“生物电子医学”黑科技:硬币状植入物可加速神经再生

来源: 生物探索  Thu Oct 11 17:05:19 CST 2018 A- A+

美国西北大学和华盛顿大学医学院的研究人员开发出了一种可植入、可生物降解的生物电医学无线设备,它能加速神经再生并改善受损神经的愈合,并在工作数周后可自然被体内吸收。这一重要发现日后或可成为替代药物的新疗法。

研究于10月8日以“Wireless bioresorbable electronic system enables sustained nonpharmacological neuroregenerative therapy”为题发表在《Nature Medicine》杂志。

DOI:https://doi.org/10.1038/s41591-018-0196-2

该项研究合作者,西北大学的材料科学家和工程师以及华盛顿大学的神经外科医生开发的这种装置在手术修复过程之后,可以向受损的大鼠周围神经传递规律的电脉冲,加速腿部神经的再生,并增强肌肉力量和控制力的最终恢复。这种无线装置只有十美分硬币大小,厚度相当于一张纸,在自然吸收到人体内之前,它的工作时间约为两周。

手术治疗弊端

对于需要手术的病例而言,标准做法是在手术期间给予一些电刺激以帮助恢复。但目前为止,医生们还没有一种方法在整个恢复和治愈过程中的不同时间点持续提供额外的刺激。虽然这种装置尚未在人体中测试过,但这一发现为神经损伤患者提供了一种未来的治疗选择。

华盛顿大学神经外科、生物医学工程和矫形外科副教授Wilson Z. Ray说:“我们知道手术期间的电刺激有所帮助,但是一旦手术结束,介入的窗口就会关闭。而有了现在这种装置,我们能够证明,定期电刺激可以进一步增强神经恢复。”

生物集成技术先驱John Rogers为这项研究的共同通讯作者,在过去的八年里,他和他的实验室已经开发了一整套电子材料、设备设计和生物降解设备制造技术。当Ray和他在华盛顿大学的同事们发现需要基于电刺激的疗法来加速伤口愈合时,Rogers和西北大学的同事们便共同开启了这项工作。

无线设备在一两周后会自然地吸收到人体内。(来源:西北大学)

安全、可控的新设备

他们开发的这种装置薄而灵活,可以包裹受伤的神经,由体外的发射器无线供电和控制,并在特定时间点进行放电刺激,直到该装置在体内无害降解。

研究人员随后对坐骨神经损伤大鼠进行了这一生物电子设备的研究。这条神经在腿部上下传递信号,控制小腿和足部的腘绳肌和肌肉。他们使用该装置每天给大鼠提供一小时的电刺激,持续一、三、六天,或者完全不进行电刺激,然后监测它们在接下来10周内的恢复情况。

他们发现,在帮助大鼠恢复肌肉质量和肌肉力量方面,任何电刺激都比不电刺激要好。此外,大鼠接受电刺激的天数越多,恢复神经信号和肌肉力量的速度就越快、越彻底。没有发现该装置及其再吸收的不良生物效应。

Ray介绍,他们现在正着手寻找最大限度恢复肌肉质(力)量的理想时间。

另一方面,通过改变装置中材料的组成和厚度,Rogers及其同事可以精确控制它在被吸收到身体前保持功能的天数。新版本可以在降解前提供数周的电脉冲,且设备在体内降解的能力取代了需要移除不可降解设备的二次手术,进而消除了患者的额外风险。

研究还表明,这种装置可以充当临时起搏器,并作为脊髓和全身其他刺激部位的接口。表明除了外周神经系统外,这一设备还有其他广泛的效用。

Rogers说:“近10年来,瞬态电子器件(transient electronic devices)的概念一直是我的团队非常感兴趣的话题,某种意义上来说,这是材料科学的重大探索。我们很兴奋,因为我们现在有了材料、设备、制造方法、系统级的工程概念,并可能以与人类健康息息相关的方式运用这些概念。”

参考资料:

Biodegradable implant provides electrical stimulation that speeds nerve regeneration

Wireless bioresorbable electronic system enables sustained nonpharmacological neuroregenerative therapy

原标题:“生物电子医学”黑科技!这种硬币状植入物可加速神经再生

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