摘要：胃食管反流病（GERD）是最常见的慢性胃肠道疾病之一，全球患病率高达33%。该疾病给患者和医疗系统带来沉重负担，常需频繁就医进行症状监测、随访和个性化治疗。GERD主要由下食管括约肌（LES）功能障碍引起，导致胃酸长期反流至食管。持续的酸暴露会破坏食管黏膜屏障

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胃食管反流病（GERD）是最常见的慢性胃肠道疾病之一，全球患病率高达33%。该疾病给患者和医疗系统带来沉重负担，常需频繁就医进行症状监测、随访和个性化治疗。GERD主要由下食管括约肌（LES）功能障碍引起，导致胃酸长期反流至食管。持续的酸暴露会破坏食管黏膜屏障，引发溃疡和上皮异型增生，这些是食管腺癌的癌前病变，而该癌症的五年生存率低至10%。现有药物治疗无法根治GERD，而外科手术常干扰正常胃食管生理功能。

来自复旦大学的孙雪梅等团队开发出一种经口递送的无创生物电子支架（E-stent），可在不影响食管正常功能的前提下实现GERD的实时闭环管理。该支架采用工业织机编织功能化纤维，经电镀和化学蚀刻工艺制成，集成了垂直排列的多通道pH/阻抗纤维传感器（用于反流检测）和带压力反馈的电刺激器。凭借与食管编织结构相当的形状记忆特性及低模量特性，支架能与食管蠕动同步运动而不影响生理功能。这些传感与电刺激模块以闭环模式运行：反流特异性pH和阻抗信号触发下食管括约肌刺激，压力传感器即时确认收缩效能。在GERD动物模型中，该支架对反流事件检测准确率达99.7%，在超过95%的反流事件中成功诱导括约肌收缩，且食管炎症反应可忽略不计。这种无创、生理相容的闭环生物E-stent为GERD管理提供了创新解决方案，通过实时干预阻止疾病进展并改善长期预后。相关工作以题为“A Non-invasive, Closed-Loop Electronic Stent for Real-Time Management of Gastroesophageal Reflux Disease”的文章发表在2025年10月08日的期刊《Advanced Fiber Materials》。

【创新型研究内容】

本研究受临床食管等空腔器官支架应用的启发，提出了一种可植入的电子支架，该器件集成了纤维基传感器与刺激器。这款E-stent在维持吞咽、分泌等关键生理活动兼容性的同时，实现了传感与治疗功能的同步运作（图1）。其传感模块融合pH与阻抗传感器，可精准识别反流事件。通过可编程编织技术，传感通道的数量与空间排布可定制化配置，从而实现食管环境的多通道时空图谱构建，并能准确区分反流与正常进食行为。治疗模块在食管下括约肌处配置电刺激器与压力传感器：当检测到反流时，刺激器立即诱发括约肌闭合，压力传感器则实时验证收缩效果。尽管食管持续进行机械活动，该E-stent通过其形状记忆结构与食管壁的相互作用，在植入后能长期稳定固定在目标位置。在胃食管反流病动物模型中，该支架对反流事件的检测准确率达99.7%，并通过电刺激引发的括约肌收缩成功抑制反流，在14天内持续保持超过95%的有效率。本文的E-stent构建了一个革命性的诊疗平台，为胃食管反流病提供长期、实时、个性化的管理方案，有望预防慢性食管损伤并降低恶性病变风险。

【E-stent的设计】

为确保进食与蠕动等正常食管生理功能，本文采用支架形态设计了功能化纤维电子器件的集成结构。在此结构基础上，为实现胃食管反流病的闭环管理，整合了pH与阻抗传感器用于检测反流事件，同时配置电刺激器与压力传感器作为食管下括约肌（LES）刺激及疗效反馈模块。为区分反流与正常进食，E-stent沿食管近端至远端（Ch1-Ch3，图1a）垂直排布多通道pH/阻抗传感器，可捕获时空信号特征。该支架能在不影响正常进食的前提下实现实时闭环治疗，有效管理胃食管疾病（图1b，图1c）。正常进食时pH值保持相对稳定，而阻抗信号呈现自上而下（Ch1至Ch3）的时序递减（图1d）；反流事件则表现为pH值与阻抗同步下降，且信号传播方向相反（Ch3至Ch1，图1d）。这种配置能对食管腔内生理与病理状态进行实时高分辨率监测，实现反流事件的早期识别与及时干预。为实现靶向治疗，在LES附近精准集成了电刺激器（图1a），并在远端设置柔性压力传感器监测刺激后的括约肌收缩，直接反馈治疗效果（图1d）。刺激器与压力传感器共同构成实时闭环控制：当系统检测到pH与阻抗的反流特征变化时，立即触发LES电刺激，随后压力升高确认收缩成功，在维持正常食管功能的同时完成治疗循环。与传统需改变解剖结构的侵入式手术不同，E-stent通过经口植入实现无创治疗，无需改变解剖结构。该方法不仅能针对病因实施闭环治疗以恢复LES功能，还可规避手术风险及解剖结构改变引发的长期并发症。本文的E-stent有望为胃食管反流病管理提供更安全、更普惠的治疗选择。

