利用超聲波激勵(lì)實(shí)現(xiàn)無線化可控電刺激促進(jìn)脊髓損傷的修復(fù)

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(lì)實(shí)現(xiàn)無線化可控電刺激，從而促進(jìn)了其脊髓損傷的修復(fù)。

這不是天方夜譚，而是現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。審稿人對該研究評價(jià)道：“在體電刺激在組織工程中具有重要的應(yīng)用前景，作者提出的超聲波結(jié)合可降解壓電支架實(shí)現(xiàn)可控在體電刺激的這一新概念是非常有意義的。”

對再生醫(yī)學(xué)來說，這無疑是個(gè)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(jìn)脊髓損傷修復(fù)。

（A）基于可生物降解高性能3D壓電支架的超聲驅(qū)動無線化電刺激促進(jìn)脊髓損傷區(qū)域的神經(jīng)再生；（B）聚乳酸/鈮酸鉀鈉納米線復(fù)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(xué)與武漢理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種可生物降解3D壓電支架，利用可編程超聲以遠(yuǎn)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(guān)實(shí)驗(yàn)中，成功驗(yàn)證了該3D壓電支架對于大鼠脊髓損傷具有顯著修復(fù)功能，為再生醫(yī)學(xué)的在體電刺激方案亮出全新的解決途徑。

前不久，相關(guān)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(jìn)脊髓損傷修復(fù)》（Wirelessly Powered Electrical-Stimulation Based on Biodegradable 3D Piezoelectric Scaffolds Promotes the Spinal Cord Injury Repair）為題發(fā)表在ACS Nano期刊上。

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該論文第一作者為華中科技大學(xué)博士生陳萍，論文共同通訊作者為華中科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院羅志強(qiáng)教授以及武漢理工大學(xué)復(fù)合新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室戴紅蓮教授。

3D壓電支架的“三合一”功能

該團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)了功能的“三合一”，即同時(shí)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(shí)，對組織修復(fù)過程使用電刺激的研究在國內(nèi)外受到廣泛的重視。但多數(shù)研究是把植入電極從皮下引出，利用體外的電刺激設(shè)備進(jìn)行相關(guān)研究。

從本質(zhì)上來說，實(shí)現(xiàn)在體電刺激的“無線化和可控性”技術(shù)是該研究的亮點(diǎn)，其關(guān)鍵點(diǎn)在于超聲的可編程控制。

也就是說，使用者在電刺激的時(shí)間節(jié)點(diǎn)、刺激時(shí)長、刺激強(qiáng)度上都可根據(jù)需求自主控制。

研究人員在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，基于超聲驅(qū)動和3D壓電納米纖維的無線化電刺激，能在體外使神經(jīng)干細(xì)胞分化成神經(jīng)元。

與此同時(shí)，體內(nèi)研究表明，如果進(jìn)行適當(dāng)?shù)某曒椪?，通過3D壓電支架提供的在體電刺激有利于運(yùn)動恢復(fù)，并可促進(jìn)脊髓損傷的修復(fù)。

據(jù)悉，該研究歷時(shí)兩年半的時(shí)間，基于該團(tuán)隊(duì)之前關(guān)于超聲波激勵(lì)可植入納米發(fā)電機(jī)的外周神經(jīng)可控電刺激研究成果在組織工程神經(jīng)修復(fù)領(lǐng)域的探索。

一般來說，使用壓電的材料進(jìn)行神經(jīng)修復(fù)已有報(bào)導(dǎo)，而該團(tuán)隊(duì)成員在相關(guān)課題的研究中發(fā)現(xiàn)，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(jìn)一步提出，是否可利用可降解高性能壓電材料進(jìn)行神經(jīng)修復(fù)呢？因此，他們在研究神經(jīng)調(diào)控應(yīng)用之外，也嘗試進(jìn)行了壓電材料在神經(jīng)修復(fù)方面的研究。



圖丨結(jié)合超聲激勵(lì)的3D壓電支架促進(jìn)脊髓損傷區(qū)域的修復(fù)（來源：ACS Nano）

該團(tuán)隊(duì)在可編程超聲方面進(jìn)行了自主研發(fā)，搭建了適用于組織工程應(yīng)用的小型化超聲波激發(fā)和控制裝置，利用可編程超聲結(jié)合可降解3D壓電支架實(shí)現(xiàn)了在體電刺激的無線化和可控性。

