用于脑积水治疗的亚毫米鸭嘴阀的制造与体内测试

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脑积水 鸭嘴阀 颅内压 脑脊液 分流系统

微型鸭嘴阀在脑积水治疗中的制造与体内测试

学术背景

脑积水（Hydrocephalus）是一种由于脑脊液（Cerebrospinal Fluid, CSF）产生与吸收失衡导致颅内脑脊液积聚的复杂病理状态。脑脊液的积聚会导致颅内压（Intracranial Pressure, ICP）升高，进而对大脑造成损害。目前，脑积水的标准治疗方法是植入分流管（Shunt），将多余的脑脊液引流至腹腔。然而，分流管在长期使用中存在较高的故障率，导致患者需要多次手术修复或更换分流管。分流管故障的主要原因包括阻塞、感染、过度引流或引流不足等。因此，开发一种更可靠、性能更优的替代方案成为当前研究的重点。

本研究提出了一种微型鸭嘴阀（Duckbill Valve），旨在模拟蛛网膜颗粒（Arachnoid Granulations, AGs）的自然单向阀功能，以替代传统的分流管系统。蛛网膜颗粒是脑脊液从蛛网膜下腔（Subarachnoid Space, SAS）引流至上矢状窦（Superior Sagittal Sinus, SSS）的关键结构。通过设计一种能够在颅内植入的微型阀，研究团队希望减少传统分流管系统的并发症，并提供更有效的脑脊液引流方案。

论文来源

本论文由 Yuna Jung、Daniel Gulick 和 Jennifer Blain Christen 共同撰写，作者均来自美国亚利桑那州立大学（Arizona State University）的电气、计算机与能源工程系。论文于2024年发表在 Microsystems & Nanoengineering 期刊上，题为《Fabrication and in vivo testing of a sub-mm duckbill valve for hydrocephalus treatment》。

研究流程与结果

1. 鸭嘴阀的制造

研究团队采用聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS）作为材料，设计并制造了一种微型鸭嘴阀。制造过程包括以下几个步骤：

  • 光刻工艺：首先在硅片上旋涂一层光刻胶（Photoresist, PR），然后在其上旋涂PDMS预聚物，经过固化后，进行氧等离子体处理以增强PDMS与后续光刻胶层的粘附性。
  • 光刻图案化：在PDMS表面旋涂第二层光刻胶，通过紫外曝光和显影工艺，形成流体通道的图案。
  • PDMS层叠：在图案化的PDMS表面再次旋涂PDMS，固化后将其从硅片上剥离，形成双层PDMS结构。
  • 流体通道形成：通过丙酮溶解夹在两层PDMS之间的光刻胶，形成流体通道。
  • 硅胶管插入：将硅胶管插入PDMS层之间的间隙，并使用硅胶粘合剂密封。

2. 实验台测试

研究团队设计了一套实验台测试系统，用于评估鸭嘴阀的性能。测试系统包括一个可编程注射泵、压力传感器和流量传感器。通过该测试系统，研究人员测量了阀门的开启压力（Cracking Pressure）和流出阻力（Outflow Resistance）。实验结果表明，阀门在正向流动时表现出良好的单向性，反向泄漏几乎可以忽略不计。通过调整流体通道的宽度（w）和鸭嘴长度（l），研究人员能够将阀门的开启压力控制在传统分流阀的低压范围内（2.22 ± 0.07 mmHg）。

3. 动物实验

为了评估阀门在体内的性能，研究团队在大鼠模型上进行了实验。实验过程中，研究人员通过向大鼠的侧脑室注射生理盐水，模拟颅内压升高的状态，然后将阀门插入小脑延髓池（Cisterna Magna, CM），观察阀门对颅内压的调节效果。实验结果表明，在未处理状态下，颅内压从基线到峰值的变化超过20 mmHg，而在处理状态下，颅内压的变化保持在5 mmHg以下，表明阀门能够有效引流多余的脑脊液，降低颅内压。

结论与意义

本研究成功开发了一种微型PDMS鸭嘴阀，能够有效调节脑脊液的流动，降低颅内压。通过实验台测试和动物实验，研究团队验证了阀门的单向流动特性和低泄漏率。该阀门的简单设计使其能够通过调整关键参数（如流体通道宽度和鸭嘴长度）来精确控制开启压力，从而适应不同患者的需求。与传统的分流管系统相比，这种微型阀门具有更高的可靠性和更低的并发症风险。

研究亮点

  1. 创新设计：本研究提出了一种新型的微型鸭嘴阀，能够在颅内植入，模拟蛛网膜颗粒的功能，提供更自然的脑脊液引流路径。
  2. 精确控制：通过调整阀门的几何参数，研究人员能够精确控制阀门的开启压力，使其适应不同患者的生理需求。
  3. 体内验证：动物实验结果表明，阀门能够有效降低颅内压，验证了其在体内的可行性和有效性。

未来研究方向

尽管本研究取得了初步成功，但仍有一些问题需要进一步研究。例如，阀门的长期植入性能、材料耐久性以及在大动物模型中的测试等。此外，研究团队计划开发一种无线遥测系统，用于实时监测颅内压的变化，以进一步优化阀门的设计和性能。

总结

本研究为脑积水的治疗提供了一种新的解决方案，通过微型鸭嘴阀的设计与测试，展示了其在调节颅内压方面的潜力。该研究不仅具有重要的科学价值，还为未来的临床应用提供了新的思路。