磁性水凝膠輔助內鏡下黏膜剝離的體外實驗研究*

張苗苗，張涵芷，牟星宜，徐庶欽，雷鳳萍，李恒，常凱曦，呂毅，史愛華，嚴小鵬△

(1.西安交通大學第一附屬醫院肝膽外科,西安 710061；2.西安交通大學第一附屬醫院精準外科與再生醫學國家地方聯合工程研究中心,西安 710061；3. 西安交通大學啟德書院,西安 710061；4. 西安交通大學宗濂書院,西安 710061)

1 引 言

內鏡黏膜下剝離術(endoscopic submucosal dissection, ESD)治療消化道早癌因創傷小、治療效果確切，已成為消化道早癌的首選治療方案[1]。雖然ESD治療消化道早癌優勢明顯，但對操作者的技術水平要求高，學習曲線長，術中、術后可能會出現穿孔、出血、食管狹窄等并發癥，因此在基層醫院難以推廣[2]。常規ESD操作時，通過在黏膜下注射腎上腺素生理鹽水混合液、甘油果糖、水凝膠、玻璃酸鈉等液體來抬高病灶，并在黏膜下層與深層組織之間形成一個間隙，以利于鏡下操作[3]。目前，臨床常規使用的消化內窺鏡一般只有一個鉗道，在ESD操作時，常常缺乏“第三只手”幫助牽拉病變黏膜，顯露剝離面術野，這也是造成穿孔、出血等并發癥的重要原因之一。為改善ESD下操作術野的顯露，并為剝離操作提供一定的組織張力，一些消化內鏡醫生提出了諸如S-O夾牽引法[4]、橡皮筋牽引法[5]、組織夾輔助牽拉法[6]、經皮穿刺牽引法[7]等輔助牽拉方法，一定程度上改善了術者的ESD操作體驗。

磁錨定技術(magnetic anchor technique, MAT)是利用磁體與磁體，或磁體與順磁性物質之間的磁場吸引力，使錨定磁體對靶磁體進行非接觸性空間錨定的技術[8-9]。MAT可用于腔鏡手術中組織牽拉，如胸腔鏡肺葉切除[10-11]、肺結節定位[12]、腹腔鏡膽囊切除[13-15]、腹腔鏡闌尾切除[16]、腹腔鏡子宮切除[17]、腹腔鏡附件切除[18]、腹腔鏡結直腸切除[19]等，以減少戳孔數量。MAT也可用于內鏡下消化道黏膜剝離[20-21]和膀胱黏膜剝離術[22]。在上述MAT中，靶磁體均采用了固態磁體的設計方案。而磁流體作為新型磁性材料，同時具備液體和磁體特性，已有將其用于磁導航空腸營養管設計的報道[23]。本研究利用微米級Fe3O4顆粒與海藻酸鈉和鈣劑制備磁性水凝膠，并在離體的動物食管和胃黏膜上進行了模擬ESD操作。

2 設計原理

磁性水凝膠輔助ESD與之前研究報道的磁錨定技術輔助ESD均是基于磁錨定技術的基本原理，其區別在于用磁性水凝膠作為靶磁體替代了原來的圓柱狀磁體。操作上采用直接注射磁性水凝膠，免除靶磁體與病變黏膜鉗夾固定的過程。基本手術過程見圖1。

圖1 基于MAT的磁性水凝膠輔助ESD術[2]

3 磁性水凝膠及錨定磁體

3.1 磁性水凝膠

磁性水凝膠由磁溶液和鈣劑混合后發生凝膠化反應后形成。磁溶液由粒徑范圍5～20 μm的Fe3O4顆粒(CAS：1317-61-9上海阿拉丁生化科技股份有限公司)與2.5%的海藻酸鈉溶液(CAS：9005-38-3上海阿拉丁生化科技股份有限公司)按質量體積比為1 g:1 mL均勻組成，使用前振蕩混勻。用1%的葡萄糖酸鈣注射液作為鈣離子的提供者。磁溶液與鈣劑接觸后迅速發生化學反應形成凝膠狀態，因此,在使用時采用同軸雙通道注射裝置同時勻速注射磁溶液與鈣劑。圖2為磁溶液添加鈣劑前后的狀態對比情況，圖2(a)左側為磁溶液，右側為添加鈣劑后的磁溶液，由圖2(b)可知，傾斜塑料板后左側磁溶液仍為流體狀態，右側添加鈣劑的磁溶液已成為磁性水凝膠，呈非流體狀態。所形成磁性水凝膠的最大吸水量為2.79 g，吸水前后狀態見圖3。另外，同樣體積的磁溶液與不同量的葡萄糖酸鈣反應所形成的水凝膠的狀態不同，在1 mL的磁溶液中分別加入0.5、1、1.5、2 mL的葡萄糖酸鈣后，磁性水凝膠的狀態見圖4，可見加入1 mL葡萄糖酸鈣溶液時，磁溶液與葡萄糖酸鈣已完全反應形成磁性水凝膠。

