【顶刊日报】Nature：一种用于瞬时康复的可注射组织假体：水凝胶！

▷2023/12/07

同萃生材

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为了构建组织样的假体材料，软电活性水凝胶由于其生理机械模量、低电阻以及生物组织电生理信号的双向刺激和记录能力是最佳候选选择。然而，到目前为止，此类假体的生物电子设备一直是贴片型，不能应用于粗糙、狭窄或深的组织表面。

韩国成均馆大学Mikyung Shin等人研发了一种在神经肌肉系统中具有瞬时双向电传导的可注射组织假体。柔软可注射的假体由一种具有独特苯硼酸盐介导的多重交联的生物相容性水凝胶组成，例如不可逆但可自由重组的联苯键，以及通过交叉耦合在原位形成的导电金纳米颗粒的可逆配位键。在大鼠严重肌肉损伤的早期阶段，通过注射这种假体材料成功实现了闭环机器人辅助康复，后期实现了加速组织修复。

相关研究内容以“Injectable tissue prosthesis for instantaneous closed-loop rehabilitation”为题近期发表在《Nature》。

研究者通过苯基硼酸盐（PB）介导的多种交联策略产生的导电水凝胶（称为IT-IC水凝胶）形成了可注射组织界面假体。IT-IC水凝胶包含不可逆的联苯键（图1a（i），红色虚线盒），由联苯偶联原位还原的导电的金纳米颗粒（AuNPs）与PB基团之间的可逆强配位键（绿色虚线盒），以及多糖骨架上的弱多价离子相互作用，如氢键、金属-π键和金属-羧酸盐（Au3+-COO−）相互作用。PB衍生的多键协同地允许通过注射过程中剪切应力下的弱非共价键和联苯重排进行有效的能量耗散（图1a（ii））和注射后的自我恢复（图1a（iii））。导电AuNP、离子导电聚合物和许多自由离子（例如Na+和Au3+）协同赋予网络中的电渗流。这种组合交联机制为水凝胶提供了高度共形和电生理接口能力，允许通过填补早期阶段的肌肉组织损失进行组织到组织传导，以便在早期立即康复，并在长期阶段加速肌纤维再生（图1b，红色虚线盒）或组织到生物电子桥接，以双向刺激和记录外周神经（蓝色虚线盒）。具体来说，肌肉产生的电信号的这种传输可以通过机器人康复来帮助，机器人康复由能够进行周围神经刺激和反馈肌电图（EMG）监测的闭环系统精确控制，反之亦然（绿色虚线框）。

图1 用于瞬时康复的可注射组织假体

图2

本文总结

研究人员开发的这种用作“组织假体”的可注射水凝胶可在肌肉和周围神经组织之间双向串扰，用于慢性组织损伤患者的治疗恢复。此外，研究人员还通过从啮齿动物的后腿上移走了一大块肌肉模拟了肌肉损失和损伤。通过注射水凝胶和植入两种可伸缩的组织接口设备来进行电感应和刺激，改善了“受伤”的动物的步态。在肌肉电信号的引导下，水凝胶假体与机器人辅助相结合，在没有神经刺激的情况下，共同帮助改善了动物的步态。此外，在使用导电水凝胶填充肌肉损伤后，肌肉组织再生得到了长期有效的改善。

文章来源：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06628-x

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