神經(jīng)損傷會導(dǎo)致其支配的肌肉組織萎縮和變性，從而引起相關(guān)運動功能的缺陷。組織工程支架治療神經(jīng)損傷是學(xué)界前沿的治療策略，取得了較好的進展。基于組織工程支架治療的過程中，運動功能恢復(fù)狀態(tài)的監(jiān)測對于評估治療效果和調(diào)整治療方案至關(guān)重要。目前，評估神經(jīng)損傷后運動功能的主要方法是測量肌電信號，這種測量方式通常需要連接肌電電極和記錄裝置，導(dǎo)致患者使用十分不便。因此，開發(fā)一種可以伴隨神經(jīng)修復(fù)全過程的長期、便捷的運動功能實時評估傳感體系對于神經(jīng)修復(fù)治療具有重要的輔助意義。
為解決上述問題，近期，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所李舟教授團隊開發(fā)了一種具有良好生物降解性和生物相容性的植入式左旋聚乳酸（PLLA）/鈦酸鋇（BTO）壓電傳感器（PBPS），用于實時評估神經(jīng)損傷后的運動功能恢復(fù)。這一傳感器由全可降解的材料制備而成，可以在外周神經(jīng)修復(fù)的治療性的組織工程支架植入的同時植入，并且可以隨著治療過程逐漸降解，避免二次手術(shù)取出的風(fēng)險。另外，PBPS與信號無線傳輸模塊的集成可以打破傳感時間和空間的限制，實現(xiàn)大鼠運動功能的實時便攜式評估。
圖1 PBPS的結(jié)構(gòu)示意圖和工作流程圖
具體而言，研究人員設(shè)計了一種植入式PBPS運動傳感器，圓弧花瓣形狀設(shè)計使其與組織有良好的適形性，在感受力學(xué)作用時更加靈敏。通過將BTO納米顆粒摻雜到PLLA納米纖維中，增加了材料在多方向的壓電效應(yīng)，實現(xiàn)了材料整體的壓電性能提升。PBPS的最大輸出電壓（Vmax）可以達到1.8 V，最大輸出電流（Imax）約為30 nA，呈現(xiàn)出良好的力-電響應(yīng)關(guān)系，線性度達到0.9445。此外，研究人員構(gòu)建PBPS的所有核心單元（PLLA/BTO膜、聚己內(nèi)酯（PCL）膜和鉬（Mo）電極）都是生物可降解材料，且具有良好的細(xì)胞、血液和組織相容性。在大鼠坐骨神經(jīng)損傷模型中，隨著修復(fù)過程的進展，PBPS傳感器的輸出信號逐漸增加，與傳統(tǒng)的肌電圖測試信號具有相似的響應(yīng)型，表明PBPS具備評估神經(jīng)損傷后運動功能恢復(fù)情況的能力。利用短時傅立葉變換對測試信號的一部分進行時頻分析的結(jié)果表明EMG信號和PBPS信號在時頻響應(yīng)上表現(xiàn)出良好的一致性，這進一步證明了基于PBPS的傳感系統(tǒng)可以在神經(jīng)損傷后的運動功能恢復(fù)評估中發(fā)揮類似于肌電評估的作用。最后，通過將PBPS與無線傳輸模塊和移動終端相結(jié)合，可以將大鼠運動過程中通過PBPS產(chǎn)生的電信號無線傳輸?shù)揭苿咏K端，實現(xiàn)對坐骨神經(jīng)損傷后大鼠模型運動功能實時監(jiān)測與評估。
圖2?體內(nèi)運動狀態(tài)傳感評估
中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所李舟教授、北京航空航天大學(xué)劉卓副教授以及國家納米科學(xué)中心胥玲玲博士為該論文的共同通訊作者。中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所博士生單義珠為該論文的第一作者。相關(guān)工作以“A biodegradable piezoelectric sensor for real-time evaluation of the motor function recovery after nerve injury”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials期刊上。論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202400295
延伸閱讀：
《即時診斷應(yīng)用的生物傳感器技術(shù)及市場-2022版》
