南理工冯章启团队《自然·通讯》：用于靶向外周神经电调控的软铁驻极体超声波接收器

生物电子医学是一个快速发展的领域，靶向的电刺激信号可以作为药物的辅助或替代品，通过按需刺激周围神经系统来治疗神经系统疾病。然而，现有的策略受到外部电池需求以及刚性电极与软神经之间的机械不匹配导致的损伤和炎症的限制。针对这一挑战，南京理工大学冯章启、香港理工大学王钻开、Steven Wang及东南大学王婷等科研团队共同协作，开发了一种无线、无导线和无电池的铁驻极体植入物，称为NeuroRing，它可以包裹在目标周围神经周围，并表现出对动态运动神经组织的高机械一致性。NeuroRing可以充当超声波接收器，将超声波振动转换为电刺激脉冲，从而按需刺激目标周围神经。

NeuroRing是由PVDF纤维基体和氧化锌（ZnO）颗粒复合而成的铁驻极体纤维无纺布，采用层流辅助静电纺丝方法制备而成（图1）。从外部喷嘴吹出的高速空气形成一个射流，该射流在泰勒锥后面合并成一个层流场。这种吹气力增强了PVDF和ZnO之间的空化效应，使填充在PVDF纤维中的ZnO颗粒周围形成空隙。这种空隙可以在材料表面和材料内部获得额外的电偶极子，从而提高电性能输出。偶极子数量的增加了铁电体在超声振动激发下产生的自发电荷。所制得铁电体的d33高达6 ± 2 pC N−1，远高于压电聚合物，甚至可与压电陶瓷相媲美。铁驻极体纤维无纺布对动态运动神经组织具有高度的机械顺应性，其杨氏模量值为7.6 MPa，与外周神经组织类似，但比常用的压电陶瓷（如PZT、BaTiO3）低4-6个数量级。单根铁驻极体纤维的杨氏模量值为2.7 GPa，它近似于各种纤维生物聚合物的范围，例如天然压电胶原蛋白 (0.5-10 GPa)。铁驻极体纤维无纺布能够保形包裹神经组织，不会造成组织损伤或炎症反应。

图1: NeuroRing的制备方案和结构表征。

NeuroRing可以作为超声波接收器将超声波振动转换为电刺激脉冲。为了检测电荷释放的动态变化，将NeuroRing浸没在距离超声波探头10 mm的乙醇中。在频率为 2 MHz，强度为 2.1 W cm-2 的 US激发下，它产生的峰峰值电压为6 V，显著高于吹气式PVDF纤维（峰峰值电压为1.6 V）和PVDF/ZnO复合纤维（峰峰值电压为2.7 V）。即使在植入10 cm厚的猪肉组织后，NeuroRing仍然能输出大于250 mV的、电压输出（图2）。卓越的机电转换性能使其可以在超声波的激发下输出超阈值电刺激激活SH-SY5Y衍生的神经元样细胞的钙瞬变。

图2: NeuroRing的机电转换性能。

为了验证NeuroRing在治疗疾病中的有效性，研究人员提出了使用骶神经刺激来治疗结肠炎（图3）。电刺激治疗可以减轻结肠炎的炎症和疼痛，并减少对心血管系统和其他内脏器官的潜在副作用，这是治疗方案的关键之处。通过使用超声脉冲触发的干预疗法和测量神经传导的脑电图，研究人员验证了NeuroRing可以激活脊髓传入通路和迷走神经传出通路。此外，NeuroRing还对交感神经和迷走神经内分泌激素的释放产生显著影响，进一步证实了它在神经调控中的作用。在治疗结肠炎方面，NeuroRing通过调节免疫细胞、抗氧化酶活性和细胞因子表达，成功逆转了由DSS引起的结肠组织损伤，提高了大鼠对结肠炎的抵抗力。总体而言，这项研究支持使用超声触发的NeuroRing作为治疗结肠炎的有效方法。

图3: NeuroRing靶向骶神经治疗结肠炎。

无线、无导线和无电池的 NeuroRing 是生物技术的一项创新，它有可能通过超声脉冲触发刺激周围神经来精确调节器官功能。这种精密技术依赖于专注于内脏器官神经支配的内脏神经图谱，如肺、心脏、肝脏、胰腺、肾脏、膀胱、胃肠道、淋巴和生殖器官。它们的特定神经支配，包括交感神经、副交感神经、感觉和肠道系统，仍在绘制中，目标是在神经纤维和电脉冲水平上实现高分辨率。随着这种内脏神经图谱的逐渐完善，它为在临床中精确植入 NeuroRing 创造了令人兴奋的潜力。设想使用这个图谱作为参考，将 NeuroRing 植入身体的任何部位以获得治疗效果。神经刺激的参数可以通过调整频率和强度等超声参数来调节，以满足神经系统疾病和疾病对不同过程的多维要求。对骶神经刺激治疗结肠炎的研究是这种潜力的一个例子，也是周围神经电调节治疗疾病的坚实基础，为非特异性药理学方法及其伴随的副作用提供了潜在的替代方案。这项研究可以为患者带来一类新的精准医学，并作为不断发展的生物电子医学领域的框架。

致谢香港城市大学机械工程系、香港城市大学自然工程研究中心、香港大学麻醉系、东南大学生物电子学国家重点实验室、香港理工大学机械工程系协助完成这项研究。南京理工大学冯章启，香港城市大学王钻开、Steven Wang及东南大学王婷为本论文共同通讯作者。

团队简介：冯章启教授团队长期聚焦人体能源与健康需求，围绕人体自发电与无源电子诊疗技术，以柔性电子材料和器件开发为核心、以人体转化应用为导向开展相关研究。近年在新能源、生物电子、生物医学等领域取得了一系列科研成果。代表性的有：Nature Communications, 2023, 14, 8386、Advanced Functional Materials, 2023, 2209407、Advanced Functional Materials, 2022, 2209658、Nature Communications, 2022, 13, 5302、Science Advances, 2021, 7: eabh2350、Advanced Materials, 2021, 33, 2104175、 Advanced Materials 2021, 33, 2006093等。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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