中国康复研究中心王兴副教授BM：基于可溶性微针的经皮电刺激神经康复治疗设备

外周神经损伤作为一种临床常见的周围神经疾病，由外力直接或间接作用于周围神经所导致，常见的受损神经如腓总神经、臂丛神经和面神经等，对患者的机体健康与生活质量有着重大影响。研究报道，在送往创伤中心救治的患者中，上、下肢外伤中约分别有2.6 %和1.2 %存在外周神经损伤，但许多病例直到出院后才被发现，因此这一数据可能低估了真实发生率。运动功能恢复通常在伤后18至24个月达到平台期，对于完全性或严重神经损伤患者，甚至可能导致终身残疾。尽管研究人员在神经再生与康复治疗领域取得了很多突破与进展，但周围神经纤维是我们身体最脆弱的结构，因挤压、压迫或创伤而受损后无并发症的完全康复仍非常罕见。

近年来，大量国内外文献报道了低频电刺激疗法作为重症外周神经损伤的潜在辅助康复价值。经皮低频电刺激疗法通过脉冲传递至患侧神经接口，促进肌肉的代偿收缩，在外周神经损伤患者的功能康复上已取得显著进展。尽管如此，电刺激疗法在外周神经损伤康复方面仍受到限制，主要原因是人类皮肤的角质层具有很高的阻抗，影响了电刺激脉冲的传导，而神经位于真皮层，过强的电流密度可能导致正常组织的损伤及肌肉痉挛，较弱的电流则很难到达理想的刺激效果，同时现有的电疗仪器缺乏个体化适配特性。

中国康复研究中心王兴副主任医师/副教授、北医三院袁作楹副研究员、北京大学黄建永研究员合作研发的一种经皮电刺激神经康复治疗设备，其机械压缩强度高达~157 MPa，远超皮肤穿透所需~3 MPa，剥离强度为~3.86 N/cm²，柔性蛇形电极可承受2.147 N拉力并稳定工作600个周期。通过构建PEDOT:PSS/银纳米线双导电网络，电荷传输效率显著提升，通过有限元模拟显示最大电流和电流密度较传统PE基系统分别提高50倍和70倍。随后在大鼠面神经损伤模型上发现该设备显著改善了神经肌肉系统的形态结构、减少炎症浸润、保护轴突/髓鞘超微结构，并上调神经再生关键标志物S-100和MBP。中国康复研究中心与北京大学分为国内康复领域和学术研发的最高平台，本设备的研发通过攻关经皮电刺激疗法治疗外周神经疾患的关键技术，旨在进一步提升医疗服务质量和水平，深化我国康复医疗与“科技助残”服务体系建设，打造“政产学研用”一体化创新。相关论文以“Transcutaneous electrotherapy of facial nerve injuries based on dissolvable conductive microneedles”为题，发表在Bioactive Materials上。

材料设计与性能验证

图1 展示了基于DCMN的面神经损伤治疗示意图。

图1. 基于DCMN的面神经损伤治疗示意图。（A）面瘫模型示意图；（B）DCMN贴片结构；（C）DCMN穿刺面部皮肤组织释放电信号，演示受损神经的修复过程；（D）DCMN电疗法通过提升髓鞘碱性蛋白（MBP）和雪旺细胞标志物（S-100）的表达，促进周围神经再生并改善神经功能恢复。

图2 展示了可溶解导电微针（DCMN）的制备与表征。DCMNs采用PVP/PVA基质复合PEDOT:PSS/银纳米线薄膜制成（图2A）。实验采用20% PVA与20% PVP以1:1比例混合的基质系统，以评估电刺激治疗面瘫的疗效（图2B）。首先评估了PVA/PVP/PEDOT:PSS/Ag NWs复合材料的生物安全性，细胞实验中的用量根据微针体积确定。不同混合材料组的生物安全性测试（荧光成像和CCK8实验）均显示无细胞毒性（图S1）。在一步成型技术制备的三种可溶性微针中，添加了银纳米线的PVP/PVA/PEDOT:PSS（3P+Ag DCMNs）基质相容性良好，并能准确定位银纳米线的分布位置（图2C, D）。

三种微针具有良好的皮肤溶解性（图2E）。相较于其他不含银纳米线的微针，3P+Ag DCMNs的承压能力略有下降，这归因于干燥过程中聚合物基质与银纳米线发生的相分离现象（图2F）。但3P+Ag DCMNs的压强仍远高于皮肤穿透所需阈值（3.183MPa）。猪皮模拟人体皮肤的剥离实验表明，微针剥离需要3.86N/cm²的力（图2G）。通过激光刻蚀和电镀工艺制备设计的蛇形铜电极（图S5），其断裂位移达22.093mm，可承受2.147N的断裂力（图2H），在拉伸、扭曲和弯曲条件下仍保持结构完整性。抗疲劳测试以小鼠最大面部抖动位移为基准，在6mm位移下进行600次循环测试（持续2200秒）（图2J）。

图2. DCMN系统的形貌与力学性能表征。（A）DCMN系统组成与功能；（B）各组溶液的初始形态；（C）DCMNs制备工艺流程；（D）扫描电镜图像显示不同组分DCMNs的阵列结构；（E）3P+Ag DCMNs在20分钟内的溶解行为；（F）DCMN贴片压缩测试中压力-位移关系曲线；（G）DCMN贴片剥离测试中剥离力-位移关系曲线；（H）蛇形电极拉伸断裂测试；（I）蛇形电极在不同应变下进行20次拉伸-释放循环测试；（J）电极在17%应变下完成600次循环测试。*p < 0.05，**p < 0.01

