新型热致变色心肌仿体在射频消融与冷冻消融中的应用：一种安全、经济且可重复的动物实验替代方案

为解决心脏电生理领域动物实验的伦理、成本及样本异质性难题，研究人员开发了一种新型热致变色海藻酸盐水凝胶仿体材料。该材料可同时模拟射频消融(RCA)与冷冻消融，其电导率、硬度及热导率与离体猪心肌高度匹配，并能通过颜色变化直观显示病灶。研究为心脏消融技术的设备测试与操作培训提供了标准化、非动物源性解决方案，具有重要临床转化价值。

　　

在心脏电生理学快速发展的今天，心脏消融术（Cardiac Ablation, CA）已成为治疗心律失常的重要手段。该技术通过导管对目标组织进行加热（射频消融，Radiofrequency Cardiac Ablation, RCA）或冷冻（冷冻消融），造成局部瘢痕化，从而阻断或破坏心脏内的异常电信号通路。然而，当前设备测试与参数优化严重依赖离体（ex-vivo）或在体（in-vivo）动物模型（如猪、狗、鸡），这不仅面临日益严格的伦理审查，还存在样本来源不稳定、个体差异大、实验结果可比性差等瓶颈。此外，现有组织模拟材料或多存在毒性（如聚丙烯酰胺的神经毒性及致癌风险），或其物理特性（如电导率、热导率、机械硬度）与真实心肌组织匹配不佳，且尚无一种材料能同时满足RCA与冷冻消融的测试需求。

针对这一空白，本研究开发了一种基于海藻酸盐的新型热致变色水凝胶材料。该材料采用安全无毒的原料，可在15分钟内快速制备，成本低于3英镑/批次，并能通过嵌入对温度敏感的无害色素，在RCA所需高温（50-60°C）与冷冻消融所需低温（-40至-80°C）下发生不可逆的颜色变化，从而直观显示消融病灶的边缘与尺寸。这项工作为心脏电生理研究提供了一种伦理合规、经济高效且结果可重复的动物实验替代方案，相关材料配方经过优化后亦有望用于模拟其他组织，具有广阔的临床应用前景。该研究已发表于《Scientific Reports》。

研究采用的主要技术方法包括：1）材料制备：以海藻酸盐为凝胶基质，分别掺入三种热致变色色素（SFXC、NNC、Kromagen）形成导电水凝胶；2）物理特性表征：使用定制电阻盒测量电导率，线性驱动器搭载硬度计测量OO Shore硬度，热导率分析仪测量热导率，并以离体猪心肌数据为基准进行对比；3）消融模拟：在温控盐水槽中，使用临床级CARTO 3系统及Thermocool SmartTouch导管进行RCA（30W，20s），使用Medtronic CryoCath系统及Arctic Front Advance球囊进行冷冻消融（3min，N₂O制冷），并数字化测量病灶尺寸；4）统计分析：将所得数据与已发表的离体（猪心肌）及在体（犬）实验数据进行统计学比较。

结果

Alginate formulation

成功制备出五种藻酸盐混合物（两种对照，三种着色），着色混合物均显示出与色素对应的灰色、红色和黄色色调。所有批次制备时间均在15分钟以内，成本均低于3英镑。

Electrical resistivity

所有着色藻酸盐的电电阻率（SFXC: 7.4±0.6 Ωm, NNC: 7.1±0.2 Ωm, Kromagen: 7.0±0.5 Ωm）均显著低于对照混合物，且与离体猪心肌的电电阻率（7.6±0.6 Ωm）无统计学差异，表明其电学特性与真实心肌组织高度匹配。

Hardness

NNC（21±2 OO）和Kromagen（19±2 OO）混合物的硬度与文献报道的心肌硬度（20±7.5 OO）无显著差异，而SFXC混合物（27±2 OO）则显著更硬，这可能与其使用的干性颜料吸水有关。

Thermal conductivity

三种着色混合物的平均热导率（SFXC: 0.67±0.02 W/m K, NNC: 0.62±0.02 W/m K, Kromagen: 0.58±0.05 W/m K）分别与文献中离体猪心肌在不同测量条件下的热导率参考值无统计学差异，表明其热学特性符合模拟要求。

Radiofrequency ablation

所有着色混合物在RCA后均产生可见病灶。其病灶深度（SFXC: 3.8±0.3 mm, NNC: 3.8±0.4 mm, Kromagen: 3.7±0.4 mm）和宽度（SFXC: 7.8±0.8 mm, NNC: 7.9±0.9 mm, Kromagen: 8.0±0.7 mm）与文献中离体猪心肌的病灶尺寸无显著差异，且方差更小，表明结果重复性更优。SFXC和NNC的病灶与背景色对比度最高（分别为5.4:1和4.4:1），边界清晰。

Cryoablation

仅SFXC和NNC混合物对冷冻消融产生永久性颜色变化。NNC的病灶深度（5.2±0.3 mm）与文献中在体犬实验数据无显著差异，而SFXC的病灶深度（6.9±0.6 mm）则显著偏大。Kromagen未能保持冷冻后的颜色变化，不适用于冷冻消融模拟。

讨论与结论

综合各项测试结果，NNC藻酸盐混合物在电学、力学及热学特性上均与离体猪心肌无显著差异，并能同时真实模拟RCA与冷冻消融的病灶尺寸，是整体性能最佳的选择。SFXC混合物在电学、热学特性及颜色对比度上表现优异，但其硬度偏高且冷冻消融病灶偏大。Kromagen混合物因颜色对比度低且无法用于冷冻消融，实用性较差。

本研究首次成功开发出一种安全、经济、制备快速且能同时模拟两种主流心脏消融技术的组织模拟材料。该材料克服了传统动物模型和现有仿体材料的诸多缺陷，为心脏电生理领域的设备研发、参数优化及医师培训提供了高度标准化、可重复且伦理合规的测试平台。其成功应用将有望减少对动物实验的依赖，加速新型消融技术与器械的临床转化。未来研究可进一步探索将该材料3D打印成心脏仿体形状，并模拟血流灌注，以构建更为逼真的训练与测试环境。