网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

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

0
分享至

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 )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能够明显低的电流和电压(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

BioArt

Med

Plants

人才招聘

会议资讯

学术合作组织

(*排名不分先后)

战略合作伙伴

(*排名不分先后)

转载须知

【非原创文章】本文著作权归文章作者所有,欢迎个人转发分享,未经作者的允许禁止转载,作者拥有所有法定权利,违者必究。

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
1984年,张宗逊之子张又侠8个多小时拿下松毛岭:预备队还没上呢

1984年,张宗逊之子张又侠8个多小时拿下松毛岭:预备队还没上呢

历史龙元阁
2026-01-20 10:40:11
震惊!网传上海一公司招聘13名海归,4男按时提交,9女都未提交…

震惊!网传上海一公司招聘13名海归,4男按时提交,9女都未提交…

火山诗话
2026-01-24 21:37:07
决赛不敌日本,中国队收获U23亚洲杯亚军,创历史最佳战绩

决赛不敌日本,中国队收获U23亚洲杯亚军,创历史最佳战绩

澎湃新闻
2026-01-25 01:25:11
卡尼号召加拿大人“购买国货”以回应美国关税威胁

卡尼号召加拿大人“购买国货”以回应美国关税威胁

环球网资讯
2026-01-25 06:13:20
罗永浩,人民日报表扬你了!

罗永浩,人民日报表扬你了!

不主流讲话
2026-01-24 13:59:20
近4轮首胜+终结连败!曼城2-0狼队 马尔穆什破门 塞梅尼奥4场3球

近4轮首胜+终结连败!曼城2-0狼队 马尔穆什破门 塞梅尼奥4场3球

狍子歪解体坛
2026-01-25 00:56:54
生姜立大功?美国研究发现:生姜能在36小时清除60%老化细胞?

生姜立大功?美国研究发现:生姜能在36小时清除60%老化细胞?

蜉蝣说
2026-01-24 16:45:07
郭包肉 | 首次授衔秘闻:张宗逊为何仅获授上将军衔?

郭包肉 | 首次授衔秘闻:张宗逊为何仅获授上将军衔?

郭包肉八世
2026-01-24 18:12:56
江苏一工程延期因挖到“7000年遗址”?相关部门回应

江苏一工程延期因挖到“7000年遗址”?相关部门回应

大象新闻
2026-01-24 17:37:10
蒙古国首都骚乱再起,社会矛盾愈发尖锐,反华到底图啥

蒙古国首都骚乱再起,社会矛盾愈发尖锐,反华到底图啥

素衣读史
2026-01-24 17:12:53
湖南天气:最低0℃!局地中到大雨,雨夹雪又要来了

湖南天气:最低0℃!局地中到大雨,雨夹雪又要来了

三湘都市报
2026-01-25 00:08:10
首映仅150万,《舒克贝塔》票房扑街,郑渊洁父子亏到怀疑人生

首映仅150万,《舒克贝塔》票房扑街,郑渊洁父子亏到怀疑人生

电影票房预告片
2026-01-25 00:00:56
输球仅一夜,安东尼奥质疑主办方:不公平!亚足联或送中国队大礼

输球仅一夜,安东尼奥质疑主办方:不公平!亚足联或送中国队大礼

侃球熊弟
2026-01-25 03:31:46
难以置信!女子十二乐坊成员直播养不活自己,一晚上打赏不到3000

难以置信!女子十二乐坊成员直播养不活自己,一晚上打赏不到3000

火山诗话
2026-01-24 11:37:19
特朗普:美国多州进入紧急状态

特朗普:美国多州进入紧急状态

第一财经资讯
2026-01-25 08:45:31
全网寻鞋!男子坐卧铺时鞋被穿错,一只斯凯奇变Prada:新鞋第一次穿就丢了,希望能找回

全网寻鞋!男子坐卧铺时鞋被穿错,一只斯凯奇变Prada:新鞋第一次穿就丢了,希望能找回

鲁中晨报
2026-01-24 17:23:25
门将李昊迅速蹿红,下一站留洋or加盟中超豪门?

门将李昊迅速蹿红,下一站留洋or加盟中超豪门?

澎湃新闻
2026-01-25 08:24:15
比亚迪在港卖爆了,传统豪车销量暴跌,这事儿你怎么看?

比亚迪在港卖爆了,传统豪车销量暴跌,这事儿你怎么看?

音乐时光的娱乐
2026-01-22 12:47:25
日本球员被问怎么评价中国队后懵了21秒 教练低声提醒:要保持尊重

日本球员被问怎么评价中国队后懵了21秒 教练低声提醒:要保持尊重

风过乡
2026-01-24 12:59:45
别再提什么斩杀线了!

别再提什么斩杀线了!

诗与星空
2026-01-24 12:17:44
2026-01-25 09:03:00
BioArtMED
BioArtMED
BioArt旗下科普媒体
4277文章数 2466关注度
往期回顾 全部

科技要闻

黄仁勋现身上海菜市场

头条要闻

媒体:冯德莱恩遭遇三连击 她的麻烦才刚刚开始

头条要闻

媒体:冯德莱恩遭遇三连击 她的麻烦才刚刚开始

体育要闻

当家球星打替补,他们在故意摆烂?

娱乐要闻

回归还是顶流 凤凰传奇将现身马年春晚

财经要闻

隋广义等80人被公诉 千亿骗局进入末路

汽车要闻

有增程和纯电版可选 日产NX8或于3-4月间上市

态度原创

手机
游戏
亲子
教育
公开课

手机要闻

大疆Osmo Pocket 4 Pro手持云台相机现身,横排双摄设计

小米SU7下周就来?《GT赛车》制作人发图暗示!

亲子要闻

哄睡新妙招!吹风机声+束带,宝宝一会儿就睡着了,网友:为什么孩子大了才告诉我!

教育要闻

二次函数面积问题第2讲,一个视频学会!

公开课

李玫瑾:为什么性格比能力更重要?

无障碍浏览 进入关怀版