图1 E-stent的结构设计与闭环管理策略

【E-stent的制备与结构优化】

将功能纤维与裸露镍钛纤维装载至编织机主轴，以每分钟10圈的速度围绕中心杆进行编织，经180℃热处理30分钟后完成定型。基于该制造平台，E-stent大规模生产的关键挑战在于实现预设传感器功能段的精确定位，这些功能段后续将进行不同功能的加工处理。为在连续生产过程中实现多个支架功能段的均匀分布，本文通过设定单根纤维上功能段的间距（L）来实现这一目标，该间距由功能段的垂直偏移量（H）与支架直径（D）共同决定（图2a）。为实现单支支架内的垂直多通道集成，不同纤维的功能段在编织前需预设偏移距离（S）。如公式（2）所示，该偏移距离（S）根据支架直径（D）、功能段长度（I）及垂直间距（C）计算得出（图2b）。此外，通过将pH与阻抗功能纺锤相邻布置于编织机，本文实现了pH传感器与阻抗传感器在支架内部的水平对称集成（图2c）。综合运用这些集成方法，成功通过编织机制备出单通道与多通道构型的E-stent（图2d-e）。除结构设计的灵活性外，通过调整中心杆直径还可精准控制支架口径，从而支持针对不同患者解剖结构与反流严重程度的定制化设计（图2f）。

图2 E-stent的连续化制造与结构可调性

【E-stent的性能表现】

食管复杂的生理特性与微创植入要求对E-stent的机械性能提出了严苛标准。借助镍钛纤维基材固有的形状记忆特性，功能纤维展现出卓越的形变恢复能力——在经历50%应变下的1000次弯曲循环后，仍能保持完整的尺寸与形态复原。这种结构稳定性使得编织而成的E-stent具有优异的形状记忆性能。植入后评估证实，不同直径规格的支架均能可靠恢复预设构型（图3a,b），实现在输送导管内暂时压缩，抵达目标位置后精确展开。形状恢复后，支架可提供结构性支撑，有效维持管腔通畅。

食管蠕动依赖肌肉的协调收缩与舒张，因此除结构支撑外，E-stent还需具备与食管组织匹配的力学相容性，以避免干扰运动或造成组织损伤。为此，功能纤维经过工程化设计，其归一化模量（100±0.3）%和直径（100±0.7）%均与基准镍钛纤维相匹配，确保编织支架在各方向上力学行为一致。由于功能纤维与裸镍钛纤维力学性能相近，改变二者在支架中的比例对器件整体力学性能影响甚微。力学表征显示，支架在不同角度下的归一化压缩应力偏差均小于1%，证实其具备角度各向同性（图3c）。值得注意的是，所有直径规格的E-stent压缩应力均低于443Pa，远低于食管生理蠕动应力范围（1333-6000Pa），从而保障食管运动无障碍。除压缩应力外，模量是影响食管运动的另一关键力学参数。尽管功能纤维与镍钛纤维本身具有（37.1±0.1）MPa的高杨氏模量，但E-stent的交叉编织结构将其整体杨氏模量有效降低至（2.6±0.2）kPa，显著低于天然食管组织的（6.0±0.3）kPa（图3d）。这种低模量结构使得食管可自然进行蠕动而不受干扰。独特的交叉角度自适应机制在轴向/径向形变过程中促使纤维重新排列（图3e），避免了纤维直接弯曲/拉伸，防止局部应力集中。有限元模拟进一步证实，模拟蠕动过程中的应力集中可忽略不计（图3f）。该设计策略有效保障了正常蠕动功能，同时预防食管组织损伤。

图3 E-stent的力学与电化学性能

【植入后E-stent的稳定性、可靠性与生物相容性】

本文在大鼠模型中模拟无创临床支架植入流程，并评估E-stent的体内性能（图4a）。该装置通过导管经口咽部导入，推进管芯后释放。得益于其低压缩应力特性，支架能自然贴合食管壁，既不会过度拉伸也不会对管壁产生过量压力（图4b）。为实现闭环治疗，本文将无线信号采集处理系统集成于柔性基底，可实时持续监测反流事件并实施及时治疗，数据通过蓝牙传输至移动设备。针对食管环境中存在的进食、反流与蠕动等动态复杂化学环境，本文评估了器件在此类生理挑战下的功能稳定性。在经食糜与模拟胃液不规则灌饲的大鼠模型中，14天后电极信号保真度仍维持基线值的99%以上（图4c），传感与刺激位点的空间定位保持稳定（图4d）。E-stent功能模块的稳定性能确保了胃食管反流相关活动的可靠时空监测。

