出生时患有特定心脏缺陷的儿童通常在早期需要多次侵入性手术。第一次手术通常涉及放置一种称为分流器的设备，以促进更好的血液循环。然而，随着这些儿童的发展，分流器通常需要更换以适应他们日益增长的身体。研究人员现在创造了一种革命性的分流器，它在光的激发下可以扩展。这个创新的设备有可能减少需要开胸手术的次数。
出生时心脏缺陷影响心脏的下腔的儿童通常在早期生活中面临一系列侵入性程序。最初，植入一个名为分流器的塑料管，以增强血流。然而，随着他们的成长，这些儿童常常需要更换分流器以适应他们变化的解剖结构。研究人员现在推出了一种能够在光激活下扩展的分流器。如果成功，这种新设备可能显著降低这些儿童需要的开胸手术的频率。
研究结果将在即将召开的美国化学学会（ACS）秋季会议上分享。
根据正在展示这项研究的克里斯托弗·罗德尔的说法，“在外科医生首次放置管道后，这些儿童通常还需要另外两次、三次甚至四次手术，仅仅是为了植入稍大一些的管道。我们的目标是利用插入其中的发光导管从内部扩展分流器，完全消除进一步手术的需要。” 罗德尔是一名德雷克塞尔大学的生物医学工程助理教授。
先天性心脏缺陷影响心脏的心室，导致血液流向肺部和身体其他区域减少。没有外科干预，这些患有这种状况的婴儿无法存活。通常，这些婴儿一开始可能出生较小，但在首次分流手术后可以迅速成长。为了跟上他们的成长，通常需要额外的开胸手术。每一次手术干预都伴随着固有的风险。在一项涉及360名接受初次心脏重建的患者的研究中，有41人需要进一步手术以更换更大的分流器，而七名患者因此失去了生命。
此前，罗德尔在德雷克塞尔大学的同事艾米·索克莫顿和卡拉·斯皮勒开发了一种可扩展的原型，旨在取代最常见类型的分流器。他们通过在管道内表面涂层一种由交联键相互连接的聚合物制成的水凝胶来实现这一点。当新的交联键形成时，水从水凝胶中排出，从而聚合物相互拉近，导致水凝胶收缩并增加分流器的内径。最初的原型能够自动启动交联的形成，而无需任何外部激活。
罗德尔与索克莫顿和斯皮勒合作，改进了分流器，确保构造材料对临床应用是安全的，并且可以根据儿童的个体需求进行调节。他为一种水凝胶创造了新聚合物，该水凝胶能够在特定触发下形成新的交联。为了实现按需触发交联，罗德尔选择了蓝光，因为它在提供反应所需能量的同时对活体组织是安全的。
“光一直是我喜欢的触发器，因为它允许你控制何时何地使用它，”罗德尔指出。
对于更新的设备，罗德尔与研究生秋山·赛纳合作，利用一种光纤导管——本质上是一个长而细的管子，末端发光。为了激活分流器内的光敏水凝胶，计划是外科医生将导管插入腋下的动脉中并引导到位，从而避免需要打开儿童的胸腔。
在实验室测试中，研究人员发现他们可以以可控的增量扩展分流器。扩展的量取决于设备暴露在光下的时间——表明可以在植入后单独为每个儿童进行调整。他们能够将分流器的大小增加到40%，将其直径从3.5毫米扩大到5毫米——几乎达到用于小患者的最大分流器的大小。他们还研究了对血细胞和血管的影响，发现植入管没有血栓、炎症反应或其他不良健康影响的迹象。
该团队的下一步是测试具有完整长度的分流器原型，模拟人类循环系统。如果这些测试结果积极，他们将推进涉及动物模型的实验。根据罗德尔的说法，这项技术可以用于治疗单心室心脏疾病以外的目的。外科医生也可以使用类似的管道来重建遭受车祸等伤害的儿童的血管。
“这些医疗程序面临类似的挑战：儿童并不仅仅是小成人；他们仍在成长，”罗德尔解释道。“考虑这些移植物在生物材料方面随着时间的推移如何表现是至关重要的。”
这项研究获得了哈特威尔基金会的资助。
