周围神经损伤(PNI)是导致永久性残疾的最常见原因之一。治疗性电刺激已广泛应用于神经再生几十年。结合植入神经袖带，一些结果已被证明在神经假体应用的有效性和可行性。然而，目前的电刺激策略无法完成神经修复。在神经刺激的情况下，长期植入纳米发电机的研究目前依旧缺乏。特别是考虑到许多疾病模型，这些设备可能无法达到体外模拟工作环境。
鉴于此，近医院冯世庆教授、宁广智主任医师和天津科技大学曲志刚教授等人开发了一种植入式坐骨神经刺激系统，它可以随着大鼠的运动，自发产生双相电脉冲。该装置产生的电信号可通过袖带电极刺激损伤的坐骨神经。研究人员开发了一种由接触分离纳米摩擦电发生器与神经袖带电极产生的可植入的自我调节神经电刺激系统，并将其与慢性治疗性神经电刺激修复坐骨神经的效果进行了比较。在步态及组织学分析中观察到了神经功能的恢复。此外，生长相关蛋白43的上调可能是一个保护性靶点。这可能有潜在的临床应用，促进长期电刺激的闭环能量收集。相关工作以“ContactSeparationTriboelectricNanogeneratorBasedNeuralInterfacingforEffectiveSciaticNerveRestoration”为题发表在最新一期的《AdvancedFunctionalMaterials》。
图1.ISR-NES系统的设计和工作原理。
基于研究者之前开发的自供电偏心摩擦电纳米传感器(Ec-TENS)(Z.Qu,L.Wu,B.Yue,Y.An,Z.Liu,P.Zhao,J.Luo,Y.Xie,Y.Liu,Q.Wang,Z.Wang,R.Dai,W.Yin,NanoEnergy,62,.)，在这项工作中，研究人员开发了一种可植入的自我调节神经电刺激(ISR-NES)系统。它能有效促进坐骨神经再生，具有同步调节能力。该系统集成了一个接触分离摩擦电纳米发生器(Cs-TENG)，由呼吸运动和有规律的活动驱动，以及合适的坐骨神经袖带电极(图1)。通过4周的动物试验，ISR-NES系统表现出了高效的能量采集和良好的生物相容性，而Cs-TENG系统持续稳定的输出。此外，研究者用直接证据表明ISR-NES系统可以通过增加生长相关蛋白(GAP43)在坐骨神经损伤部位的积累来加速轴突的生长，并且观察到神经运动功能和其他生理功能如感觉神经动作电位(SNAP)的恢复。这项工作提供了一种实用的、自我反应的、无电池的神经刺激策略，并为功能性神经电刺激交替提供了前景和希望。
图2.Cs-TENG的设计与表征。
本工作选择了具有不同摩擦极性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚酰胺6(PA6)薄膜，以最大限度地提高摩擦电气化效果。PDMS被用作带负电荷的介质材料，而PA6被用作带正电荷的介质材料，分别在PDMS和PA6薄膜背面粘贴铝箔作为导电层。为了进一步提高摩擦电荷密度，在制备PA6薄膜时，通过喷涂银纳米线溶液生成银纳米线结构。这些银纳米线的直径约为60nm。两种材料之间的间距越大，产生的输出电压就越高，如图2c所示，输出电压与间距的关系曲线如图2d所示。Cs-TENG在体外测试时的输出性能如图2f,g所示，测试结果显示，电压和电流的峰间值分别≈11.50±0.50V和0.15±0.50A。所选用的包装材料(如Ecoflex)具有良好的拉伸性能和对称的机械响应，可以承受反复的扭转和拉伸，允许在最小的力要求下自由地向各个方向移动。这种高度灵活和可伸缩的装置对老鼠的日常行为也有最小的影响。
图3.ISR-NES系统的植入、输出性能和生物相容性。
植入后第四周，Micro-CT证实植入成功，体内稳定。没有发生明显的位移，整个系统保持完好(图3b)。由于Cs-TENG的输出功率与设备的尺寸成正比，因此将Cs-TENG植入更大的身体区域，如人体，可以获得显著的性能增益。由于大鼠的不规则运动，电压输出的波形不一致，但在整个实验过程中，电压峰值基本保持不变，结果证明Cs-TENG能够正常工作。植入后第四周这些器官的苏木精和伊红(HE)染色(图3d)。肝、肾未见变形和异常淋巴细胞浸润。这些结果表明，Cs-TENG具有良好的生物相容性和稳定的电压输出。
图4.再生坐骨神经的神经功能恢复。
坐骨神经功能指数(SFI)是一种被广泛接受的通过分析趾展程度来评价坐骨神经运动功能的定量方法(图4a)。在损伤后第四周，观察到ES(+)组(20.44±2.35)和ISR-NES组(21.27±2.31,p0.)与对照组(32.41±1.18)相比，功能恢复明显改善(图4c)。结果表明，慢性治疗性电刺激和ISR-NES系统可加速运动功能的恢复。ISR-NES系统电刺激对坐骨神经功能恢复和电生理有治疗益处。肌纤维的平均横截面面积是显示肌肉萎缩的直接指标。与CTL组相比，ES(+)和ISR-NES组的肌纤维区域得到了明显的保护。
图5.比较各组坐骨神经挤压伤4周后轴突再生情况。
在这项工作中，研究者提出了一种ISR-NES系统作为一种有效的治疗坐骨神经损伤的策略，它提供了相关的神经刺激信号，模拟自然电脉冲通过神经元流到粉碎的坐骨神经损伤部位。ISR-NES系统是基于连接到木材区域皮下的柔性Cs-TENG建立的，在腹部呼吸运动期间可以产生双相电脉冲，日常活动与身体运动的生理状态在频率和强度上是同步的。将Cs-TENG与神经袖带电极连接，主体运动产生的电压信号可直接刺激受损神经，促进其恢复。从HE染色的组织病理学结果来看，ISR-NES系统表现出良好的生物相容性，无任何系统性*性和副作用迹象。CT扫描显示植入非常稳定，在实验期间保持在同一位置。结果显示有效的神经修复和神经肌肉的改善。
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