氣栓是外科手術、航太工作和深潜活動後易發的血管栓塞疾病。無論是由於治療、分娩或手術過程中外界氣體意外進入血液迴圈系統,還是由於體外壓強急劇下降而導致血液中溶解的氣體析出,都會造成血管內形成氣泡,而一旦氣泡無法及時排除,就很可能在微小血管中發生堵塞,形成氣栓,阻礙血液流動、造成組織和器官出現缺血性病變,引發肺動脈高壓、心腦血管梗塞,甚至危及生命。囙此,氣栓在臨床醫療中受到廣泛關注。然而,對於極易變形且與血管壁間存在潤滑膜的氣泡為何能在微小血管內承受較高的血流壓力而造成阻塞的問題,一直沒有合理的解釋。
清華大學機械工程系李永健課題組通過微流控晶片揭示了氣栓發生的新機理,並在動物試驗中得到驗證。在該研究中,研究者構造了類比微小血管的微流控晶片系統,觀測發現當液體介質為血液時氣泡在微通道中出現了停滯阻塞,而當液體介質換成相同黏度的甘油時氣泡不會出現堵塞。研究者進一步觀測了氣泡在血液中從運動到停止的過程,結合通過生物螢光顯微方法實时觀測到的血栓標誌物的變化、通過示踪粒子成像科技觀測到的氣泡周圍的流場,以及通過雙光干涉法測得的氣泡和壁面間潤滑膜的變化等結果,最終揭示了氣泡在血液中停滯阻塞的機制:進入微通道的氣泡在其自身周圍誘發出特殊的流場,促使血液中的血細胞和纖維蛋白原在氣泡尾部聚集並逐漸形成血栓,血栓改變了氣泡流動的潤滑狀態,導致其運動阻力大幅增加,最終形成氣栓。該機制在動物試驗中得到了驗證。該研究從微流體介面密封和潤滑的角度解釋了微小血管內氣栓發生的關鍵機制,有望為預防、治療和利用氣栓提供新策略。
(A)基於微流控血管晶片觀測氣栓形成過程(B)在動物實驗中觀測到微流場作用下氣泡尾部形成血栓而導致氣栓發生(C)粒子成像法觀測到微通道中氣泡尾部的迴旋流場,該流場導致血細胞等成分聚集而加速血栓生長。
本研究成果於6月21日以“氣泡周圍流場對微小血管氣栓發生的作用”(Flow Field around Bubbles on Formation of Air Embolism in Small Vessels)為題,在《美國科學院院刊》(Proceedings of National Academy of Science,PNAS)線上發表。
清華大學機械工程系博士研究生李中南為論文第一作者,李永健副教授為本文的第一通訊作者。清華大學醫學院、北京協和醫院和北京科技大學參與了該項研究。該研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計畫等專案資助。
論文連結:
https://www.pnas.org/content/118/26/e2025406118
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