羅志強(qiáng)教授說道：“在體電刺激的免疫調(diào)節(jié)作用是該研究中的另外一個(gè)意外的發(fā)現(xiàn)。作為該工作的后續(xù)，我們正在研究電刺激對免疫進(jìn)行調(diào)節(jié)的重要性，包括其在心肌、神經(jīng)、骨組織等修復(fù)過程的作用?！?/p>

為再生醫(yī)學(xué)提供新的治療方案

該研究中的3D壓電支架具有優(yōu)異壓電性能，為再生醫(yī)學(xué)提供了新思路。具體來說，該技術(shù)的應(yīng)用潛力在以下三方面：

第一，在電子醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，例如通過超聲激發(fā)實(shí)現(xiàn)無線化深腦電刺激治療帕金森病或迷走神經(jīng)電刺激治療炎癥。

第二，對組織修復(fù)進(jìn)行在體電刺激，如修復(fù)神經(jīng)和心肌等組織。此外，在體電刺激的免疫調(diào)節(jié)也具有應(yīng)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(qiáng)教授博士畢業(yè)于新加坡南洋理工大學(xué)物理系，并在芝加哥大學(xué)化學(xué)系從事有機(jī)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(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院成立獨(dú)立的課題組，其主要研究方向?yàn)樯镫娮硬牧吓c器件。

據(jù)了解，羅志強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)目前的研究方向是神經(jīng)工程電子材料與器件，包括應(yīng)用于神經(jīng)調(diào)控和神經(jīng)組織工程的材料與器件，例如利用植入式微型電子器件進(jìn)行神經(jīng)調(diào)控治療帕金森疾病、以及修復(fù)外周神經(jīng)和脊椎神經(jīng)的電活性生物材料。

并且，他們還積極地與其他團(tuán)隊(duì)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(shù)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(chǔ)。 此前，他們?nèi)娴胤治隽诉\(yùn)動功能恢復(fù)和組織學(xué)評價(jià)研究，證實(shí)了超聲驅(qū)動的在體電刺激有利于促進(jìn)神經(jīng)再生，提供了利用超聲響應(yīng)生物可降解壓電納米發(fā)電材料與器件在體內(nèi)傳遞電刺激的新策略在組織工程中的應(yīng)用。

此外，該團(tuán)隊(duì)之前還研發(fā)了一種通過超聲驅(qū)動電刺激促進(jìn)周圍神經(jīng)修復(fù)的植入式可降解壓電薄膜納米發(fā)電機(jī)，該設(shè)備可以實(shí)時(shí)地響應(yīng)可編程外部能源。

在臨床方面合作方面，該團(tuán)隊(duì)正在與臨床醫(yī)生交流合作，并開發(fā)了多種電刺激方案，相關(guān)研究也在進(jìn)行中。與此同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)還表示，對于功能材料體內(nèi)發(fā)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(xù)地關(guān)注。



圖丨 在體電刺激有助于運(yùn)動恢復(fù)、促進(jìn)脊髓損傷區(qū)域的修復(fù)（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(tuán)隊(duì)展示了3D壓電支架在脊髓修復(fù)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(xì)節(jié)問題，仍需要進(jìn)一步深入探索。

羅志強(qiáng)還認(rèn)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(tuán)隊(duì)也在該方向進(jìn)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(tuán)隊(duì)想進(jìn)一步探索的方向。

下一步該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃與干細(xì)胞團(tuán)隊(duì)進(jìn)行合作，希望將利用該技術(shù)結(jié)合誘導(dǎo)多能干細(xì)胞進(jìn)行脊髓損傷修復(fù)的輔助治療。

“我們前期通過可控的電刺激的研究，發(fā)現(xiàn)免疫調(diào)節(jié)在組織修復(fù)中很重要。后續(xù)，該效應(yīng)如何影響干細(xì)胞治療也是我們將繼續(xù)探索的方向?！绷_志強(qiáng)說。





審核編輯：劉清