南京大学ACS Nano:光控电池集成神经导管,可编程外周神经疼痛管理的植入式电疗新方案
疼痛是全球范围内影响超过30%成年人的主要健康问题，慢性神经病理性疼痛对当前药物疗法的响应率不足50%，且常伴随依赖风险。植入式电疗设备通过定向电刺激阻断疼痛信号，展现出作为工程化疼痛治疗策略的巨大潜力。理想的植入式电疗设备应具备小体积、无经皮导线、长期可靠运行等特点。然而，现有植入式电疗设备通常刚性大、体积庞大，无法与神经组织尺寸兼容，必须通过导线延伸连接刺激部位与远端植入设备，这带来了导线断裂、感染等临床风险。此外，外部控制电路大幅增加能耗，限制设备使用寿命，迫使患者接受频繁的更换手术，增加出血、术后感染和器官功能障碍等并发症风险。因此，开发无需外部控制电路、体积小、可直接贴合神经的植入式电刺激器件具有重要的临床意义。针对上述挑战，南京大学固体微结构国家重点实验室、工程与应用科学学院张晔教授团队提出了一种光控、电池集成的神经导管，通过光诱导电解质中水分子的可逆重定位实现输出可调的电刺激。该神经导管采用锌-氧电池体系，阴极使用碳纳米管/铂（CNT/Pt），阳极使用锌箔，电解质为水、月桂酸钠、聚多巴胺和聚丙烯酰胺（PAAm）组成的刺激响应性电解质。在无近红外光照射时，水分子被固定在月桂酸钠结晶中，电解质呈结晶/聚合物复合态，内阻高达5.4×10⁴ Ω，几乎无输出。近红外光照射下，聚多巴胺将光转化为局部热，诱导月桂酸钠结晶发生固-液相变，释放的水分子快速水化聚合物网络，形成连续的离子导电水凝胶，内阻骤降至1.5×10² Ω，从而启动放电。输出波形可通过调节光强和脉冲模式精确编程，电压上升速率随光强增加而提高，输出可稳定循环300次以上，连续工作60天。该神经导管体积仅26 mm³，可直接缠绕神经，无需外部控制电路。在慢性压迫性损伤（CCI）疼痛模型中，可编程的间歇性电刺激（7.3 mW·mm⁻²，30秒开/30秒关，20分钟）实现了97%的神经传导阻滞率，显著下调DRG和脊髓中TRPV1表达，促进M2巨噬细胞极化，降低炎症因子，恢复机械痛阈和热痛阈至健康水平，并持续30天。相关内容以“Light-Controlled Battery-Integrated Nerve Conduit for Peripheral Nerve Pain Management”为题，发表在ACS Nano。图1. 光控电池集成神经导管的设计： (a) 神经导管包裹神经并传递多种电刺激波形的示意图。(b) 神经导管的工程设计图。(c) 神经导管的实物照片。图2. 工作机理： (a-b) 光控输出机制示意图：光照使水分子从层状晶体中重新定位到聚合物网络中，改变神经导管内阻，实现开关式功率输出。(c-d) 无光（c）和光照（d）下刺激响应性电解质的扫描电镜图像及照片。(e-f) 关态和开态电解质的X射线衍射图谱（e）及傅里叶变换红外光谱（f），显示结晶特征峰消失及酰胺基团红移。(g) 电解质在100个循环中的可逆性。(h-i) 无光照（h）和光照（i）下神经导管的电化学阻抗谱。(j) 有无光照下神经导管内阻统计（n=3）。图3. 可调电输出： (a) 脉冲光照下神经导管的电压响应时间（电流密度0.1 mA·cm⁻²，光强4.7 mW·mm⁻²，电压变化幅值0.15 V）。(b) 不同光强下神经导管的输出电压（电流密度0.1 mA·cm⁻²，电压变化幅值1 V）。(c) 不同脉冲协议下的输出电压（电流密度0.1 mA·cm⁻²，光强6.0 mW·mm⁻²，电压变化幅值1 V）。(d) 神经导管的循环稳定性（300次以上）。(e) 神经导管60天内的输出电压稳定性。图4. 光控电池集成神经导管在疼痛管理中的可编程神经调控： (a) 神经导管用于疼痛管理的示意图。(b-c) 可控刺激（b）和持续刺激（c）下记录的复合神经动作电位（CNAP）及阻断比随时间变化。(d-e) 机械痛阈（d）和热痛阈（e）评估治疗效果（n=4只大鼠）。(f) 健康对照组、慢性压迫性损伤（CCI）疼痛模型组和可控刺激组背根神经节中TRPV1的免疫荧光图像。(g) 高架十字迷宫装置示意图及开臂停留时间统计（n=4）。(h) 与其他神经刺激器的设备尺寸和治疗时间的Ashby式对比图。本研究成功开发了一种光控、电池集成的神经导管，利用光诱导水分子的可逆重定位实现了输出波形、强度和脉冲模式的精确编程，无需任何外部控制电路。其体积仅26 mm³，可直接缠绕神经，力学模量与神经组织匹配（0.6~3.2 MPa），弯曲刚度低至3×10⁻⁶ N·m²，具有良好的机械顺应性。在慢性神经病理性疼痛模型中，可编程的间歇性电刺激（30秒开/30秒关）实现了97%的神经传导阻滞率，通过下调TRPV1表达、促进M2巨噬细胞极化和降低炎症因子，将机械痛阈和热痛阈恢复至健康水平，效果持续30天，且未观察到组织损伤或炎症反应。该器件尺寸较现有植入式冷却刺激设备、药物递送设备和电刺激设备分别缩小约13.7倍、65.6倍和1.5倍，治疗时间至少延长3.3倍。这一光控、无线、小型化的电刺激平台为外周神经疼痛管理提供了全新的可编程治疗方案，并可拓展至神经再生、骨修复、伤口愈合等广泛的电治疗领域。
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https://doi.org/10.1021/acsnano.6c06247来源：BioMed科技声明：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！
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