利用超聲波激勵實現無線化可控電刺激促進脊髓損傷的修復

脊髓損傷的癱瘓大鼠在植入可降解3D壓電支架后，利用超聲波激勵實現無線化可控電刺激，從而促進了其脊髓損傷的修復。

這不是天方夜譚，而是現實的實驗結果。審稿人對該研究評價道：“在體電刺激在組織工程中具有重要的應用前景，作者提出的超聲波結合可降解壓電支架實現可控在體電刺激的這一新概念是非常有意義的。”

對再生醫學來說，這無疑是個好消息，那么，它是如何做到的呢？



圖丨基于可生物降解3D壓電支架的無線化電刺激促進脊髓損傷修復。

（A）基于可生物降解高性能3D壓電支架的超聲驅動無線化電刺激促進脊髓損傷區域的神經再生；（B）聚乳酸/鈮酸鉀鈉納米線復合壓電材料的制備工藝；（C）3D壓電支架制備工藝（來源：ACS Nano）

近期，華中科技大學與武漢理工大學團隊研發了一種可生物降解3D壓電支架，利用可編程超聲以遠程無線的方式控制其在體電刺激功能。

此外，他們還在大鼠模型的相關實驗中，成功驗證了該3D壓電支架對于大鼠脊髓損傷具有顯著修復功能，為再生醫學的在體電刺激方案亮出全新的解決途徑。

前不久，相關論文以《基于可生物降解3D壓電支架的無線供電電刺激促進脊髓損傷修復》（Wirelessly Powered Electrical-Stimulation Based on Biodegradable 3D Piezoelectric Scaffolds Promotes the Spinal Cord Injury Repair）為題發表在ACS Nano期刊上。

?

該論文第一作者為華中科技大學博士生陳萍，論文共同通訊作者為華中科技大學生命科學與技術學院羅志強教授以及武漢理工大學復合新技術國家重點實驗室戴紅蓮教授。

3D壓電支架的“三合一”功能

該團隊利用靜電紡絲的方法，把聚乳酸納米纖維以及鈮酸鉀鈉納米線制備成3D壓電支架，在同一壓電生物材料上實現了功能的“三合一”，即同時滿足材料的生物可降解性、可控電刺激功能和組織工程多孔支架功能。

其實，對組織修復過程使用電刺激的研究在國內外受到廣泛的重視。但多數研究是把植入電極從皮下引出，利用體外的電刺激設備進行相關研究。

從本質上來說，實現在體電刺激的“無線化和可控性”技術是該研究的亮點，其關鍵點在于超聲的可編程控制。

也就是說，使用者在電刺激的時間節點、刺激時長、刺激強度上都可根據需求自主控制。

研究人員在實驗中發現，基于超聲驅動和3D壓電納米纖維的無線化電刺激，能在體外使神經干細胞分化成神經元。

與此同時，體內研究表明，如果進行適當的超聲輻照，通過3D壓電支架提供的在體電刺激有利于運動恢復，并可促進脊髓損傷的修復。

據悉，該研究歷時兩年半的時間，基于該團隊之前關于超聲波激勵可植入納米發電機的外周神經可控電刺激研究成果在組織工程神經修復領域的探索。

一般來說，使用壓電的材料進行神經修復已有報導，而該團隊成員在相關課題的研究中發現，鈮酸鉀鈉納米線壓電材料具有良好的生物降解性和生物相容性。

于是，他們進一步提出，是否可利用可降解高性能壓電材料進行神經修復呢？因此，他們在研究神經調控應用之外，也嘗試進行了壓電材料在神經修復方面的研究。



圖丨結合超聲激勵的3D壓電支架促進脊髓損傷區域的修復（來源：ACS Nano）

該團隊在可編程超聲方面進行了自主研發，搭建了適用于組織工程應用的小型化超聲波激發和控制裝置，利用可編程超聲結合可降解3D壓電支架實現了在體電刺激的無線化和可控性。

羅志強教授說道：“在體電刺激的免疫調節作用是該研究中的另外一個意外的發現。作為該工作的后續，我們正在研究電刺激對免疫進行調節的重要性，包括其在心肌、神經、骨組織等修復過程的作用?！?/p>

為再生醫學提供新的治療方案

該研究中的3D壓電支架具有優異壓電性能，為再生醫學提供了新思路。具體來說，該技術的應用潛力在以下三方面：

第一，在電子醫學中的應用，例如通過超聲激發實現無線化深腦電刺激治療帕金森病或迷走神經電刺激治療炎癥。

第二，對組織修復進行在體電刺激，如修復神經和心肌等組織。此外，在體電刺激的免疫調節也具有應用潛力。

第三，利用無線化電刺激可控、緩慢地釋放藥物等。

羅志強教授博士畢業于新加坡南洋理工大學物理系，并在芝加哥大學化學系從事有機電子器件和生物電子器件博士后研究。2016年，他回國加入華中科技大學生命科學與技術學院成立獨立的課題組，其主要研究方向為生物電子材料與器件。

據了解，羅志強教授團隊目前的研究方向是神經工程電子材料與器件，包括應用于神經調控和神經組織工程的材料與器件，例如利用植入式微型電子器件進行神經調控治療帕金森疾病、以及修復外周神經和脊椎神經的電活性生物材料。

并且，他們還積極地與其他團隊合作，在心血管組織工程和骨組織工程的在體電刺激等方面不斷探索。

該課題組近期利用超聲波技術和可植入壓電材料解決了在體電刺激的無線化難題，為這次的新研究奠定了良好基礎。 此前，他們全面地分析了運動功能恢復和組織學評價研究，證實了超聲驅動的在體電刺激有利于促進神經再生，提供了利用超聲響應生物可降解壓電納米發電材料與器件在體內傳遞電刺激的新策略在組織工程中的應用。

此外，該團隊之前還研發了一種通過超聲驅動電刺激促進周圍神經修復的植入式可降解壓電薄膜納米發電機，該設備可以實時地響應可編程外部能源。

在臨床方面合作方面，該團隊正在與臨床醫生交流合作，并開發了多種電刺激方案，相關研究也在進行中。與此同時，該團隊還表示，對于功能材料體內發電能力、電刺激可控性及材料的生物降解性等問題他們也將持續地關注。



圖丨 在體電刺激有助于運動恢復、促進脊髓損傷區域的修復（來源：ACS Nano）

值得注意的是，該研究中的3D壓電支架在鈮酸鉀鈉的成分中，鈉和鉀是無毒、無害的。該團隊展示了3D壓電支架在脊髓修復方面的向好可能性，若未來向臨床方向推廣不可忽略的問題之一是，鈮的降解過程以及其代謝是否存在慢毒性等細節問題，仍需要進一步深入探索。

羅志強還認為，一些比較友好的生物壓電材料，比如壓電蛋白可能是較好的研究方向之一，其團隊也在該方向進行探索中。他指出，如何在壓電蛋白的性能提高的前提下，也做到緩慢降解等系列問題是他與團隊想進一步探索的方向。

下一步該團隊計劃與干細胞團隊進行合作，希望將利用該技術結合誘導多能干細胞進行脊髓損傷修復的輔助治療。

“我們前期通過可控的電刺激的研究，發現免疫調節在組織修復中很重要。后續，該效應如何影響干細胞治療也是我們將繼續探索的方向?！绷_志強說。





審核編輯：劉清