此外，本文评估了E-stent的原位诊断与治疗性能。尽管进食时食糜流动会产生干扰，垂直排布的pH与阻抗传感器仍能准确区分反流与进食事件。在进食大鼠中，阻抗传感器呈现Ch1至Ch3的时序信号变化，而pH值保持不变，指示进食行为（图4e）；模拟反流期间，pH与阻抗信号均显示Ch3至Ch1的下降趋势（图4f），从而实现高保真反流识别。模式识别分析证实三通道垂直传感器构型足以实现精准反流事件检测。当检测到反流事件时，装置立即向食管下括约肌施加刺激方案（参数为2mA、20Hz、200μs脉冲宽度的10个脉冲序列，该参数经前人研究验证可平衡疗效与组织安全性）。集成传感器检测到的压力上升证实了括约肌收缩及治疗有效性（图4f）。需特别指出，不当刺激频率（100Hz）与脉冲宽度（1ms）均会产生生理损害，可能导致无法引发有效去极化，或诱发神经递质耗竭与钙超载。

图4 E-stent的体内验证

【基于E-stent的动物模型GERD实时管理】

为验证E-stent的诊断与治疗效能，本文通过向食管下括约肌（LES）注射A型肉毒杆菌毒素建立胃食管反流病（GERD）大鼠模型，诱导暂时性括约肌松弛。随后经口无创植入E-stent，实施实时闭环反流管理。反流事件判定标准为pH值低于4或阻抗较基线下降≥50%。参照临床级一次性监测仪的验证结果，E-stent的反流识别准确率达99.7%。当检测到反流事件时，支架立即触发LES电刺激，诱导括约肌收缩并促进食管内酸性物质快速清除（图5a），实现急性症状缓解。未治疗组中，pH与阻抗信号的持续下降表明反流持续存在（图5b）；而E-stent治疗组则呈现即时治疗响应：通过LES刺激快速抑制反流，压力信号证实括约肌收缩，pH/阻抗水平恢复至基线（图5b）。植入14天后，E-stent仍能维持稳定的闭环管理功能，展现优异的长期工作能力（图5b）。该闭环治疗系统通过双重机制缓解GERD：一方面通过前述机制阻止反流持续，缩短酸暴露时间，实现急性症状控制；另一方面通过电刺激恢复LES功能进行长期治疗，逐步降低反流发生频率，进一步减少酸暴露时间。值得注意的是，E-stent组95%的实验对象在酸暴露时间与反流频率两项指标上均低于病理阈值（图5c）。与未治疗GERD大鼠相比，长期接受E-stent治疗组的酸暴露时间显著降低至（3.2±0.7）%（未治疗组为（8.2±1.9）%，≥4%视为病理反流）；反流总次数降至（28.6±17.5）次（未治疗组为（128.2±19.6）次，≥80次视为病理反流）（图5c）。相比之下，缺乏治疗功能的临床支架组与仅传感支架组，在酸暴露时间及反流频率方面与未治疗GERD组无统计学差异（P>0.5）。仅配备电刺激器的支架组（实施定期非闭环刺激）在治疗14天后呈现中度改善，酸暴露时间为（5.6±0.6）%，反流总次数为（86.9±9.8）次。尽管该组较未治疗组有所缓解，但其疗效仍逊于E-stent，凸显闭环刺激在有效控制反流方面的优越性。

图5 基于E-stent的大鼠模型长期实时GERD管理研究

【总结与展望】

本研究提出了一种具有形状记忆结构的新型E-stent，支持经口腔无创植入，并能在食糜流动与蠕动等动态生理条件下保持稳定的食管滞留性。该E-stent通过连续编织工艺将多功能纤维基电子元件集成至可植入治疗系统，并经过靶向后功能化处理，其设计兼具卓越的机械顺应性、优良的生物相容性，以及胃食管反流病的实时闭环个性化管理能力。在胃食管反流病大鼠模型中的体内实验表明，E-stent能在14天治疗周期内精准监测反流事件并触发即时电刺激。该干预措施有效抑制了胃酸反流，预防食管损伤，兼具急性症状缓解与累积治疗效果。实验动物在无干扰情况下表现出正常活动状态。作为经口腔植入的医疗器械，该支架可通过导管无创递送，无需外科手术。整个操作流程快速且耐受性良好，不会干扰自然吞咽或进食活动，为其长期生理相容性提供支撑。总体而言，E-stent代表了胃食管反流病个性化实时管理的革新平台，可减少患者频繁就诊需求，实现持续生理功能管理，对改善临床预后及预防包括食管恶性病变在内的相关并发症进展具有重要潜力。

来源：EngineeringForLife一点号