圖2 磁溶液添加鈣劑后的狀態變化

圖3 磁性水凝膠的吸水量測試

圖4 不同體積的葡萄糖酸鈣溶液與1mL磁溶液形成磁性水凝膠的情況

3.2 錨定磁體

錨定磁體為圓柱體結構，采用N45燒結型釹鐵硼材料加工而成，磁體直徑50 mm，高140 mm，表面電鍍鎳，軸向飽和充磁，磁體外套薄厚5 mm的U形塑料外殼。錨定磁體表面場強6 500 GS。

4 磁力學性能測試

在5 mL離心管中分別裝入1、2、3 mL的磁溶液，將其水平固定于電子萬能試驗機(UTM6202，深圳三思縱橫科技股份有限公司)的上方夾具上。將錨定磁體固定于下方夾具上，分別測量三種體積的磁溶液在0～10 cm距離之間的磁力曲線。以F磁力(N)為縱坐標，以位移l(mm)為橫坐標，可分別繪制三條磁力-位移曲線，見圖5。

圖5 磁力學性能測試

5 離體模擬實驗

切取一片離體新鮮豬胃壁標本，利用同軸雙通注射裝置向擬切除的胃黏膜注射適量自行制備的磁溶液及鈣劑，然后將錨定磁體靠近標本，可見胃黏膜中的磁性水凝膠被錨定磁體吸起，剝離一側黏膜可見在錨定磁體的吸引下，黏膜剝離面顯露清晰并維持足夠的張力，見圖6(a)—(c)。胃黏膜剝離在磁性水凝膠和錨定磁體的配合下順利完成，見圖6(d)—(e)。

圖6 離體模擬磁性水凝膠輔助下ESD過程

6 討論

對病變黏膜進行靈活牽拉是改善ESD操作體驗的核心，也是降低出血、穿孔等并發癥的關鍵。現有技術從不同程度上改善了ESD操作的靈活性，但大部分方法較為繁瑣，并且需要特殊的牽拉輔助裝置，而這些牽拉輔助裝置大多為研究者自行設計制作，還未形成產品化，難以大范圍推廣應用。另一些專門為ESD操作設計研發的內窺鏡操作設備，如MASTER系統[24]、靈活內鏡手術平臺[25]、雙通道內鏡系統[26]等尚處于研發試用階段。

該研究基于磁錨定技術原理，通過在黏膜下注射磁性水凝膠，實現ESD操作時對黏膜的牽拉，具有以下優點：借助海藻酸鈉和鈣劑之間的快速化學反應實現磁溶液的凝膠化，通過同軸雙通道注射裝置同時注射磁溶液和鈣劑，可避免在注射磁溶液后磁溶液在組織間隙，甚至微血管內彌散；磁性水凝膠與錨定磁體之間的磁場力可為待剝離的黏膜提供足夠的牽拉力和手術視野；磁性水凝膠制備工藝簡單，海藻酸鈉組織相容性好；操作簡單，黏膜下注射磁性水凝膠后，只需體外放置錨定磁體即可通過調整錨定磁體的位置靈活改變黏膜的牽拉方向。

基于磁錨定技術的磁性水凝膠輔助ESD操作簡單，黏膜牽拉效果良好，剝離面術野暴露充分，且能夠提供一定的組織張力，可極大地改善ESD操作體驗。通過進一步優化磁性水凝膠的制備工藝和組份配比，在活體動物進行安全性驗證后，該技術有望在臨床推廣。