全性。
在活體豬的狹窄血管內，對ITG對FFR值的檢測能力進行驗證。ITG可檢測到豬動脈在逐漸變狹窄的過程中信號的精確變化，并且與商業導絲的數據幾乎吻合，兩者所檢測到的FFR數值也接近，說明ITG具有精確檢測FFR數值的能力。對于下降的血壓，ITG比傳統商業壓力導絲的實時響應更加迅速和靈敏。 ITG具有優良的生物相容性，如圖6。ITG在細胞熒光、細胞增殖能力、凝血、急毒、溶血、皮下、過敏實驗中均表現優異的生物相容性。
綜上所述，ITG具有比商業壓力導絲更優越的操控性、響應速度、靈敏度、額外的接觸力反饋功能和低成本的優勢。ITG利用人體離子環境作為天然的離電信號傳輸通道，保證了在復雜血管內導航過程中的高扭轉比和操控性。ITG具有目前傳統壓力導絲所缺乏的接觸力反饋功能，大大減小了血管損傷的風險。ITG簡單且無導線的設計不僅保證了最好的機械性能而且減少了制備成本，有希望增加先進的FFR評估技術在資源缺乏環境下的普及。除了直接的臨床效益，ITG的創新設計與驗證為未來介入醫療設備的發展提供了依據，有利于進一步促進安全、效率和病人預后的提升。
以上工作近期以“Iontronic tip-sensing guidewires”為題，發表于國際知名期刊《Nature Biomedical Engineering》上。南方科技大學關方怡博士后（現中國科學院深圳先進技術研究院助理研究員）與西安電子科技大學白寧寧副教授（原南方科技大學聯合培養博士）為共同第一作者。本研究獲得多項國家自然科學基金的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41551-025-01548-9
