Adv Sci丨一种无需电池的硬膜外电刺激系统用于脊髓损伤的运动康复治疗

脊髓损伤 （Spinal cord injury，简称SCI） 是 一类严重的中枢神经系统损伤， 其罹 患者常因下肢运动障碍和肌肉萎缩而行走困难，身心健康和生活质量受到极大影响。 自20世纪40年代 起 ， 电刺激疗法成为神经损伤的重要治疗手段之一。 其中，硬膜外电刺激 （Epidural electrical stimulation，简称EES） 已成为有效治疗SCI的技术路径 。 通过植入硬脊膜外的电极刺激脊髓， EES能够 驱动下肢运动，帮助SCI患者恢复行走 能力，也能对脊髓损伤的神经再生起到促进作用 。 然而， EES技术面临一些问题，一是需要持续稳定的能量供给，植入式电源 的参数、大小等各方面性能 对EES的开展至关重要；二是治疗的个体化差异限制了其广泛应用。 纳米发电机 （Nanogenerator，简称NG） 作为一种新兴的能源转换技术， 可将环境机械能转化为电能，构成无需电池的自驱动电源，且在小型化、成本效益和生物响应性等方面具有优势。 目前 ， 基于NG的电刺激治疗系统虽已 有研发 ，但NG在 脊髓损伤 EES领域的研究尚 未见报道 。 由于EES对 电刺激 参数 阈值存在一定的要求 ， 这 给NG在EES体内的实际应用带来 了 挑战。因此，深入研发基于NG的植入式自供电EES系统，并全面评估其在SCI治疗中的综合效果，是当前亟待探索的 重要问题 。

近日， 中国科学院大学封红青教授、北京纳米能源与系统研究所李舟研究员 和 西交大二附院任鹏宇副研究员 团队在Advanced Science上发表了题为Nanogenerator Neuromodulation to Enable Locomotion Rehabilitation for Spinal Cord Injury via Epidural Electrical Stimulation的文章，该团队研究了一种复合型纳米发电机（ Hybrid nanogenerator ，简称 H-NG ）在体内EES治疗中的有效性和独特优势。与传统恒流刺激电源（ Stimulus generator ，简称 SG ）相比，H-NG能够在明显更低的电流和电压（比值约为 1/4 ）以及更小个体差异情况下引发大鼠下肢运动（图1），从而能够在脊髓损伤后进行基于电刺激的运动康复治疗。 这些研究结果表明 H-NG 对于发展 SCI 的自供电、个性化和更有效的 EES 疗法 具有重要的意义 。

图1.基于H-NG的植入式EES系统示意图，一个微小型植入式H-NG可成功在体内实施EES驱动大鼠后肢运动，而且治疗群体中的个体差异显著减小。

为了探究 NG 在 大鼠 体内实施 EES 的效果，研究人员制备了一个 由摩擦电和压电双单元组成的 微型 薄膜状 复合型纳米发电机 H-NG ， 摩擦电层和压电层 的有效接触面积为 3 cm × 1 cm ， 整个 器件 的尺寸为 4.5 cm × 1.5 cm × 0. 2 cm 。在 力的驱动下 ， 该器件在体外 能够产生 26.5 V 的 V oc ， 11.6 μ A 的 I sc 以及 45.7 nC 的 Q sc ，并且具有 灵敏 的 压力 响应 度 和长期稳定性 。 这个 植入式 器件被设计为 拱形结构，可以更贴合大鼠背部的形状。

本研究 首先 证实了 H-NG 在体内 EES 治疗中的有效性。 H-NG 被植入到大鼠背部的皮下区域，通过柔性导线与植入到大鼠脊髓 L1 节段的硬膜外侧超薄柔性 桨 状电极相连。通过手指在体外对体内的 H-NG 施加挤压动作， H-NG 即在体内产生电流和电压 ，而且其强度足以 实施 EES 激活 大鼠 的 下肢运动。

接下来，研究者们研究了 对 H-NG 施加 的 外力 与其 EES 驱动大鼠下肢运动 的 详细关系。大鼠 下肢的 肌电信号 EMG 与 H-NG 施加在脊髓上的 EES 电学参数被同时记录 。 随着 H-NG 受到的外 力增加，电路中的峰值电流 和 施加在大鼠 脊髓 上的峰值电压 均逐渐增加 。 而 反映在 EMG 上， 从弱到强的 四组 电学参数引发 了 肌电 信号 被激活概率的 由低到高的显著不同 。 在低电流下， 肌电 信号 出现的频率低于刺激电信号的频率 ，但 激活的 一些 EMG 峰值强度相当高（ 5 mV ， 达到 饱和水平）。随着电流的增加， 高 峰值 EMG 信号 的 发生率增加，最终 EMG 的 振幅和频率都稳定 达到饱和值 。

研究人员进一步 将 H-NG 与传统 的恒流神经刺激仪 SG 做了对比。 SG 被设定了与 H-NG 在一个周期内具有相同电量和相同频率的方波， 取代 H-NG 施加 EES 驱动大鼠下肢运动 。而这两者之间的比较，只需要针对参数的峰值进行即可。 在 1 Hz 的 SG 交 变 电 流的 刺激下， 施加在大鼠脊髓上 的电信号和大鼠下肢的 EMG 信号被同时记录 。 SG 驱动产生的 EMG 信号 频率 稳定， 随着电流的增 大 ， EMG 信号 的幅值 逐渐 增强 直至饱和 。 但 激活 EMG 所需的电流强度比 H-NG 高得多。

本研究共 对 10 只大鼠 进行了数据检测和 统计学分析。 与 SG 相比， H-NG 能够在明显更低的电流和电压（参数比值约为 1/4 ）下引发大鼠下肢运动。此外， H-NG 还显著减小了在不同大鼠中实施 EES 诱导下肢运动的个体差异性 。 无论是 对 不同个体中激活初始 EMG 和饱和 EMG 的 电压电流进行散点分析，还是使用主成分分析 （ PCA ） 方法进行聚类， 均可明显看出， H-NG 的 有效电压电流值非常集中 。 而 SG 的个体差异 则 很大 ，这也 与目前文献和临床研究报道是一致的。

本研究 使用 了 1 Hz 低频 电 刺激 来实施 脊髓 EES 激活 下肢 进行运动 ，该频率与人类或动物运动的自然节律更接近。结果表明， 低频 H-NG 进行 EES 能够 有效 驱动 大鼠 的 下肢运动 ，且 在与 SG 取得 相似 刺激效果的前提下 ， 所需的电压电流 参数大 为 降低， 这 说明 H-NG 能够大幅 提高能源利用效率。此外，统计分析结果 显示 H-NG 的 进行 EES 时有效的电压电流 参数 都 更加集中， 这 提示 H-NG 作为 EES 的电源，可以有效地降低个体差异 性 。同时， H-NG 的机械驱动特性使 得患者 能够 由体外施加的力度大小来 自主调节 体内的 刺激强度，从而 方便地 实现个性化 EES 治疗。 因此 ， 本研究展示了 H-NG 在驱动 EES 进行 SCI 治疗 领域 的潜力 和多 方面 优势 。

原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202501425

制版人：十一

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