周圍神經損傷(PNI)是導致永久性殘疾的最常見原因之一。治療性電刺激已廣泛應用于神經再生幾十年。結合植入神經袖帶，一些結果已被證明在神經假體應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修復。在神經刺激的情況下，長期植入納米發電機的研究目前依舊缺乏。特別是考慮到許多疾病模型，這些設備可能無法達到體外模擬工作環境。

鑒于此，近日天津醫科大學總醫院馮世慶教授、寧廣智主任醫師和天津科技大學曲志剛教授等人開發了一種植入式坐骨神經刺激系統，它可以隨著大鼠的運動，自發產生雙相電脈沖。該裝置產生的電信號可通過袖帶電極刺激損傷的坐骨神經。研究人員開發了一種由接觸分離納米摩擦電發生器與神經袖帶電極產生的可植入的自我調節神經電刺激系統，并將其與慢性治療性神經電刺激修復坐骨神經的效果進行了比較。在步態及組織學分析中觀察到了神經功能的恢復。此外，生長相關蛋白43的上調可能是一個保護性靶點。這可能有潛在的臨床應用，促進長期電刺激的閉環能量收集。相關工作以“Contact Separation Triboelectric Nanogenerator Based Neural Interfacing for Effective Sciatic Nerve Restoration”為題發表在最新一期的《Advanced Functional Materials》。

圖1. ISR-NES系統的設計和工作原理。

基于研究者之前開發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.)，在這項工作中，研究人員開發了一種可植入的自我調節神經電刺激(ISR-NES)系統。它能有效促進坐骨神經再生，具有同步調節能力。該系統集成了一個接觸分離摩擦電納米發生器(Cs-TENG)，由呼吸運動和有規律的活動驅動，以及合適的坐骨神經袖帶電極(圖1)。通過4周的動物試驗，ISR-NES系統表現出了高效的能量采集和良好的生物相容性，而Cs-TENG系統持續穩定的輸出。此外，研究者用直接證據表明ISR-NES系統可以通過增加生長相關蛋白(GAP43)在坐骨神經損傷部位的積累來加速軸突的生長，并且觀察到神經運動功能和其他生理功能如感覺神經動作電位(SNAP)的恢復。這項工作提供了一種實用的、自我反應的、無電池的神經刺激策略，并為功能性神經電刺激交替提供了前景和希望。

圖2. Cs-TENG的設計與表征。

【Cs-TENG的設計與表征】

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被用作帶負電荷的介質材料，而PA6被用作帶正電荷的介質材料，分別在PDMS和PA6薄膜背面粘貼鋁箔作為導電層。為了進一步提高摩擦電荷密度，在制備PA6薄膜時，通過噴涂銀納米線溶液生成銀納米線結構。這些銀納米線的直徑約為60 nm。兩種材料之間的間距越大，產生的輸出電壓就越高，如圖2c所示，輸出電壓與間距的關系曲線如圖2d所示。Cs-TENG在體外測試時的輸出性能如圖2f,g所示，測試結果顯示，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械響應，可以承受反復的扭轉和拉伸，允許在最小的力要求下自由地向各個方向移動。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系統的植入、輸出性能和生物相容性。

【TENG在體內的植入和表征】

植入后第四周，Micro-CT證實植入成功，體內穩定。沒有發生明顯的位移，整個系統保持完好(圖3b)。由于Cs-TENG的輸出功率與設備的尺寸成正比，因此將Cs-TENG植入更大的身體區域，如人體，可以獲得顯著的性能增益。由于大鼠的不規則運動，電壓輸出的波形不一致，但在整個實驗過程中，電壓峰值基本保持不變，結果證明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胞浸潤。這些結果表明，Cs-TENG具有良好的生物相容性和穩定的電壓輸出。

圖4. 再生坐骨神經的神經功能恢復。

【ISR-NES系統下坐骨神經功能恢復的評估】

坐骨神經功能指數(SFI)是一種被廣泛接受的通過分析趾展程度來評價坐骨神經運動功能的定量方法(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，功能恢復明顯改善(圖4c)。結果表明，慢性治療性電刺激和ISR-NES系統可加速運動功能的恢復。ISR-NES系統電刺激對坐骨神經功能恢復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。與CTL組相比，ES(+)和ISR-NES組的肌纖維區域得到了明顯的保護。

圖5. 比較各組坐骨神經擠壓傷4周后軸突再生情況。

【小結】

在這項工作中，研究者提出了一種ISR-NES系統作為一種有效的治療坐骨神經損傷的策略，它提供了相關的神經刺激信號，模擬自然電脈沖通過神經元流到粉碎的坐骨神經損傷部位。ISR-NES系統是基于連接到木材區域皮下的柔性Cs-TENG建立的，在腹部呼吸運動期間可以產生雙相電脈沖，日常活動與身體運動的生理狀態在頻率和強度上是同步的。將Cs-TENG與神經袖帶電極連接，主體運動產生的電壓信號可直接刺激受損神經，促進其恢復。從H&E染色的組織病理學結果來看，ISR-NES系統表現出良好的生物相容性，無任何系統性毒性和副作用跡象。CT掃描顯示植入非常穩定，在實驗期間保持在同一位置。結果顯示有效的神經修復和神經肌肉的改善。

原文鏈接：

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

來源：高分子科學前沿

標簽： 坐骨神經 接觸分離