脑机启侦 | 微小的植入物能帮助瘫痪的老鼠重新行走（04.02）

1研究背景RESEARCH BACKGROUND

脊髓损伤后，神经通路断裂常导致永久瘫痪，现有治疗手段效果有限。但一项新研究为这一困境带来突破：通过植入含氧化铱薄膜（SIROF）电极的超薄硬膜下装置，每日施加2Hz低频电场，竟让胸椎挫伤的大鼠在12周后恢复hind limb协调运动，触觉敏感度也显著提升，为脊髓损伤治疗开辟了 “无创修复” 新路径。

2研究概述RESEARCH OVERVIEW

基于功能化导电聚合物的设计，研究团队设计了功能化聚苯胺基时序黏附水凝胶贴片。它可以实现心脏的同步机械生理监测和电耦合治疗，并牢固附着在心脏表面监测心脏的机械运动和电活动。

该研究开发了一款超薄硬膜下生物电子植入装置，通过SIROF电极每日施加低频电场，在大鼠胸椎挫伤模型中验证了其安全性与疗效，解决了传统电极腐蚀、电场穿透不足的问题。

1.核心材料与制备

研究团队采用微纳制造技术，打造了基于聚酰亚胺的超薄硬膜下植入装置：

■ 装置含2个直径200μm的SIROF刺激电极（位于损伤部位两侧）、2个备用电极及记录电极，整体厚度仅4μm，可直接贴合脊髓软膜表面。SIROF电极通过pseudocapacitive电荷注入（铱元素价态变化）传递电流，避免产生扩散性有毒产物；

■ 硬膜下放置设计无需穿透脑膜和脑脊液，电场穿透效率比硬膜外提升13%，仅需5μA电流即可在脊髓内形成0.8-1.6mV/mm的治疗级电场，远低于传统装置的电流需求。

2. 体外验证

研究将大鼠分为三组：

■ 治疗组（n=8，损伤 + 每日电场）

■ 对照组（n=10，仅损伤）

■ 无损伤组（n=10）

从术后第1天开始，治疗组每日接受1小时2Hz双相电场治疗（脉冲宽度250ms），前11天连续治疗，后续每周5次，持续12周。

结果显示：治疗组大鼠虽在术后1周恢复较慢（BBB评分低于对照组），但从第4周起反超，12周时BBB评分达8.4，100%实现前后肢协调运动，而对照组仅20%能达到该水平；治疗组大鼠在术后1周就表现出更快的后爪退缩反应（电子von Frey测试），且在3-12周持续优于对照组，部分时间点甚至比无损伤组反应更快； histological分析显示，治疗组脊髓内小胶质细胞（IBA1+）和星形胶质细胞（GFAP+）活性与对照组无差异，未引发神经炎症。

治疗组与对照组大鼠后爪退缩潜伏期对比

3.装备稳定性与电场模拟

如下图所示，为验证装置长期安全性，研究团队开展了多组测试：

■ 体外稳定性：在模拟脑脊液的PBS溶液中，SIROF电极连续90小时施加相同电场后仍保持完整，而传统铂电极出现分层溶解；加速老化测试（55℃下18天，相当于37℃下62天）也显示，电极阻抗和电荷注入能力无显著变化；

■ 电场模拟：通过有限元模型分析不同脊髓尺寸（小、中、大）的电场分布，发现无论脊髓大小，装置均能在损伤区域形成0.6 mV/mm以上的纵向电场，且硬膜下放置比硬膜外电场强度提升13%，确保治疗效果。

不同脊髓尺寸下的纵向电场强度分布模拟结果

3研究意义RESEARCH SIGNIFICANCE

这项研究的突破在于解决了传统电场治疗的核心瓶颈：SIROF电极的特性避免了金属腐蚀问题，硬膜下设计提升了电场穿透效率，且每日1小时的治疗方案在12周内未引发神经炎症，证实了长期使用的安全性。

更重要的是，该研究首次在慢性脊髓损伤模型中实现运动、感觉功能的双重恢复，为临床转化奠定基础 —— 未来通过优化电极尺寸、结合神经保护药物，有望为人类慢性脊髓损伤患者提供 “门诊式” 长期治疗方案，让患者无需手术更换装置，仅通过体外调控即可持续促进神经修复，真正实现脊髓损伤的 “无创、长效” 治疗。

素材来源

参考文献：Bruce Harland, Lukas Matter, Salvador Lopez, Barbara Fackelmeier, Brittany Hazelgrove, Svenja Meissner, Simon O’Carroll, Brad Raos, Maria Asplund, Darren Svirskis. Daily electric field treatment improves functional outcomes after thoracic contusion spinal cord injury in rats. Nature Communications, 2025

来源：BME康复工程分会、脑机接口社区

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