円筒投影リソグラフィで作製した柔軟なカテーテル上一体型センサーによる動脈内血圧の連続モニタリング

血圧を内部から観察する意義

高血圧は静かに動脈や臓器を損ないますが、臨床では今なおカフでの断続的測定や機器の大きな病院セットアップに頼ることが多いです。本論文は、医療用カテーテル上に直接作製した髪の毛ほどの細さの柔軟なセンサーを用いて、動脈内部から血圧を連続観察する新しい手法を示します。心臓や脳の処置を受ける患者や集中治療で厳密な監視が必要な患者にとって、このような極めて小さく正確なセンサーは、血圧追跡をより安全に、快適に、そして情報豊かにする可能性があります。

流体管から組み込み型スマートカテーテルへ

現在の臨床的な“ゴールドスタンダード”である連続血圧測定は、外部圧力変換器に接続された長い液充填チューブを使用します。精度は高いものの、これらのシステムは真の圧力波を歪め、感染リスクを高め、患者の可動性を制限する可能性があります。カテーテル先端や側面に取り付けた従来の小型シリコンチップは信号品質を改善しましたが、新たな妥協を生みました：ハードウェアは嵩張り、配線や防水パッケージングがカテーテルの滑らかな形状を乱し、チップをさらに小型化すると脆弱性や感度低下を招きます。本研究の著者らは、カテーテルに別個のセンサーを貼り付けるという発想を捨て、代わりにセンサーをカテーテルの外表面に直接作製することでこれらのトレードオフに取り組んでいます。

圧力を感じる薄い柔軟な“皮膚”

新しいデバイスの中核、カテーテル型介入圧力センサー（CIPS）は、カテーテルをぐるりと巻くように配置された小さな圧力感知ユニットの環からなり、柔軟な電子皮膚のように振る舞います。各ユニットはカテーテル壁に刻まれた浅い円形の窪みと、その上に懸架された“サンドイッチ”構造を組み合わせています。そのサンドイッチは、強度と電気感度で知られる一原子層厚の炭素材料であるグラフェンのシートと、非常に柔らかい二層のシリコーンから成ります。血圧がカテーテル周囲で上昇すると、この積層体が窪みにわずかにたわみます。グラフェンの電気抵抗は曲げに応じて変化し、血流の機械的な脈動を外部電子機器で読み取れる電気信号へと変換します。

明瞭な信号のための賢い配線と封止

この繊細な構造を実用的な医療機器に仕上げるため、研究者らは信号をきれいに取り出すことと、センサーを液中で安定に作動させることという二つの主要課題を解決しました。感知領域の下に櫛歯状の金属指（相互指状電極）を追加し、多数の並列電気経路を作っています。これにより基準抵抗が低下し、センサーの応答速度が速まり、感度が向上し、電子ノイズが低減します。同時に、感知層は医療用グレードの超薄いシリコーン二層で封止されます。第一層は製造中に脆弱なグラフェンを支持し、第二層は圧力測定のドリフトを引き起こす微小なガス経路を封じます。これらの設計により、センサーは0.4秒以内で応答し、低値から正常動脈値を大きく超える範囲までの圧力を検出でき、数ミリメートル水銀柱程度の小さな変化も識別可能です。

体のねじれや曲がりに対する工学設計

デバイスは、数百マイクロメートルというミリメートル未満の細いチューブの全周に電子回路をパターン形成できる円筒投影リソグラフィプロセスを用いて作られています。窪みをカテーテル壁に彫り込むことで、上に層を積み重ねる代わりに薄いプロファイルを維持し、厚さはわずか約15マイクロメートルの追加に留まります。これにより、薬剤投与やイメージング用光送などの標準的な作業のための内腔は完全に開いたままです。試験では、カテーテルが直線でも曲がっていてもセンサーの出力は安定しており、多くの圧力サイクルを経ても疲労を示しませんでした。同じ製造戦略は異なる直径のカテーテルにも適用可能であり、さまざまな介入用具へ応用が期待されます。

実験台から生きた動脈へ

空気中で性能を確認した後、研究者らは血管内の条件を模擬するためにカテーテルを水中に浸しました。近非圧縮性の液体のために感度はやや低下したものの、センサーは変化する圧力を線形に追跡し続けました。決定的な試験は生きたラットで行われ、研究チームは標準的な留置針を通してCIPSを腹大動脈に挿入し、動物の心拍に伴う規則的な圧力脈動を記録しました。デバイスは多くのサイクルにわたり明瞭で再現性のある信号を提供し、懸架グラフェン圧力センサーが生体血管内で作動することを示す初の実証となりました。長期埋め込みにはタンパク質付着や血栓を防ぐ追加の表面処理が必要ですが、これらの実験はこの概念が生物学的および機械的に実行可能であることを示しています。

将来の医療にとっての意義

日常的な観点から言えば、著者らは単なるカテーテルを、グラフェンベースのセンサーの“皮膚”で包み、柔らかく身体に優しい材料で封止することで、スマートで超薄型の圧力プローブに変えました。その結果、動脈内に置いて自然な曲率に追従し、かさばる外部チューブ無しでリアルタイムに詳細な血圧変化を報告できる器具が実現します。臨床に移行すれば、この技術は手術や集中治療時のより正確で低侵襲なモニタリングにつながる可能性があり、単一の小さなプラットフォーム上で複数のセンシングや治療機能を組み合わせたカテーテルへの道を開きます。

引用: Ye, F., Hou, J., Li, X. et al. A cylindrical projection lithography-fabricated flexible on-catheter in situ integrated sensor for continuous in-artery blood pressure monitoring. Microsyst Nanoeng 12, 126 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01242-z

キーワード: 血管内血圧モニタリング, グラフェン圧力センサー, 柔軟なカテーテルセンサー, マイクロ電気機械システム, 連続的ヘモダイナミクスモニタリング