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Textiles 东华大学纺织学院王璐教授团队——仿生吞咽模拟装置揭示食管支架抗滑移机制

已有 794 次阅读 2026-10-10 17:37 |个人分类:学术软文|系统分类:论文交流

作者简介

第一作者

陶慧博士（东华大学纺织学院）

研究方向：生物医用纺织材料

通讯作者

王璐教授（东华大学纺织学院）

研究方向：生物医用纺织材料

赵帆特聘研究员（东华大学纺织学院）

研究方向：智能健康用纺织材料

林婧高级实验师（东华大学纺织学院）

研究方向：生物医用纺织材料测试技术

作者

李超婧副教授（东华大学纺织学院）

研究方向：生物医用纺织材料

王富军教授（东华大学纺织学院）

研究方向：生物医用纤维材料

张网（东华大学纺织学院）

研究方向：生物医用纺织材料

食管癌是全球高发的恶性肿瘤之一。对于无法手术的患者，食管支架植入是缓解吞咽困难、维持营养的核心姑息疗法。然而，支架术后移位率高达40%，常需二次手术，增加患者痛苦和经济负担。传统观点认为，径向支撑力是抵抗移位的唯一关键因素，但临床观察表明支架柔韧性同样影响显著，其具体机制尚不明确，且缺乏有效体外评价手段。来自东华大学纺织学院的王璐教授团队在Textiles 期刊发表文章，首次通过自主研发的仿生吞咽蠕动模拟装置，揭示了食管支架滑移的调控机制，为新一代抗滑移支架的设计提供了理论依据和体外验证平台。

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图1. 食管支架抗滑移机制分析与实验验证流程图

研究过程与结果

1.支架抗滑移机制分析

研究团队首先从力学平衡出发，推导出支架抗滑移系数 (AM) 的表达式，提出支架滑移不仅取决于径向力产生的静摩擦力，还受到有效接触面积和吞咽时能量耗散的影响，而这两者恰恰与支架的轴向弯曲刚度密切相关。这一理论为后续实验设计指明了方向。

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图2. 食管支架滑移机制分析

2.支架设计与结构-性能关系构建

研究团队进一步通过调节针织工艺参数，制备了15种不同结构的镍钛合金针织食管支架，系统揭示了结构参数与力学性能的关系：径向力随横密增大而增大，随纵密增大而减小；弯曲刚度随横密增大而增大，随纵密增大呈非单调变化 (先降后升)。

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图3. 针织食管支架构效关系分析

3.支架最大静摩擦力测试

团队采用目前最常用的抗滑移性能体外测试方法——最大静摩擦力测试，结果显示：当弯曲刚度相近时，径向力越大，静摩擦力越大；但当径向力相近而弯曲刚度不同时，静摩擦力无显著差异。这表明传统静态模型仅能反映径向力贡献，完全无法评估柔韧性的影响，因其无法模拟食管弯曲和动态蠕动过程。

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图4. 针织食管支架最大静摩擦力分析

4.仿生吞咽蠕动模拟装置的开发

针对上述局限，团队自主研制了仿生吞咽蠕动模拟装置。该装置维持37 ℃恒温，可输送人工唾液及不同黏度食团；仿生食管采用机织工艺，实现轴向与周向力学各向异性；吞咽滑块依据临床蠕动波参数设计滑块的内轮廓，对支架施加模拟生理真实的环形压缩刺激，在体外实现了连续的、无反向干扰的吞咽蠕动模拟。

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图5. 仿生吞咽蠕动模拟装置的设计

5.动态抗滑移功能测试

利用该装置，以150次吞咽循环后的滑移距离为指标，研究取得突破性结果：径向力越大，滑移距离越小，与静态测试一致；更关键的是，在径向力相近的条件下，弯曲刚度越大的支架滑移距离显著增大。机制在于：高刚度支架在弯曲段无法贴合食管壁，有效接触面积减小；而低刚度支架能通过线圈滑动和界面摩擦耗散更多吞咽能量。该发现首次通过体外实验为“轴向柔韧性独立影响滑移”提供了直接实验证据，解决了长期临床争议。

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图6. 动态抗滑移功能测试

6.环境因素的影响

研究还发现，食团黏度和肿瘤阻塞物也显著影响支架滑移风险。随着食团黏度增大，支架滑移距离显著增加，提示患者应避免高黏度食物。而肿瘤阻塞物因缩小管腔半径、增强径向锚固力，反而减小了滑移距离，但这也提示肿瘤消退后支架滑移风险可能反弹，临床需动态监控。

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图7. 环境因素对食管支架滑移的影响

研究总结

本研究通过理论分析阐明了食管支架滑移的力学机制，并系统验证了支架结构参数、力学性能与抗滑移功能之间的内在关系。研究表明，食管支架的抗滑移性能由径向力和轴向弯曲刚度共同调控：较高的径向力通过增大摩擦力增强锚定稳定性，而优异的轴向柔韧性则通过增大支架与食管的有效接触面积和吞咽过程中的能量耗散显著降低滑移风险。研究团队自主开发的食管吞咽蠕动模拟装置能够高度模拟体内生理环境，为食管支架的抗滑移性能评估提供了可靠的体外测试平台。该研究为新一代抗滑移食管支架的结构设计和临床适配提供了坚实的理论依据和方法论支撑。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/2673-7248/6/1/22