Implantation av en stentliknande flödesavledare kan erbjuda ett alternativ för mindre invasiv behandling av hjärnaneurysm – utbuktningar i blodkärl – men proceduren kräver frekvent övervakning medan kärlen läker. Nu, ett forskarlag på flera universitet har visat proof-of-concept för en mycket flexibel och töjbar sensor som kan integreras med flödesavledaren för att övervaka hemodynamiken i ett blodkärl utan kostsamma diagnostiska procedurer.

Sensorn, som använder kapacitansförändringar för att mäta blodflödet, kan minska behovet av testning för att övervaka flödet genom avledaren. Forskare, ledd av Georgia Tech, har visat att sensorn noggrant mäter vätskeflödet i djurs blodkärl in vitro, och arbetar på nästa utmaning:trådlös drift som kan möjliggöra in vivo-testning.

Forskningen rapporterades 18 juli i tidskriften ACS Nano och fick stöd av flera anslag från Georgia Techs Institute for Electronics and Nanotechnology, University of Pittsburgh och Korea Institute of Materials Science.

"Det nanostrukturerade sensorsystemet kan ge fördelar för patienter, inklusive en mindre invasiv aneurysmbehandling och en aktiv övervakningsförmåga, sa Woon-Hong Yeo, en biträdande professor vid Georgia Techs George W. Woodruff School of Mechanical Engineering och Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering. "Det integrerade systemet kan ge aktiv övervakning av hemodynamiken efter operation, så att läkaren kan följa upp med kvantitativ mätning av hur väl flödesavledaren fungerar i behandlingen."

Cerebrala aneurysmer förekommer hos upp till fem procent av befolkningen, med varje aneurysm som medför en risk på en procent per år att brista, noterade Youngjae Chun, en docent vid Swanson School of Engineering vid University of Pittsburgh. Aneurysmbristning kommer att orsaka dödsfall hos upp till hälften av de drabbade patienterna.

Endovaskulär terapi med platinaspiraler för att fylla aneurysmpåsen har blivit standardvården för de flesta aneurysm, men nyligen har ett nytt endovaskulärt tillvägagångssätt – en flödesavledare – utvecklats för att behandla cerebrala aneurysm. Flödesavledning innebär att en porös stent placeras över halsen på ett aneurysm för att omdirigera flödet bort från säcken, genererar lokala blodproppar i säcken.

"Vi har utvecklat en mycket töjbar, hyperelastisk flödesavledare som använder en mycket porös tunnfilmsnitinol, " Chun förklarade. "Ingen av de befintliga flödesavledarna, dock, tillhandahålla kvantitativa, realtidsövervakning av hemodynamik i säcken av cerebral aneurysm. Genom samarbetet med Dr. Yeos grupp på Georgia Tech, vi har utvecklat ett smart flödesavledaresystem som aktivt kan övervaka flödesförändringarna under och efter operationen."

Att reparera den skadade artären tar månader eller till och med år, under vilken flödesavledaren måste övervakas med hjälp av MRT- och angiogramteknik, vilket är kostsamt och involverar injektion av ett magnetiskt färgämne i blodomloppet. Yeo och hans kollegor hoppas att deras sensor kan ge enklare övervakning på en läkarmottagning med hjälp av en trådlös induktiv spole för att skicka elektromagnetisk energi genom sensorn. Genom att mäta hur energins resonansfrekvens ändras när den passerar genom sensorn, systemet kunde mäta blodflödesförändringar in i påsen.

"Vi försöker utveckla en batterilös, trådlös enhet som är extremt töjbar och flexibel som kan miniatyriseras tillräckligt för att ledas genom de små och komplexa blodkärlen i hjärnan och sedan utplaceras utan skador, " sa Yeo. "Det är en mycket utmanande att sätta in ett sådant elektroniskt system i hjärnans smala och konturformade blodkärl."

Sensorn använder ett mikromembran tillverkat av två metallskikt som omger ett dielektriskt material, och sveper runt flödesavledaren. Enheten är bara några hundra nanometer tjock, och produceras med nanotillverkning och materialöverföringstrycktekniker, inkapslad i ett mjukt elastomermaterial.

"Membranet avböjs av flödet genom avledaren, och beroende på styrkan i flödet, hastighetsskillnaden, mängden avböjning ändras, " förklarade Yeo. "Vi mäter mängden avböjning baserat på kapacitansförändringen, eftersom kapacitansen är omvänt proportionell mot avståndet mellan två metallskikt."

Eftersom hjärnans blodkärl är så små, flödesavledarna får inte vara mer än fem till tio millimeter långa och några millimeter i diameter. Det utesluter användningen av konventionella sensorer med stela och skrymmande elektroniska kretsar.

"Att sätta funktionella material och kretsar i något av den storleken är ganska omöjligt just nu, "Yeo sa. "Det vi gör är mycket utmanande baserat på konventionella material och designstrategier."

Forskarna testade tre material för sina sensorer:guld, magnesium och nickel-titan-legeringen känd som nitinol. Allt kan säkert användas i kroppen, men magnesium erbjuder potential att lösas upp i blodomloppet efter att det inte längre behövs.

Principbevis-sensorn var ansluten till en guidetråd i in vitro-testningen, men Yeo och hans kollegor arbetar nu på en trådlös version som skulle kunna implanteras i en levande djurmodell. Medan implanterbara sensorer används kliniskt för att övervaka abdominala blodkärl, tillämpning i hjärnan skapar betydande utmaningar.

"Sensorn måste vara helt komprimerad för placering, så den måste kunna sträcka sig 300 eller 400 procent, ", sa Yeo. "Sensorstrukturen måste kunna uthärda den typen av hantering samtidigt som den är formbar och böjd för att passa in i blodkärlet."