东南大学王婷/蔡彦团队CCL：一种自供电植入式摩擦电荷收集器用于神经组织修复

长期稳定的电刺激治疗，对于治疗外周神经损伤（PNI）、具有至关重要的意义。电刺激能够有效去极化神经元，触发神经细胞内的再生信号级联反应，可植入电刺激设备满足临床对有效长期刺激疗法的迫切需求，推动神经再生医学的发展。

针对这一挑战，东南大学王婷、蔡彦团队合作开发了一种自供电可植入式摩擦电荷收集器（TENG）及导电神经套管（PCL-Ag），用于神经组织修复。该系统利用呼吸或运动产生的机械振动，在无需外部电源的情况下持续输出电信号，调节受损坐骨神经周围的电场，维持神经组织快速修复所需的电场阈值，加速神经功能恢复。这一成果发表在《Chinese Chemical Letters》期刊上，题为“Integrated implantable triboelectric charge collector for nerve repair”，为自供电神经修复电子疗法奠定了技术基础。

电信号稳定对神经修复至关重要，稳定的电场微环境和电信号传导可加速神经组织修复。基于此，团队开发了一种自供电植入式摩擦电荷收集系统，该系统由电荷收集器和神经导管组成。为匹配大鼠肌肉运动并有效收集运动产生的电压，团队合成了含氧官能团的介孔二氧化硅（H-SiO₂）。通过旋涂技术将其嵌入聚二甲基硅氧烷（PDMS）中形成电荷收集器，并与导电聚己内酯（PCL-Ag）导管材料结合，制成自供能神经支架，如图1所示。

图1 电荷收集器的制备过程以及电信号产生原理

研究团队通过H-SiO₂植入PDMS薄膜内，增加PDMS的比表面积，进而增强PDMS薄膜电荷转移能力以及电荷存储能力，提供可调控的电信号输出。实验发现，当H-SiO₂的含量达到5%时，电荷收集器展现出了较为良好的电信号输出能力以及抗拉伸性能。此外，循环伏安曲线显示：添加了H-SiO₂能提升PDMS膜的电荷滞留性能，进而为神经组织修复的微环境起到了稳定、持续的作用。

图2 介孔二氧化硅以及PDMS薄膜力学性能以及电性能表征

体外实验证实，电荷收集器与神经导管表现出优异的生物相容性。电刺激作用下，PC12细胞的细胞周期分布发生显著改变，具体表现为细胞增殖速率提升和凋亡进程延缓。进一步的细胞增殖实验和划痕实验结果表明，电刺激组的PC12神经细胞增殖活性显著高于对照组（p<0.05）。这些发现不仅验证了神经导管在电刺激环境下的良好生物相容性，同时揭示了其促进神经细胞增殖的显著功效。

图3 导电聚己内酯神经导管支架生物相容性测试以及电信号促进神经细胞增殖实验

在动物实验中，选择了坐骨神经损伤作为外周神经再生研究模型，将TENG放置在背部肌肉，随后连接PCL-Ag，利用大鼠运动引发TENG装置对坐骨神经实施电刺激，治疗四周后，电刺激组神经密度比对照组明显增加，轴突长度更长。坐骨神经功能指数（SFI）分析表明，在第四周达到了-20±1.2，显著优于对照组-38±2.3。腓肠肌重量比较显示，电刺激组（45±4.2）%高于对照组（35±15%）证明电刺激减轻了肌肉萎缩。TENG的自供能电刺激系统可以促进轴突再生和髓鞘重塑改善神经传导功能，显著加速了坐骨神经的结构和功能恢复，同时有效减轻了失神经性肌肉萎缩。

图4 大鼠体内摩擦电纳米发电机的植入及功能恢复情况；以及运动功能恢复情况

在本研究中，研究团队开发了一种神经修复系统，该系统包含一个电荷收集器设备和一个神经导管。其中电荷收集器中添加H-SiO₂增加了收集器电荷输出能力以及电荷稳定性。在装置中，介孔H-SiO₂的含量为5%，PDMS单体与固化剂的比例为10:1下该设计不仅保证了材料的机械性能，还有效地确保了摩擦电纳米发电机（TENG）的电荷收集。通过细胞周期动力学研究发现，电刺激可以加速细胞增殖速率。这一发现在后续的划痕实验和细胞增殖实验中得到验证。在动物实验中，电刺激组的坐骨神经修复效果优于对照组，组织切片中的神经纤维更为完整。在该装置中，二氧化硅分子筛不仅起到增强应力的作用，更重要的是，其电荷收集功能稳定了神经损伤中的内源性神经电场，确保了静息膜电位的维持，并保证了电刺激水平的一致性。综上所述，我们开发了一种柔性摩擦电器件，可通过内源性机械刺激修复神经组织，展现出良好的应用潜力。

本研究得到了中国自然科学基金（项目编号：11204033）、CMA洲立行中国皮肤研究基金2015（项目编号：S2015121421）以及中国药科大学国家重点天然药物实验室开放研究基金（项目编号：SKLN-MKF201803）、东南大学机构基础研究基金的支持。

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！