利用超声波激励实现无线化可控电刺激促进脊髓损伤的修复

脊髓损伤的瘫痪大鼠在植入可降解3D压电支架后，利用超声波激励实现无线化可控电刺激，从而促进了其脊髓损伤的修复。

这不是天方夜谭，而是现实的实验结果。审稿人对该研究评价道：“在体电刺激在组织工程中具有重要的应用前景，作者提出的超声波结合可降解压电支架实现可控在体电刺激的这一新概念是非常有意义的。”

对再生医学来说，这无疑是个好消息，那么，它是如何做到的呢？



图丨基于可生物降解3D压电支架的无线化电刺激促进脊髓损伤修复。

（A）基于可生物降解高性能3D压电支架的超声驱动无线化电刺激促进脊髓损伤区域的神经再生；（B）聚乳酸/铌酸钾钠纳米线复合压电材料的制备工艺；（C）3D压电支架制备工艺（来源：ACS Nano）

近期，华中科技大学与武汉理工大学团队研发了一种可生物降解3D压电支架，利用可编程超声以远程无线的方式控制其在体电刺激功能。

此外，他们还在大鼠模型的相关实验中，成功验证了该3D压电支架对于大鼠脊髓损伤具有显著修复功能，为再生医学的在体电刺激方案亮出全新的解决途径。

前不久，相关论文以《基于可生物降解3D压电支架的无线供电电刺激促进脊髓损伤修复》（Wirelessly Powered Electrical-Stimulation Based on Biodegradable 3D Piezoelectric Scaffolds Promotes the Spinal Cord Injury Repair）为题发表在ACS Nano期刊上。

 

该论文第一作者为华中科技大学博士生陈萍，论文共同通讯作者为华中科技大学生命科学与技术学院罗志强教授以及武汉理工大学复合新技术国家重点实验室戴红莲教授。

3D压电支架的“三合一”功能

该团队利用静电纺丝的方法，把聚乳酸纳米纤维以及铌酸钾钠纳米线制备成3D压电支架，在同一压电生物材料上实现了功能的“三合一”，即同时满足材料的生物可降解性、可控电刺激功能和组织工程多孔支架功能。

其实，对组织修复过程使用电刺激的研究在国内外受到广泛的重视。但多数研究是把植入电极从皮下引出，利用体外的电刺激设备进行相关研究。

从本质上来说，实现在体电刺激的“无线化和可控性”技术是该研究的亮点，其关键点在于超声的可编程控制。

也就是说，使用者在电刺激的时间节点、刺激时长、刺激强度上都可根据需求自主控制。

研究人员在实验中发现，基于超声驱动和3D压电纳米纤维的无线化电刺激，能在体外使神经干细胞分化成神经元。

与此同时，体内研究表明，如果进行适当的超声辐照，通过3D压电支架提供的在体电刺激有利于运动恢复，并可促进脊髓损伤的修复。

据悉，该研究历时两年半的时间，基于该团队之前关于超声波激励可植入纳米发电机的外周神经可控电刺激研究成果在组织工程神经修复领域的探索。

一般来说，使用压电的材料进行神经修复已有报导，而该团队成员在相关课题的研究中发现，铌酸钾钠纳米线压电材料具有良好的生物降解性和生物相容性。

于是，他们进一步提出，是否可利用可降解高性能压电材料进行神经修复呢？因此，他们在研究神经调控应用之外，也尝试进行了压电材料在神经修复方面的研究。



图丨结合超声激励的3D压电支架促进脊髓损伤区域的修复（来源：ACS Nano）

该团队在可编程超声方面进行了自主研发，搭建了适用于组织工程应用的小型化超声波激发和控制装置，利用可编程超声结合可降解3D压电支架实现了在体电刺激的无线化和可控性。

罗志强教授说道：“在体电刺激的免疫调节作用是该研究中的另外一个意外的发现。作为该工作的后续，我们正在研究电刺激对免疫进行调节的重要性，包括其在心肌、神经、骨组织等修复过程的作用。”

为再生医学提供新的治疗方案

该研究中的3D压电支架具有优异压电性能，为再生医学提供了新思路。具体来说，该技术的应用潜力在以下三方面：

第一，在电子医学中的应用，例如通过超声激发实现无线化深脑电刺激治疗帕金森病或迷走神经电刺激治疗炎症。

第二，对组织修复进行在体电刺激，如修复神经和心肌等组织。此外，在体电刺激的免疫调节也具有应用潜力。

第三，利用无线化电刺激可控、缓慢地释放药物等。

罗志强教授博士毕业于新加坡南洋理工大学物理系，并在芝加哥大学化学系从事有机电子器件和生物电子器件博士后研究。2016年，他回国加入华中科技大学生命科学与技术学院成立独立的课题组，其主要研究方向为生物电子材料与器件。

据了解，罗志强教授团队目前的研究方向是神经工程电子材料与器件，包括应用于神经调控和神经组织工程的材料与器件，例如利用植入式微型电子器件进行神经调控治疗帕金森疾病、以及修复外周神经和脊椎神经的电活性生物材料。

并且，他们还积极地与其他团队合作，在心血管组织工程和骨组织工程的在体电刺激等方面不断探索。

该课题组近期利用超声波技术和可植入压电材料解决了在体电刺激的无线化难题，为这次的新研究奠定了良好基础。 此前，他们全面地分析了运动功能恢复和组织学评价研究，证实了超声驱动的在体电刺激有利于促进神经再生，提供了利用超声响应生物可降解压电纳米发电材料与器件在体内传递电刺激的新策略在组织工程中的应用。

此外，该团队之前还研发了一种通过超声驱动电刺激促进周围神经修复的植入式可降解压电薄膜纳米发电机，该设备可以实时地响应可编程外部能源。

在临床方面合作方面，该团队正在与临床医生交流合作，并开发了多种电刺激方案，相关研究也在进行中。与此同时，该团队还表示，对于功能材料体内发电能力、电刺激可控性及材料的生物降解性等问题他们也将持续地关注。



图丨 在体电刺激有助于运动恢复、促进脊髓损伤区域的修复（来源：ACS Nano）

值得注意的是，该研究中的3D压电支架在铌酸钾钠的成分中，钠和钾是无毒、无害的。该团队展示了3D压电支架在脊髓修复方面的向好可能性，若未来向临床方向推广不可忽略的问题之一是，铌的降解过程以及其代谢是否存在慢毒性等细节问题，仍需要进一步深入探索。

罗志强还认为，一些比较友好的生物压电材料，比如压电蛋白可能是较好的研究方向之一，其团队也在该方向进行探索中。他指出，如何在压电蛋白的性能提高的前提下，也做到缓慢降解等系列问题是他与团队想进一步探索的方向。

下一步该团队计划与干细胞团队进行合作，希望将利用该技术结合诱导多能干细胞进行脊髓损伤修复的辅助治疗。

“我们前期通过可控的电刺激的研究，发现免疫调节在组织修复中很重要。后续，该效应如何影响干细胞治疗也是我们将继续探索的方向。”罗志强说。





审核编辑：刘清