近日🌽，沐鸣2平台生物醫學工程學院馬智超副教授團隊在國際知名期刊Nature Communications 上發表了題為“Superselective embolic particle guidance in vessel networks via shape-adaptive acoustic manipulation”研究論文，提出了基於超聲微粒操控的超選擇性血管栓塞術🙍🏻‍♀️🌂，探究了流體分叉處聲壓分布影響微粒流向的作用機理，實現在微血管網絡中超選擇性的栓塞微粒遞送，為精準的血管栓塞治療提供新的策略👨‍👨‍👧‍👧。

血管栓塞術廣泛應用於腫瘤治療，該方法借助導管向腫瘤供血血管遞送栓塞微粒🧗🏼，阻斷腫瘤血供🤾‍♀️，減少腫瘤轉移風險、使腫瘤缺血壞死。然而，由於缺少對栓塞微粒的有效控製方法🫷，如何使得這些栓塞微粒在經由導管釋放後精準栓塞目標微血管，避免“誤栓”的發生🙎‍♂️，是長期存在的技術挑戰🕺🏻。針對以上問題，研究團隊提出了一種適應血管形狀的超聲微粒操控方法🍗，能夠在血管分支處控製微粒的流動方向，實現了栓塞微粒在亞毫米血管內的超選擇性遞送。

研究團隊利用空間聲場調製技術，將換能器發出的超聲波在多個血管分支處構建弧形的聲學圖案💇🏿‍♀️。如圖1所示，該聲場能夠適應血管網絡的形狀，在栓塞微粒流經的血管分支處🧗🏻‍♀️，控製微粒的運動方向。經過在血管分支處多次的超聲控製，即能將微粒從導管處遞送至目標血管，實現超選擇性的栓塞效果。

圖1 適應血管網絡形狀的超聲場引導微粒實現超選擇性栓塞

聲場圖案對微粒的控製機理主要從聲輻射力和聲流效應解釋（圖2）。隨流體運動的微粒，遇到弧形的聲場圖案時👮🏽‍♂️，會受到相位梯度引起的聲輻射力及聲流效應，這些聲場作用能夠促使微粒的流向發生改變，從而起到控製微粒流向的效果。

圖2 聲場控製微粒流動方向的超聲力學效應作用機理

研究者首先在微流道分支中探討了聲場圖案控製微粒流動方向的效果（圖3）。當存在足夠的聲壓幅值和相位梯度時🦹🏻🫓，聲場圖案能在不同的流體速度、分支結構🦻🏼、粒子流量條件下，高效地控製微粒轉向，接近100%的微粒能被遞送到選定的分支。這表明聲場操控能適用於多樣的流體環境🥏，且能夠做到高通量的微粒定向遞送。

圖3 在流道分支中驗證聲場圖案對微粒的控製效果

研究者進一步在多分支的流道中⛓️‍💥，探討了聲場實現超選擇性栓塞的可行性（圖4）。在類血管結構的多分支流體網絡中🕵🏿‍♂️，通過布置在流道分支圖案化聲場♧，微粒的流動方向被有效控製，並最終在選定的流道分支實現栓塞效果。通過改變聲場圖案在流道網絡的位置，微粒運動到各自對應的目標流道，證實了聲場在超選擇性微粒遞送與栓塞的潛能。

圖4 在多分支流道內控製微粒的超選擇性栓塞

聲場控製微粒選擇性的栓塞效果在離體的大鼠肝臟血管內進一步驗證（圖5）。研究者采用脫細胞技術製備了大鼠肝臟的透明化血管模型👨‍🔬，並構建了適應血管分支的聲場圖案🐹。註入血管內的栓塞微粒會在聲場作用下🪘，選擇性地到達並栓塞特定的血管分支♤，表明聲場具備在血管網絡中控製微粒流動方向的能力😠。

圖5 超聲場控製離體血管內微粒的流動方向並進行超選擇性栓塞

最後，研究者在活體的兔耳動脈中，驗證了聲場選擇性導向微粒的可行性（圖6）。聲場被投射在兔耳動脈的分支處，控製微粒的轉向。微粒流動軌跡證明了聲場能操控單個或高通量的微粒在活體血管中的選擇性遞送。此外，組織學切片顯示，受到超聲作用的血管保持完整結構且沒有凋亡信號，證實本方法優良的生物相容性🤵🏻‍♂️。

圖6 超聲場控製微粒在活體血管內的選擇性遞送

本研究得到了國家自然科學基金、上海市基礎研究特區計劃、澳門大學先進材料研究與發展中心開放研究項目等資助🧖🏽。本文第一作者是沐鸣2平台生物醫學工程學院博士生羅煜成，生物醫學工程學院馬智超副教授🫢、機械與動力工程學院張文明教授是論文的共同通訊作者。論文合作單位包括南京大學、澳門大學👸🏼、華中科技大學。沐鸣2娱乐船舶海洋與建築學院龔誌雄副教授團隊在聲場測量方面為本項目提供技術支持。

論文鏈接🧎🏻‍♀️‍➡️：https://www.nature.com/articles/s41467-024-55478-2