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周圍神經(jīng)損傷(PNI)是導(dǎo)致永久性殘疾的最常見原因之一。治療性電刺激已廣泛應(yīng)用于神經(jīng)再生幾十年。結(jié)合植入神經(jīng)袖帶，一些結(jié)果已被證明在神經(jīng)假體應(yīng)用的有效性和可行性。然而，目前的電刺激策略無法完成神經(jīng)修復(fù)。在神經(jīng)刺激的情況下，長期植入納米發(fā)電機(jī)的研究目前依舊缺乏。特別是考慮到許多疾病模型，這些設(shè)備可能無法達(dá)到體外模擬工作環(huán)境。

鑒于此，近日天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院馮世慶教授、寧廣智主任醫(yī)師和天津科技大學(xué)曲志剛教授等人開發(fā)了一種植入式坐骨神經(jīng)刺激系統(tǒng)，它可以隨著大鼠的運(yùn)動(dòng)，自發(fā)產(chǎn)生雙相電脈沖。該裝置產(chǎn)生的電信號可通過袖帶電極刺激損傷的坐骨神經(jīng)。研究人員開發(fā)了一種由接觸分離納米摩擦電發(fā)生器與神經(jīng)袖帶電極產(chǎn)生的可植入的自我調(diào)節(jié)神經(jīng)電刺激系統(tǒng)，并將其與慢性治療性神經(jīng)電刺激修復(fù)坐骨神經(jīng)的效果進(jìn)行了比較。在步態(tài)及組織學(xué)分析中觀察到了神經(jīng)功能的恢復(fù)。此外，生長相關(guān)蛋白43的上調(diào)可能是一個(gè)保護(hù)性靶點(diǎn)。這可能有潛在的臨床應(yīng)用，促進(jìn)長期電刺激的閉環(huán)能量收集。相關(guān)工作以“Contact Separation Triboelectric Nanogenerator Based Neural Interfacing for Effective Sciatic Nerve Restoration”為題發(fā)表在最新一期的《Advanced Functional Materials》。

圖1. ISR-NES系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工作原理。

基于研究者之前開發(fā)的自供電偏心摩擦電納米傳感器(Ec-TENS) (Z. Qu, L. Wu, B. Yue, Y. An, Z. Liu, P. Zhao, J. Luo, Y. Xie, Y. Liu, Q. Wang, Z. Wang, R. Dai, W. Yin, Nano Energy 2019, 62, 348.)，在這項(xiàng)工作中，研究人員開發(fā)了一種可植入的自我調(diào)節(jié)神經(jīng)電刺激(ISR-NES)系統(tǒng)。它能有效促進(jìn)坐骨神經(jīng)再生，具有同步調(diào)節(jié)能力。該系統(tǒng)集成了一個(gè)接觸分離摩擦電納米發(fā)生器(Cs-TENG)，由呼吸運(yùn)動(dòng)和有規(guī)律的活動(dòng)驅(qū)動(dòng)，以及合適的坐骨神經(jīng)袖帶電極(圖1)。通過4周的動(dòng)物試驗(yàn)，ISR-NES系統(tǒng)表現(xiàn)出了高效的能量采集和良好的生物相容性，而Cs-TENG系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定的輸出。此外，研究者用直接證據(jù)表明ISR-NES系統(tǒng)可以通過增加生長相關(guān)蛋白(GAP43)在坐骨神經(jīng)損傷部位的積累來加速軸突的生長，并且觀察到神經(jīng)運(yùn)動(dòng)功能和其他生理功能如感覺神經(jīng)動(dòng)作電位(SNAP)的恢復(fù)。這項(xiàng)工作提供了一種實(shí)用的、自我反應(yīng)的、無電池的神經(jīng)刺激策略，并為功能性神經(jīng)電刺激交替提供了前景和希望。

