PNAS：宋恩名/李銳團隊開發無線自卷曲生物可吸收神經接口，精密神經修復

編輯丨王多魚

排版丨水成文

神經損傷修復是臨床中常見且致殘率較高的神經系統疾病，廣泛存在于創傷及醫源性損傷等場景中。盡管顯微外科縫合、神經導管移植及電刺激治療等手段已被應用于臨床，但由于神經損傷區域空間受限、個體差異顯著以及術后炎癥反應復雜，現有治療方式在精準調控、長期穩定性和微創性方面仍面臨諸多挑戰。尤其是傳統神經接口多依賴剛性器件或有線連接，難以與柔軟動態變化的神經組織實現長期共形貼附，限制了其在慢性神經修復中的應用。

隨著柔性電子與生物可吸收材料的發展，能夠在體內實現無線操控、形態自適應并在完成治療后自然降解的新型神經接口，成為神經精準治療領域的重要發展方向。然而，如何在保證器件力學順應性的同時，實現對局灶性神經區域的穩定包覆及多模態治療功能，仍是亟待解決的關鍵科學與工程問題。

針對上述挑戰，復旦大學宋恩名聯合大連理工大學李銳課題組提出了自卷曲、生物可吸收的雙穩態神經接口（self-wrapping bistable，SWB neural interface），該工作靈感來自于“啪啪圈”設計。器件基于應力梯度驅動的超薄 SiNx 雙層結構，在觸發后可由平面狀態自發轉變為三維卷曲結構，從而對不同直徑的外周神經實現溫和而穩定的包覆。

在功能集成方面，該神經接口引入 MXene 光熱層與藥物負載模塊，構建無線近紅外觸發的光熱治療與藥物釋放相結合的治療體系，實現了對神經修復過程的時空精準調控。通過系統的力學建模、有限元仿真及在體實驗，研究團隊驗證了器件自卷曲雙穩態轉變的可靠性、生物可吸收特性及其在大鼠坐骨神經損傷模型中的治療效果。

相關成果以：A self-wrapping, bioresorbable neural interface for wireless multimodal therapy of localized peripheral nerve injury 為題，發表于《美國國家科學院院刊》（PNAS）。復旦大學博士生劉鵬川、博士后周連杰、大連理工大學博士后徐典為論文第一作者，宋恩名與李銳教授為論文通訊作者。

圖1：自卷曲雙穩態神經接口的結構設計與工作原理

研究團隊構建了一種具備多功能集成能力的三層結構自卷曲雙穩態神經接口，其層層功能協同，為損傷神經提供全時程的精準干預。為了實現廣泛適配性，研究者系統調控 SiNx 雙層的厚度與長寬比，實現了卷曲直徑從 15 μm（適配細小神經束）到 1 mm（適配坐骨神經）的跨尺度可編程調節能力。實驗與有限元仿真一致表明：隨著 HF-SiNx 厚度的增加，卷曲角度 θ 逐漸減小，從而可精準控制最終卷曲狀態的曲率半徑。這一策略不僅確保了器件的結構可調性與功能通用性，也為不同損傷場景下的精準治療提供了可能。此外，相較于傳統依賴外部力縫合或復雜支架結構的植入設備，該應力驅動式自卷曲機制具有更高的自適應性與操作簡便性，無需縫線固定，即可實現穩定、順應、非侵入式包覆神經表面，有效規避了因器械位移或機械不匹配所造成的二次損傷風險。

圖2：雙穩態力學行為模擬與實驗驗證

研究團隊基于系統性的有限元分析與實驗觀測，深入揭示了該神經接口在應力驅動下從初始態→展開態→卷曲態的全過程轉變機制，明確其屬于典型的雙穩態彈性系統。在結構設計上，器件采用上下兩層 SiNx 構成應力驅動核心，其中上層 HF-SiNx 帶有較高的拉應力（positive internal stress），下層 LF-SiNx 帶有較弱的壓應力（negative internal stress）。在初始構型中，器件被固定于基底呈平展態，內應力積累而未釋放。釋放后，自由態會首先轉變為展開態（extended state），并在后續外部輕微機械觸發下迅速躍遷至卷曲態（rolled-up state），形成穩定的三維包覆結構。綜上所述，該器件的雙穩態設計不僅提供了高度順應的三維卷曲能力，還實現了結構可調、驅動可控、響應快速、材料安全、循環耐久等多重優異性能，為構建下一代智能化、動態響應的植入式神經接口奠定了堅實的力學基礎。

