磁性水凝胶辅助内镜下黏膜剥离的体外实验研究*

张苗苗，张涵芷，牟星宜，徐庶钦，雷凤萍，李恒，常凯曦，吕毅，史爱华，严小鹏△

(1.西安交通大学第一附属医院肝胆外科,西安 710061；2.西安交通大学第一附属医院精准外科与再生医学国家地方联合工程研究中心,西安 710061；3. 西安交通大学启德书院,西安 710061；4. 西安交通大学宗濂书院,西安 710061)

1 引 言

内镜黏膜下剥离术(endoscopic submucosal dissection, ESD)治疗消化道早癌因创伤小、治疗效果确切，已成为消化道早癌的首选治疗方案[1]。虽然ESD治疗消化道早癌优势明显，但对操作者的技术水平要求高，学习曲线长，术中、术后可能会出现穿孔、出血、食管狭窄等并发症，因此在基层医院难以推广[2]。常规ESD操作时，通过在黏膜下注射肾上腺素生理盐水混合液、甘油果糖、水凝胶、玻璃酸钠等液体来抬高病灶，并在黏膜下层与深层组织之间形成一个间隙，以利于镜下操作[3]。目前，临床常规使用的消化内窥镜一般只有一个钳道，在ESD操作时，常常缺乏“第三只手”帮助牵拉病变黏膜，显露剥离面术野，这也是造成穿孔、出血等并发症的重要原因之一。为改善ESD下操作术野的显露，并为剥离操作提供一定的组织张力，一些消化内镜医生提出了诸如S-O夹牵引法[4]、橡皮筋牵引法[5]、组织夹辅助牵拉法[6]、经皮穿刺牵引法[7]等辅助牵拉方法，一定程度上改善了术者的ESD操作体验。

磁锚定技术(magnetic anchor technique, MAT)是利用磁体与磁体，或磁体与顺磁性物质之间的磁场吸引力，使锚定磁体对靶磁体进行非接触性空间锚定的技术[8-9]。MAT可用于腔镜手术中组织牵拉，如胸腔镜肺叶切除[10-11]、肺结节定位[12]、腹腔镜胆囊切除[13-15]、腹腔镜阑尾切除[16]、腹腔镜子宫切除[17]、腹腔镜附件切除[18]、腹腔镜结直肠切除[19]等，以减少戳孔数量。MAT也可用于内镜下消化道黏膜剥离[20-21]和膀胱黏膜剥离术[22]。在上述MAT中，靶磁体均采用了固态磁体的设计方案。而磁流体作为新型磁性材料，同时具备液体和磁体特性，已有将其用于磁导航空肠营养管设计的报道[23]。本研究利用微米级Fe3O4颗粒与海藻酸钠和钙剂制备磁性水凝胶，并在离体的动物食管和胃黏膜上进行了模拟ESD操作。

2 设计原理

磁性水凝胶辅助ESD与之前研究报道的磁锚定技术辅助ESD均是基于磁锚定技术的基本原理，其区别在于用磁性水凝胶作为靶磁体替代了原来的圆柱状磁体。操作上采用直接注射磁性水凝胶，免除靶磁体与病变黏膜钳夹固定的过程。基本手术过程见图1。

图1 基于MAT的磁性水凝胶辅助ESD术[2]

