磁性水凝胶联合输尿管镜技术：猪模型中的肾结石高效清除新策略

《Device》：Magnetic retrieval of kidney stones via ureteroscopy in a porcine model

本研究针对输尿管镜激光碎石术后结石碎片清除不彻底的临床难题，开发了一种磁性水凝胶介导的磁力捕获系统。通过将超顺磁性氧化铁纳米颗粒（ferumoxytol）与壳聚糖（chitosan）水凝胶结合，实现对碎石片段的原位磁化，并利用特殊构型的磁性导丝进行批量捕获。猪模型实验证实该装置具有良好的安全性和可行性，残留水凝胶可通过生理性排尿清除，为提升结石清除率提供了创新解决方案。

　　

肾结石疾病正成为日益严重的全球健康问题，2018年美国患病率已达11%，较1994年的5.2%显著上升。这种由尿液中过饱和盐类结晶形成的硬质团块，在通过输尿管下行时可能造成尿路梗阻，引发肾内压力升高、尿液淤积，导致剧烈疼痛、感染甚至肾功能损伤。据统计，美国每年因肾结石相关的急诊就诊超过130万次，医疗支出高达40亿美元，且随着肥胖和糖尿病等风险因素的增加，预计到2030年将额外增加12亿美元的年均费用。

目前最常用的手术治疗方式是输尿管镜激光碎石术（ureteroscopic laser lithotripsy）。该技术通过尿道将带有工作通道的内窥镜插入上尿路，在生理盐水间歇冲洗下直视结石，利用激光光纤将结石击碎成通常小于4毫米的碎片以便取出。然而现有技术存在明显局限：传统网篮一次只能抓取一个碎片，清除大量结石需要反复进出操作，不仅耗时费力，还会增加组织创伤和败血症风险；而对于小于1-2毫米的碎片，网篮几乎无效。尽管有些医生选择将结石"粉末化"成亚毫米颗粒期待其自行排出，但约40%的患者术后仍存在残留碎片，其中近半数会出现并发症，30%的患者在5年内需要再次手术，风险增加近8倍。

为解决这一临床痛点，斯坦福大学研究团队开发了一种创新的磁性取石装置。该系统的核心在于通过磁性水凝胶对结石碎片进行磁化标记，再利用特殊设计的磁性导丝进行高效捕获。磁性水凝胶由两种成分组成：临床常用的静脉补铁剂超顺磁性氧化铁纳米颗粒（ferumoxytol）和生物相容性良好的天然聚糖壳聚糖（chitosan），两者在结石表面混合后迅速形成包覆层，赋予碎片磁响应性。

研究人员首先解决了设备与临床输尿管镜的兼容性问题。双腔注射导管（外径1毫米）可同时输送两种水凝胶前体，避免在生理盐水环境中因顺序注射导致的稀释问题；磁性取石导丝尖端采用10个直径0.75毫米的钕磁铁交替极性排列，产生强梯度磁场。两者均能通过标准输尿管镜工作通道（直径3.6法式）且不影响镜体270°弯曲功能。

在仿生肾脏模型中，团队发现ferumoxytol（密度1.19 g/cm3）在生理盐水（1.02 g/cm3）中易沉降，而壳聚糖溶液（0.98 g/cm3）会上浮，导致混合效果不佳。通过向壳聚糖中添加甘油调整密度后，磁粒子成像（MPI）显示结石磁化效果提升4倍。优化后的配方（ferumoxytol 30 mg Fe/mL + 0.5%壳聚糖含10%甘油）可实现单次注射捕获28个1-2毫米草酸钙碎片。

关键技术方法包括：采用双腔注射导管实现水凝胶前体同步输送，通过密度匹配优化磁化效果，利用磁粒子成像（MPI）定量评估铁氧化物沉积，在3D打印肾脏模型和猪模型中进行可行性验证，并通过组织病理学分析生物安全性。人体结石样本来自经斯坦福大学机构审查委员会批准的手术患者。

可行性验证与安全性评估

在急性猪模型研究中，装置成功实现了结石碎片的磁性取出。组织学分析显示，可行性组观察到的尿路上皮剥脱、慢性炎症等异常主要与输尿管镜操作和结石植入的机械创伤相关，而非水凝胶本身所致。专门的安全性实验中，大剂量水凝胶（约500μL ferumoxytol+1000μL chitosan）接触肾盂后仅引起轻度纤维蛋白渗出，未见炎症反应或尿路上皮剥脱。

水凝胶清除途径研究

为期1周的存活实验表明，故意留置在猪肾脏中的水凝胶可通过生理性排尿完全清除，未见肾积水、感染或晶体形成。MPI检测证实血液、尿液及主要器官均无铁氧化物残留。体外实验进一步量化清除效率：单纯冲洗可去除70%水凝胶，结合磁性导丝主动捕获可清除99.8%。

技术优势与临床价值

与传统网篮相比，磁性捕获仅需将导丝靠近碎片数毫米即可吸附，尤其适合难以抓取的小于2毫米碎片和下极结石。当碎片过大时，磁力会优先失效而避免输尿管撕脱风险。系统兼容现有输尿管镜平台，水凝胶形成迅速（数秒内），不影响手术流程。

结论与展望

该研究成功将磁性取石概念转化为功能完备的医疗设备原型，证实其在大型动物模型中的安全性和可行性。磁性水凝胶技术有望显著提高输尿管镜术后无石率，为大型（>1.5厘米）结石的单次微创治疗提供新策略，避免分期手术或更侵入性操作。未来研究将重点优化水凝胶配方（如实现1:1体积比注射）和磁体构型，并与现有标准进行头对头疗效比较。