圖3：光熱+藥物多模態治療功能驗證

為了賦予該神經接口可控、非侵入、時空分辨可調的遠程治療能力，研究團隊在器件中間層引入了二維材料 Ti?C?Tx MXene 構成光熱響應單元。研究者系統測試了不同激光功率密度（100–150 mW/cm2）與不同照射時間（0-10 s）條件下的溫度響應曲線，實現了治療溫度范圍從室溫到 50°C 的高精度調控。

更重要的是，研究團隊進一步考慮了組織透射條件下的真實光熱性能。在模擬生理條件下（如覆蓋豬皮組織、厚度 0–12.5 mm），通過 Beer–Lambert 定律測定 808 nm 激光的透射衰減系數（μ ≈ 0.503 mm?1），發現即使在 5 mm 組織深度下仍可保留約 6.7% 的入射光強，對應溫升可達 6°C，足以驅動 MXene 層產生生理有效的熱療效應。該 MXene 光熱單元在卷曲神經接口中不僅實現了快速響應、精準調控、良好組織透過性與高度生物兼容性，更與藥物釋放模塊協同構成了時間上先藥物后光熱、空間上內藥外熱的多模態治療結構，為神經再生提供了連續、協同、可控的治療路徑。

圖4：在體治療實驗驗證神經功能恢復

為系統驗證所開發 SWB 神經接口在真實生理環境下的治療效果，研究團隊構建了大鼠坐骨神經鉗夾損傷模型，并將自卷曲神經接口植入至損傷區域，進行為期 4 周的在體干預。干預期間，每周進行 2 次 808? nm 近紅外激光照射（功率密度730?mW/cm2，每次5分鐘），以激活器件內部的光熱響應與藥物協同釋放。為了深入探討藥物釋放與光熱刺激兩種治療方式的作用機制與協同效果，研究團隊設計了四組對照實驗：Control（無干預）、Drug（僅藥物釋放）、PT（僅光熱刺激）、PT+Drug（聯合治療）。結果表明，盡管單一治療方式均能在一定程度上促進神經恢復，但聯合治療組的SFI改善程度、肌肉保護效果及神經功能指標均最優，充分驗證了本系統中“短期藥物+長期光熱”的時序協同治療策略的有效性與優越性。

圖5：器件的生物可吸收性與生物安全性驗證

可吸收性是衡量植入式器件臨床轉化潛力的關鍵指標。為避免傳統神經接口術后因材料殘留而需二次手術取出的風險，本研究所開發的SWB神經接口在材料選擇與結構設計階段即充分考慮了其整體生物降解能力與體內代謝安全性。

研究團隊通過磷酸鹽緩沖液（PBS，pH 7.4）在 95°C 條件下的加速浸泡實驗（模擬生理溫度下約 18 倍的加速比例），對器件中關鍵材料-MXene 層與 SiNx 層的溶解行為進行系統評估。為了進一步解析降解過程，研究團隊構建了多層反應擴散模型，該模型不僅可準確預測 MXene 層在 37°C 下的降解周期，還揭示了 SiNx 保護層對降解速率的初期緩沖作用。研究團隊采用 L929 成纖維細胞與器件浸提液共培養（24?h與72?h），通過 Calcein-AM/PI 雙染色與 CCK-8 活性檢測評估器件對細胞增殖與存活的影響。實驗結果說明 MXene 與 SiNx 材料的降解產物在濃度范圍內對細胞無毒性，具備良好體外生物相容性。

總的來說，該研究提出了一種兼具自適應三維結構、生物可吸收特性及無線多模態治療功能的新型神經接口，為局部外周神經損傷的精準治療提供了全新的技術路徑。該工作在結構設計、力學機制及治療策略層面實現了有機融合，為下一代微創、智能神經接口的發展奠定了重要基礎。

論文鏈接：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2521817123