圖2. Cs-TENG的設(shè)計(jì)與表征。

【Cs-TENG的設(shè)計(jì)與表征】

本工作選擇了具有不同摩擦極性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚酰胺6 (PA6)薄膜，以最大限度地提高摩擦電氣化效果。PDMS被用作帶負(fù)電荷的介質(zhì)材料，而PA6被用作帶正電荷的介質(zhì)材料，分別在PDMS和PA6薄膜背面粘貼鋁箔作為導(dǎo)電層。為了進(jìn)一步提高摩擦電荷密度，在制備PA6薄膜時(shí)，通過噴涂銀納米線溶液生成銀納米線結(jié)構(gòu)。這些銀納米線的直徑約為60 nm。兩種材料之間的間距越大，產(chǎn)生的輸出電壓就越高，如圖2c所示，輸出電壓與間距的關(guān)系曲線如圖2d所示。Cs-TENG在體外測試時(shí)的輸出性能如圖2f,g所示，測試結(jié)果顯示，電壓和電流的峰間值分別≈11.50±0.50 V和0.15±0.50A。所選用的包裝材料(如Ecoflex)具有良好的拉伸性能和對稱的機(jī)械響應(yīng)，可以承受反復(fù)的扭轉(zhuǎn)和拉伸，允許在最小的力要求下自由地向各個(gè)方向移動(dòng)。這種高度靈活和可伸縮的裝置對老鼠的日常行為也有最小的影響。

圖3. ISR-NES系統(tǒng)的植入、輸出性能和生物相容性。

【TENG在體內(nèi)的植入和表征】

植入后第四周，Micro-CT證實(shí)植入成功，體內(nèi)穩(wěn)定。沒有發(fā)生明顯的位移，整個(gè)系統(tǒng)保持完好(圖3b)。由于Cs-TENG的輸出功率與設(shè)備的尺寸成正比，因此將Cs-TENG植入更大的身體區(qū)域，如人體，可以獲得顯著的性能增益。由于大鼠的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，電壓輸出的波形不一致，但在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，電壓峰值基本保持不變，結(jié)果證明Cs-TENG能夠正常工作。植入后第四周這些器官的蘇木精和伊紅(H&E)染色(圖3d)。肝、腎未見變形和異常淋巴細(xì)胞浸潤。這些結(jié)果表明，Cs-TENG具有良好的生物相容性和穩(wěn)定的電壓輸出。

圖4. 再生坐骨神經(jīng)的神經(jīng)功能恢復(fù)。

【ISR-NES系統(tǒng)下坐骨神經(jīng)功能恢復(fù)的評估】

坐骨神經(jīng)功能指數(shù)(SFI)是一種被廣泛接受的通過分析趾展程度來評價(jià)坐骨神經(jīng)運(yùn)動(dòng)功能的定量方法(圖4a)。在損傷后第四周，觀察到ES(+)組(20.44±2.35)和ISR-NES組(21.27±2.31,p < 0.001)與對照組(32.41±1.18)相比，功能恢復(fù)明顯改善(圖4c)。結(jié)果表明，慢性治療性電刺激和ISR-NES系統(tǒng)可加速運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)。ISR-NES系統(tǒng)電刺激對坐骨神經(jīng)功能恢復(fù)和電生理有治療益處。肌纖維的平均橫截面面積是顯示肌肉萎縮的直接指標(biāo)。與CTL組相比，ES(+)和ISR-NES組的肌纖維區(qū)域得到了明顯的保護(hù)。

圖5. 比較各組坐骨神經(jīng)擠壓傷4周后軸突再生情況。

【小結(jié)】

在這項(xiàng)工作中，研究者提出了一種ISR-NES系統(tǒng)作為一種有效的治療坐骨神經(jīng)損傷的策略，它提供了相關(guān)的神經(jīng)刺激信號，模擬自然電脈沖通過神經(jīng)元流到粉碎的坐骨神經(jīng)損傷部位。ISR-NES系統(tǒng)是基于連接到木材區(qū)域皮下的柔性Cs-TENG建立的，在腹部呼吸運(yùn)動(dòng)期間可以產(chǎn)生雙相電脈沖，日?；顒?dòng)與身體運(yùn)動(dòng)的生理狀態(tài)在頻率和強(qiáng)度上是同步的。將Cs-TENG與神經(jīng)袖帶電極連接，主體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電壓信號可直接刺激受損神經(jīng)，促進(jìn)其恢復(fù)。從H&E染色的組織病理學(xué)結(jié)果來看，ISR-NES系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的生物相容性，無任何系統(tǒng)性毒性和副作用跡象。CT掃描顯示植入非常穩(wěn)定，在實(shí)驗(yàn)期間保持在同一位置。結(jié)果顯示有效的神經(jīng)修復(fù)和神經(jīng)肌肉的改善。

原文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202200269

來源：高分子科學(xué)前沿

標(biāo)簽： 坐骨神經(jīng) 接觸分離