长期静脉导管是癌症化疗、肠外营养等患者的“生命通道”，全球年使用量超10亿根，留置周期通常长达3个月。然而，长期置管不可避免地引发代谢紊乱、血流感染及肝肾损伤等并发症。当前临床监测依赖定期抽血，存在明显滞后性；现有植入式传感器监测窗口短，无法满足全周期需求。

  在血液环境中构建长期稳定传感界面面临双重瓶颈：一是传感器需在3个月植入期内持续抵抗蛋白质与血小板的非特异性吸附；二是导电连接必须在长期血液冲刷及数百万次生理形变下保持稳定传输。此外，常规抗污涂层虽能防污，却会遮蔽电化学传感位点、增加扩散阻力，导致传感性能下降。

  近日，张晔课题组开发了一种集成多分析物化学传感功能的智能导管系统。该导管由金属凝胶（Metalgel）导电互连层、双网络分子印迹聚合物（DMIP）传感层和柔性印刷电路板（FPCB）三部分构成。

  相关研究以”Chemical-Sensing Catheters for Long-Term and Personalized Therapeutic Management”为题，发表于Advanced Materials。南京大学现代工程与应用科学学院博士生李亦冉、硕士生曹馨尹、博士生栗乾明和硕士生柳欣遇为该论文的共同第一作者，南京大学现代工程与应用科学学院张晔教授为论文通讯作者，南京大学是该论文的第一单位。

图1. 化学传感导管的示意图

  研究团队创新性地将液态金属连续相固定在水性聚氨酯-山梨醇三维网络中，制备出兼具金属级导电性和优异机械耐久性的金属凝胶。该材料中液态金属质量分数高达94%，形成贯穿整个材料的导电通路，电子电导率达到2.1×10⁶ S·m^-1。与商用银浆、碳胶带等传统导电材料相比，金属凝胶在模拟静脉血流环境中表现出显著优势：经历100万次弯曲循环后电导率几乎无衰减，而商用银浆在不足10%的循环次数内即发生开裂失效。

  金属凝胶的强界面粘附源于山梨醇分子在固化过程中向表面的定向迁移，与传感层形成致密的氢键网络，粘附韧性高达217 J·m^-2。在模拟静脉环境（含持续弯曲与血流冲刷）中30天后，其粘附韧性仍保持在176 J·m^-2以上，界面阻抗仅为2.24 Ω·cm^-2（0.1 Hz），远低于传统导电胶带。

图2. 金属凝胶的结构与性能

  研究团队设计了一种由聚磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯（PSBMA）和聚邻氨基苯酚（POAP）构成的双网络防污传感材料。PSBMA通过强表面水合能力形成抗污屏障，POAP则提供对目标分子的特异性识别位点。该设计使传感层在高效抵抗纤维蛋白原和血小板粘附的同时，精准识别血液中的肌酐、牛磺胆酸、胆红素和牛磺酸等关键生物标志物。

  体内植入实验表明，传感器在3个月后对肌酐的检测稳定性仍高达96.45%，而传统分子印迹传感器降至19.06%。此外，传感器可通过电化学原位再生恢复识别能力，在260余次再生循环后仍保持初始响应，3个月植入后的电化学响应恢复率超过96.6%。

图3.传感器的结构与性能

化疗并发症的早期监测

  以顺铂诱导的肾损伤为模型，化学传感导管实现了对血液肌酐浓度的连续追踪。传统临床检查通常每3周进行一次，而导管在肌酐浓度达到峰值（约2.5倍正常值）时及时发出预警，为肾脏保护药物的介入提供了关键时间窗口。组织学分析显示，预警组的大鼠肾组织凋亡水平显著低于未监测组。

  在环磷酰胺诱导的肝损伤监测中，导管实时追踪了牛磺酸下降和胆红素上升的动态过程。基于导管预警的及时护肝干预，成功将胆汁酸和甘油三酯水平恢复至正常范围，避免了早期肝炎和肝纤维化的发生。

图4. 化学传感导管在化疗中的应用

肠外营养的个性化管理

  研究团队进一步将多模态传感数据与机器学习算法相结合，构建了基于反向传播（BP）神经网络的并发症风险评估系统。通过对钾离子、钙离子、过氧化氢、胆红素和牛磺酸五项指标的整合分析，系统可对肝损伤、高钙血症、高钾血症、炎症及正常五种状态进行准确判别，提前进行疾病预测，BP神经网络测试准确率达99.00%，独立验证集准确率达99.33%，可以实现场外营养患者的个性化管理。

图5. 基于机器学习的肠外营养并发症评估

  3个月的大鼠植入实验表明，化学传感导管具有良好的血液相容性和组织相容性。彩色多普勒超声显示植入部位无血栓形成；血液学指标与对照组无显著差异；凝血功能正常；主要器官组织学检查未见病理性改变。

  该工作通过设计金属凝胶与双网络分子印迹聚合物，开发了可长期稳定工作的化学传感导管，实现化疗与肠外营养患者血液标志物实时监测及并发症早期预警。该方法对长期静脉治疗并发症的动态监测具有重要价值。若进一步扩展标志物谱系并构建闭环治疗，将在个性化精准医疗与远程健康管理等方面具有重要意义。

  本工作得到了国家自然科学基金（52422310、22175086）、江苏省自然科学基金（BK20240169）和中国博士后科学基金（2023M731578）等项目的支持。

  论文链接https://doi.org/10.1002/adma.74221