Advanced Materials | 多功能鐵電生物電子實現(xiàn)長期安全有效迷走神經(jīng)調(diào)控抗炎
迷走神經(jīng)是連接大腦與身體關(guān)鍵器官的重要通路。通過植入式電極刺激該神經(jīng),可有效抑制體內(nèi)炎癥反應(yīng),為自身免疫疾病的治療提供全新策略。然而,傳統(tǒng)植入式神經(jīng)刺激器通常面臨三大挑戰(zhàn):剛性平面電極與柔軟曲面神經(jīng)的幾何形態(tài)難以匹配,術(shù)中縫合固定容易造成組織損傷,外源電刺激信號與天然生物電信號形式不同,難以實現(xiàn)自適應(yīng)通訊。上述問題嚴重制約了植入式神經(jīng)刺激器在體內(nèi)的長期安全性和有效性。
近日,中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院醫(yī)學(xué)成像科學(xué)與技術(shù)系統(tǒng)全國重點實驗室、醫(yī)工所智能醫(yī)用材料與器械研究中心杜學(xué)敏研究員團隊,在多功能鐵電生物電子領(lǐng)域取得了重要研究進展,相關(guān)成果以“Multifunctional ferroelectric bioelectronic interfaces for long-term biosafe vagus nerve modulation”為題,發(fā)表在國際權(quán)威期刊Advanced Materials上。
該研究提出的多功能鐵電生物電子界面(FBI)通過材料與結(jié)構(gòu)的協(xié)同創(chuàng)新,實現(xiàn)了對迷走神經(jīng)的自適應(yīng)貼合、免縫合固定,以及基于光控極化變化產(chǎn)生的仿生電信號刺激,在動物模型中展現(xiàn)出了長期安全、穩(wěn)定且高效的抗炎療效,為治療難治性自身免疫疾病帶來了新希望。
該FBI由三層功能材料協(xié)同整合而成,共同賦予其自卷曲、免縫合和仿生電信號輸出的多重功能(圖1)。其中,底層由具有優(yōu)異生物相容性的殼聚糖和海藻酸鈉天然多糖構(gòu)建的雙層水凝膠基底,在遇水后可自動卷曲成管,精準包裹直徑僅約0.5毫米的細小神經(jīng),實現(xiàn)無縫貼合;與此同時,水凝膠表面的活性基團可與神經(jīng)組織表面形成氫鍵和共價鍵,提供約50千帕的粘附強度,使器件無需縫合即可牢固固定于神經(jīng)表面。位于器件上層的聚偏氟乙烯-三氟乙烯鐵電高分子與碳納米管復(fù)合條帶(CNT/P(VDF-TrFE)),則可在近紅外(NIR)光照射下發(fā)生偶極子取向偏轉(zhuǎn),從而產(chǎn)生與天然神經(jīng)元極化變化所誘導(dǎo)動作電位相似的仿生電信號。基于此,該FBI能夠通過NIR遙控,有效刺激神經(jīng)細胞響應(yīng);與傳統(tǒng)硅基光電材料相比,其誘發(fā)的細胞毒性活性氧水平降低了16倍。在活體實驗中,F(xiàn)BI可自動卷曲包裹大鼠迷走神經(jīng)并實現(xiàn)自粘合,通過激活膽堿能通路進而有效降低血清中促炎細胞因子水平。植入自由活動的大鼠體內(nèi)長達60天后,F(xiàn)BI不僅未出現(xiàn)移位、神經(jīng)壓迫和局部炎癥,而且仍能保持與植入初期一致的抗炎效果。值得強調(diào)的是,F(xiàn)BI通過多功能融合,有效解決了傳統(tǒng)神經(jīng)刺激器與神經(jīng)組織長期存在的界面失配問題,不僅為迷走神經(jīng)刺激治療自身免疫疾病提供了更安全、持久的解決方案,其設(shè)計理念也有望推廣至其他周圍神經(jīng)和中樞神經(jīng)調(diào)控,以及腦機接口、組織工程等多個生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。
中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院醫(yī)學(xué)成像全國重點實驗室/智能醫(yī)用材料與器械研究中心杜學(xué)敏研究員為該論文的通訊作者,碩士研究生祝栩樂、趙啟龍副研究員為共同第一作者,北京大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院王韻教授為共同作者。該論文得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會、深圳市醫(yī)學(xué)研究專項、深圳市基礎(chǔ)研究計劃等科技項目支持。

上線截圖

圖1?集自卷曲、免縫合、仿生電信號多功能于一體的FBI設(shè)計

圖2 FBI長期安全有效調(diào)控大鼠迷走神經(jīng)抗炎
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