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華科大羅志強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì) Nat. Commun.：應(yīng)用于慢性神經(jīng)調(diào)控的可注射高穩(wěn)定性導(dǎo)電水凝膠
2024-09-17  來源：高分子科技

  在神經(jīng)調(diào)控領(lǐng)域，通過精準(zhǔn)調(diào)控器官相關(guān)外周神經(jīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)炎癥、代謝和內(nèi)分泌紊亂等難治性疾病的新型物理治療正在引起廣泛關(guān)注。然而，內(nèi)臟器官附近外周神經(jīng)的細(xì)微尺寸結(jié)構(gòu)及其機(jī)械脆弱性使得傳統(tǒng)電極在慢性神經(jīng)調(diào)控中的長期應(yīng)用中充滿挑戰(zhàn)，特別是在手術(shù)過程中的固定方法和器件與組織電耦合界面的長期穩(wěn)定性上。常用的Cuff電極由于與神經(jīng)的機(jī)械性質(zhì)和結(jié)構(gòu)尺寸不適配，通常會(huì)引發(fā)機(jī)械壓迫、炎癥反應(yīng)，甚至是神經(jīng)損傷。華中科技大學(xué)與賓夕法尼亞大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種可配合商業(yè)化Cuff電極使用的可注射高穩(wěn)定性導(dǎo)電水凝膠，為解決外周神經(jīng)慢性調(diào)控的長期穩(wěn)定性難題提供了全新思路。 


圖1可注射高穩(wěn)定性導(dǎo)電水凝膠在Cuff電極與神經(jīng)組織的孔隙中構(gòu)建穩(wěn)固神經(jīng)界面


  近期，華中科技大學(xué)羅志強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)、賓夕法尼亞大學(xué)蔣圓聞教授團(tuán)隊(duì)與華中科技大學(xué)協(xié)和醫(yī)院張麗教授團(tuán)隊(duì)通過創(chuàng)新性的材料設(shè)計(jì)，解決了導(dǎo)電水凝膠在體內(nèi)長期穩(wěn)定性和可注射成型兼容的難題，開發(fā)了一種可注射高穩(wěn)定性導(dǎo)電水凝膠。該水凝膠結(jié)合了生物粘附特性與優(yōu)異的機(jī)械和電學(xué)穩(wěn)定性，能夠精確地填充Cuff電極與周圍組織之間的空隙，確保神經(jīng)電極長期穩(wěn)定工作（圖1）。通過引入多功能分子調(diào)節(jié)劑，團(tuán)隊(duì)成員能夠在水凝膠網(wǎng)絡(luò)形成過程中優(yōu)化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，從而確保水凝膠在實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)電性的同時(shí)保持其注射性、長期穩(wěn)定性、和高生物相容性(圖2和圖3)。這種理性材料設(shè)計(jì)使得該水凝膠能夠適應(yīng)多種復(fù)雜解剖部位的神經(jīng)調(diào)控應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)水凝膠與神經(jīng)組織的穩(wěn)定結(jié)合，可避免傳統(tǒng)電極帶來的機(jī)械應(yīng)力和組織損傷。


圖2導(dǎo)電水凝膠兼具可注射性、生物粘附特性及優(yōu)異的機(jī)械和電學(xué)穩(wěn)定性


圖3 水凝膠電極可維持穩(wěn)定的電學(xué)性能，顯著減少界面纖維化和組織內(nèi)炎癥響應(yīng)


  在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，通過將這種新型水凝膠應(yīng)用于大鼠的迷走神經(jīng)調(diào)控，團(tuán)隊(duì)成員成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)心肌梗死后炎癥反應(yīng)的有效控制。實(shí)驗(yàn)表明，注射型導(dǎo)電水凝膠能夠提供長期穩(wěn)定的神經(jīng)界面，通過穩(wěn)定的電刺激降低交感神經(jīng)活動(dòng)并減少心肌纖維化，最終實(shí)現(xiàn)康復(fù)治療、保持心臟功能。這一電子醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)研究為未來的心血管疾病治療提供了新思路。 


圖4  慢性迷走神經(jīng)調(diào)控可應(yīng)用于治療大鼠模型心梗、緩解心肌梗死后的心臟衰竭進(jìn)展。


  該多功能水凝膠不僅能夠在慢性心臟病的治療中展示出顯著效果，還可能在未來應(yīng)用于其他難治性疾病的治療，如慢性疼痛、自身免疫性疾病和中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷等。研究團(tuán)隊(duì)表示，未來他們將繼續(xù)探索這種導(dǎo)電水凝膠在其他復(fù)雜器官中的應(yīng)用，特別是在脊髓刺激、腦神經(jīng)調(diào)控等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。該研究獲得了國家自然科學(xué)基金的支持，以“Highly-stable, injectable, conductive hydrogel for chronic neuromodulation”為題發(fā)表在《Nature Communications》上 (Nat Commun 15, 7993 (2024)). 文章第一作者是華中科技大學(xué)博士生楊明、王祿芳、劉文亮。


  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-52418-y


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