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現(xiàn)代柔性電子技術(shù)的發(fā)展使生物電子材料成為體內(nèi)人工組織。由于水凝膠更類似于神經(jīng)組織，功能性水凝膠已成為生物電子學(xué)的一個(gè)很有前途的候選者。與此同時(shí)，功能性水凝膠和活體組織的接口處于生物電子學(xué)的前沿。周圍神經(jīng)損傷往往會(huì)導(dǎo)致癱瘓、慢性疼痛、神經(jīng)紊亂甚至殘疾，因?yàn)樗�影響了大腦和身體其他部位之間的生物電信號(hào)傳輸。

近日，來自江蘇南京大學(xué)的沈群東教授團(tuán)隊(duì)研制了一種具有光刺激反應(yīng)和可拉伸性的導(dǎo)電聚合物水凝膠(CPH)來探索人工神經(jīng)。近紅外光照射可提高CPH的電導(dǎo)率，促進(jìn)生物電信號(hào)的傳導(dǎo)。當(dāng)CPH被機(jī)械地延長(zhǎng)時(shí)，它仍然具有很高的傳導(dǎo)耐久性，因此，可以容納運(yùn)動(dòng)中的神經(jīng)組織的意外應(yīng)變。相關(guān)工作以“Conductive Hydrogel for a Photothermal-Responsive Stretchable Artificial Nerve and Coalescing with a Damaged Peripheral Nerve”為題發(fā)表在期刊ACS Nano。

圖 1高柔性和近紅外響應(yīng)導(dǎo)電聚合物水凝膠替代受損的周圍神經(jīng)示意圖

通過聚苯胺(PANI)和聚丙烯酰胺(PAM)的共聚，制備了導(dǎo)電性能優(yōu)良、力學(xué)性能與神經(jīng)組織相似、生物相容性好的堅(jiān)韌導(dǎo)電水凝膠。PAM的酰胺鍵可以與苯胺分子相互作用，可原位吸附并誘導(dǎo)苯胺聚合，形成透明的PAM/PANI導(dǎo)電凝膠。冷凍干燥后，用掃描電鏡(SEM)觀察CPHs的橫斷面形態(tài)。與典型的水凝膠類似，CPHs表現(xiàn)出三維微孔泡沫網(wǎng)絡(luò)。有利于三維水凝膠結(jié)構(gòu)內(nèi)的細(xì)胞穿透和組織形成(圖2B,C)。與此同時(shí)，由于PANI的摻雜，制備型CPHs表現(xiàn)出良好的電學(xué)性能，即使它們被延長(zhǎng)到原來長(zhǎng)度的三倍(圖2E,F)。

圖2 導(dǎo)電聚合物水凝膠的制備及表征

如圖3所示,CPH的電阻率(0.2 - 0.3Ω·米)遠(yuǎn)優(yōu)于PAM，這是由于聚苯胺的摻雜。電化學(xué)阻抗譜(EIS)檢測(cè)了CPH在PBS中的電活性。如圖3B所示，PAM和CPH的Nyquist圖在高頻區(qū)域呈準(zhǔn)半圓形，說明PAM和CPH都具有電荷轉(zhuǎn)移的能力。此外，還模擬了CPH在體內(nèi)替代受損神經(jīng)的可行性和生物電信號(hào)在神經(jīng)中的傳導(dǎo)。如圖3E所示，當(dāng)神經(jīng)完全受損時(shí)，生物電信號(hào)無法傳輸。將受損神經(jīng)與CPH連接后，可恢復(fù)生物電信號(hào)傳輸功能。

圖3 CPH的物理和電學(xué)性能

隨后，作者選擇離體的坐骨神經(jīng)和腓腸肌，以驗(yàn)證CPH是否具有良好的導(dǎo)電性，并可作為體外植入式神經(jīng)替代物。CPH替代神經(jīng)組隨著刺激電壓的升高與坐骨神經(jīng)組呈現(xiàn)相同的升高趨勢(shì)(圖4D)。另外，CPH置換術(shù)后坐骨神經(jīng)的神經(jīng)傳導(dǎo)時(shí)間(CT)與完好的坐骨神經(jīng)相似，提示CPH可在功能上替代受損神經(jīng)(圖4E)。這一現(xiàn)象進(jìn)一步證明CPH可以替代受損神經(jīng)，恢復(fù)繼發(fā)性感覺功能。

圖4 體外用CPH替代蟾蜍坐骨神經(jīng)

為模擬外周神經(jīng)損傷，采用臀背外側(cè)肌分裂切口暴露坐骨神經(jīng)，切除10 mm坐骨神經(jīng)。然后，使用為種植體準(zhǔn)備的線性CPH，將損傷神經(jīng)與神經(jīng)縫合連接。如圖5B、C所示，經(jīng)單相脈沖刺激后，橫切神經(jīng)組的CMAPs峰對(duì)稱性與正常神經(jīng)有顯著差異。而CPH替代組與正常神經(jīng)具有相似的峰對(duì)稱性，說明CPH可以替代受損神經(jīng)實(shí)現(xiàn)生物電信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)。

圖5 在嚙齒動(dòng)物模型中用于坐骨神經(jīng)的外科植入、手術(shù)和置換

綜上所述，作者通過PANI和PAM的共聚制備了具有優(yōu)良導(dǎo)電性、力學(xué)性能與神經(jīng)組織相似、生物相容性好的韌性導(dǎo)電CPH。CPH的這些優(yōu)異性能成功地在體外替代了受損的蛇腳蟾坐骨神經(jīng)。此外，我們的體內(nèi)數(shù)據(jù)顯示，植入CPH作為高導(dǎo)電橋可以替代坐骨神經(jīng)的缺失，表明CPH可以作為一種潛在的生物材料，在組織工程中替代受損的周圍神經(jīng)。

信息來源: EngineeringForLife

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