3 磁性水凝胶及锚定磁体

3.1 磁性水凝胶

磁性水凝胶由磁溶液和钙剂混合后发生凝胶化反应后形成。磁溶液由粒径范围5～20 μm的Fe3O4颗粒(CAS：1317-61-9上海阿拉丁生化科技股份有限公司)与2.5%的海藻酸钠溶液(CAS：9005-38-3上海阿拉丁生化科技股份有限公司)按质量体积比为1 g:1 mL均匀组成，使用前振荡混匀。用1%的葡萄糖酸钙注射液作为钙离子的提供者。磁溶液与钙剂接触后迅速发生化学反应形成凝胶状态，因此,在使用时采用同轴双通道注射装置同时匀速注射磁溶液与钙剂。图2为磁溶液添加钙剂前后的状态对比情况，图2(a)左侧为磁溶液，右侧为添加钙剂后的磁溶液，由图2(b)可知，倾斜塑料板后左侧磁溶液仍为流体状态，右侧添加钙剂的磁溶液已成为磁性水凝胶，呈非流体状态。所形成磁性水凝胶的最大吸水量为2.79 g，吸水前后状态见图3。另外，同样体积的磁溶液与不同量的葡萄糖酸钙反应所形成的水凝胶的状态不同，在1 mL的磁溶液中分别加入0.5、1、1.5、2 mL的葡萄糖酸钙后，磁性水凝胶的状态见图4，可见加入1 mL葡萄糖酸钙溶液时，磁溶液与葡萄糖酸钙已完全反应形成磁性水凝胶。

图2 磁溶液添加钙剂后的状态变化

图3 磁性水凝胶的吸水量测试

图4 不同体积的葡萄糖酸钙溶液与1mL磁溶液形成磁性水凝胶的情况

3.2 锚定磁体

锚定磁体为圆柱体结构，采用N45烧结型钕铁硼材料加工而成，磁体直径50 mm，高140 mm，表面电镀镍，轴向饱和充磁，磁体外套薄厚5 mm的U形塑料外壳。锚定磁体表面场强6 500 GS。

4 磁力学性能测试

在5 mL离心管中分别装入1、2、3 mL的磁溶液，将其水平固定于电子万能试验机(UTM6202，深圳三思纵横科技股份有限公司)的上方夹具上。将锚定磁体固定于下方夹具上，分别测量三种体积的磁溶液在0～10 cm距离之间的磁力曲线。以F磁力(N)为纵坐标，以位移l(mm)为横坐标，可分别绘制三条磁力-位移曲线，见图5。

图5 磁力学性能测试

5 离体模拟实验

切取一片离体新鲜猪胃壁标本，利用同轴双通注射装置向拟切除的胃黏膜注射适量自行制备的磁溶液及钙剂，然后将锚定磁体靠近标本，可见胃黏膜中的磁性水凝胶被锚定磁体吸起，剥离一侧黏膜可见在锚定磁体的吸引下，黏膜剥离面显露清晰并维持足够的张力，见图6(a)—(c)。胃黏膜剥离在磁性水凝胶和锚定磁体的配合下顺利完成，见图6(d)—(e)。

图6 离体模拟磁性水凝胶辅助下ESD过程

6 讨论

对病变黏膜进行灵活牵拉是改善ESD操作体验的核心，也是降低出血、穿孔等并发症的关键。现有技术从不同程度上改善了ESD操作的灵活性，但大部分方法较为繁琐，并且需要特殊的牵拉辅助装置，而这些牵拉辅助装置大多为研究者自行设计制作，还未形成产品化，难以大范围推广应用。另一些专门为ESD操作设计研发的内窥镜操作设备，如MASTER系统[24]、灵活内镜手术平台[25]、双通道内镜系统[26]等尚处于研发试用阶段。

该研究基于磁锚定技术原理，通过在黏膜下注射磁性水凝胶，实现ESD操作时对黏膜的牵拉，具有以下优点：借助海藻酸钠和钙剂之间的快速化学反应实现磁溶液的凝胶化，通过同轴双通道注射装置同时注射磁溶液和钙剂，可避免在注射磁溶液后磁溶液在组织间隙，甚至微血管内弥散；磁性水凝胶与锚定磁体之间的磁场力可为待剥离的黏膜提供足够的牵拉力和手术视野；磁性水凝胶制备工艺简单，海藻酸钠组织相容性好；操作简单，黏膜下注射磁性水凝胶后，只需体外放置锚定磁体即可通过调整锚定磁体的位置灵活改变黏膜的牵拉方向。

基于磁锚定技术的磁性水凝胶辅助ESD操作简单，黏膜牵拉效果良好，剥离面术野暴露充分，且能够提供一定的组织张力，可极大地改善ESD操作体验。通过进一步优化磁性水凝胶的制备工艺和组份配比，在活体动物进行安全性验证后，该技术有望在临床推广。