图3 展示了可溶性导电微针的透皮电刺激系统电学性能测试结果。采用复合电阻测量（CRM）系统评估不同条件下的导电性能（图3A）。在CRM系统中，输入参数包括测量电压、时间和频率，输出结果为系统总电阻（图3B和C）。在1000Hz频率下，蛇形电极在不同拉伸状态下的电阻稳定维持在1-1.5Ω范围，比皮肤电阻低三个数量级（图3D）。使用万用表进行电阻测量，引入PEDOT:PSS和银纳米线后，电阻显著降低（图3E）。具体表现为：PP DMNs电阻4000Ω，3P DCMNs降至2800Ω，3P+Ag DCMNs进一步降至2100Ω（图3F）。穿刺皮肤后，随着DCMN溶解，电阻持续下降并在完全溶解前趋于稳定（图3G和H）。

图3. DCMN系统的电学特性表征。（A）测试系统示意图；（B）电阻测量流程图；（C）系统电阻测试电路原理图；（D）蛇形电极在不同拉伸应变下的电阻变化曲线；（E）DCMN溶液的电阻值对比；（F）不同组分DCMN溶液的电阻变化趋势；（G-H）DCMNs穿刺皮肤后电阻变化。*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001，ns表示差异无统计学意义

图4 展示了PE/DCMN的STESS电刺激仿真分析结果。通过有限元仿真（图4A），我们采用方波电刺激信号（图4B），精确预测了皮肤各层（尤其是富含神经的真皮层）的电流分布：DCMN-STESS的最大电流密度比PE-STESS提升约50倍（图4C-D）。在相同电压下，DCMN-STESS在角质层、表皮层和真皮层的电流密度分别达到平面电极系统的0.9倍、5.97倍和5.7倍（图4E）。电流密度与输入电压呈线性关系（图4F-G）。电流密度分布分析表明，DCMN在微针贴片中心纵轴方向的电流密度较平面电极提升70倍（150μm高度处，图4H-I），真皮层内更高的电流密度有利于为受损神经修复提供精准电刺激能量（图4J）。

图4. 基于DCMN系统的电刺激仿真分析。（A）平面电极与DCMN电极的截面结构示意图；（B）DCMN系统的电刺激信号波形；（C）电流密度空间分布仿真结果；（D）真皮层内电流密度仿真结果；（F-G）表皮层和真皮层中电流密度均值及最大值随电压变化的关系曲线；（H）数据采集空间位置示意图；（I-J）分别沿垂直和水平方向提取的电流密度数据。

图5 展示了面神经损伤修复疗效的体内评价。通过大鼠面神经挤压模型系统研究了不同治疗组对神经修复再生的影响（图5A）。建模后大鼠立即出现面瘫症状（图5B）。经DCMN电刺激治疗后，治疗组在第14天和第17天表现出显著恢复：DCMN+E组的眼功能与触须运动评分均显著高于PE+E组及其他对照组（p<0.05），其中触须运动功能改善尤为显著（图5C）。电生理检测显示，术后第7天所有组别肌动作电位值振幅均显著降低（p<0.001）。至第17天，DCMN+E组振幅恢复至12.57±1.88 mV（p<0.001），显著优于PE+E组的8.05±2.16 mV（p<0.01），而未施加电刺激的DMN/DCMN组未见明显恢复（图5D-E）。透射电镜显示该组髓鞘平均厚度（1.89±0.63 μm）最接近正常水平（p<0.05），且髓鞘神经纤维密度最高（图5F-H）。免疫组化证实DCMN+E组MBP和S-100表达水平最高（图5I-L），其中DCMN组MBP表达已显著高于空白组（p<0.05）。

图5. 基于DCMN系统的面神经再生与功能恢复体内评估。（A）面神经压挫伤模型治疗流程示意图；（B）术中暴露的右侧面神经干及术后模型外周性面瘫评估；（C）各组大鼠治疗后神经功能评分；（D）术后17天各组面神经电生理波形图；（E）术后17天复合肌肉动作电位振幅统计分析；（F）术后17天各组面神经透射电镜图；（I-J）术后17天各组MBP和S-100免疫组化染色典型图像；（K-L）神经元中MBP和S-100蛋白表达的统计学结果。

总结与展望

本研究创新性地构建了基于PEDOT:PSS/Ag NWs双导网络的DCMN，在神经组织工程领域取得重要突破。该设备兼具优异的机械强度（157 MPa承压能力）和快速溶解特性（20 min内完全释放），蛇形电极具备优越的导电稳定性，使系统在安全电压下产生较传统平面电极高达400倍的电场增强效应。

在面神经损伤修复研究中，该系统展现出显著的治疗优势：电生理检测显示治疗组CMAP振幅恢复达正常水平82.3%，透射电镜证实髓鞘厚度和神经纤维密度较损伤组分别提升3.2倍和4.8倍。分子机制研究进一步揭示，其通过激活钙依赖性BDNF释放通路，显著上调MBP和S-100等关键修复蛋白的表达。这些发现不仅为周围神经再生提供了新的治疗策略，更为可植入式电子医疗器件的界面优化和能量传递效率提升提供了重要理论依据。

综上，DCMN成功实现了从材料设计、器件优化到机制探索的全链条创新，其"结构-功能一体化"的设计理念和"材料-生物"界面调控策略，开发了神经修复的新型治疗范式。

https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2025.07.013

来源：高分子科学前沿

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