人工血管是治疗腹主动脉瘤等常见心血管疾病的有效干预手段。然而，植入后的人工血管仍时常失效，其原因主要是生物力学的不匹配导致血栓和再狭窄的形成。临床上主要使用多普勒和近红外光谱等手段对术后人工血管进行健康监测，但体积大、成本高、且缺乏实时监测能力。人工血管与柔性生物电子的集成，促进了智能人工血管的发展，使得血液动力学实时监测和血管健康智能管理成为可能。然而，其实际临床应用面临着生物力学匹配性和内皮化等重要挑战。

为解决上述挑战，香港城市大学Khoo Bee Luan教授课题组开发了基于纳米纤维的压电人工血管，以平衡血管内皮化进程和血液动力学监测能力。基于静电纺丝的压电血管：1）与血液接触的内表面呈现多孔特征，促进细胞增殖和分化，加快血管内皮化进程；2）表现出与天然血管相当的力学性能，以及出色的细胞兼容性、血液兼容性和组织兼容性；3）展现优异的力学感知特性，可精确检测血液动力学信息。相关研究成果以“Integrated
Piezoelectric Vascular Graft for Continuous Real-Time Hemodynamics Monitoring”为题，发表在《Advanced Functional Materials》上。

静电纺丝技术，广泛应用于人工血管加工和柔性电子制造这两大领域。借助这一通用加工方式，作者提出基于纳米纤维的一体化压电血管（图1），既满足人工血管的基本生物/力学功能需求，又具备超灵敏的血液动力学感知能力。与现有相关研究相比，该工作在集成方式、生物兼容性、内皮化、血管健康管理和稳定性等方面展现出优异的综合性能。

图1 压电血管的结构特征及与研究现状对比。

不同于以往的集成有传感器的人工血管，作者提出的压电血管具有纤维状内表面，可促进血管内皮化过程（图2）。实验结果表明，与光滑的内壁相比，纤维化内表面具有更高的细胞增值率。此外，细胞骨架纤维状肌动蛋白和内皮细胞表型分析均证实纤维化内壁可促进内皮化进程。

图2 压电血管纤维基底促进血管内皮化进程。

人工血管移植与天然血管之间的力学不匹配会导致严重的问题，如血栓、再狭窄，甚至人工血管失效。为此，作者对压电血管的力学性能进行了详细测试表征（图3）。定性结果表明，制备的压电血管具有优异的力学性能，可承受挤压、压缩和弯曲等多种物理变形。定量结果表明，压电血管具有与天然血管相当的力学性能，如拉伸率、杨氏模量、抗拉强度、顺应性、爆破压和缝合强度等方面。

图3 压电血管的力学性能表征。

除了满足传统人工血管的基本要求（内皮化和力学性能）外，所开发的压电血管还具有出色的力学传感性能（图4）。借助一体化集成的压电纳米纤维，压电血管可将壁面上的血液动力学刺激转化为电信号输出。结果显示，压电血管展现出大量程（0-100 kPa）、高灵敏度（11 mV/kPa）、快响应（8.5 ms）、高信噪比（19.6）、强鲁棒性（>5万次循环）等特点，为血液动力学的精确感知奠定了良好基础。

图4 压电血管的力敏感知表征。

使用人工动脉系统模型，作者对制备的压电人工血管进行了血液动力学感知表征（图5）、实验结果表明，压电人工血管可以精确捕捉血液动力学的心率和血压等主要特征。人工血管失效的主要表现形式是堵塞。为此，作者使用止血钳，模拟人工血管这一病变特征。结果显示，压电人工血管对血管堵塞状态具有显著的响应，可用于血管的健康管理。

图5 压电血管的血液动力学感知表征。

细胞兼容性、血液兼容性和组织兼容性等三个方面的表征结果证实，制备的压电血管具有优异的生物兼容性（图6），为动物实验验证奠定良好基础。大鼠离体动物实验表明，压电血管可以精确捕捉血液动力学的细微变化；兔子植入实验证实，压电血管可与自然血管吻合良好，且具有与临床使用的导管压力传感器相当的血液动力学检测精度。

图6 压电血管的生物兼容性和动物模型验证。

香港城市大学博士后马治强博士和贾维彬博士为论文的共同第一作者。港城大Khoo Bee Luan教授和马治强博士为论文的共同通讯作者。其他合作机构包括香港心脑血管健康工程研究中心（COCHE），合作者港城大张菁博士、何星道博士生、Mohamed Elhousseini
Hilal博士、周翔博士生和港科大刘世源博士，港科大杨征保教授、山东大学陈宗刚教授和港城大史鹏教授同样为论文做出了重要贡献。

天玑算·科研服务，提供计算模拟、CPU/GPU租用、服务器定制、超算集群建设、实验检测、免费计算课程等，40+全职计算工程师团队可满足您不同领域的计算需求，涉及第一性原理，分子动力学，有限元仿真，相图计算，机器学习等……工程师线上1对1了解您的需求，结合需求为您提供定制化理论计算方案！（微信：TJS10591）