近日,復(fù)旦大學(xué)宋恩名教授和團(tuán)隊(duì)造出一種名為 SWB 的神經(jīng)接口,可以自己卷起來包住受傷的神經(jīng),容納后慢慢釋放藥物、用光加熱治療,最后還會(huì)自己消失,不用二次手術(shù)取出來。
該神經(jīng)接口的整體厚度只有 1 微米左右。它平時(shí)是攤平的一張薄膜,當(dāng)把它放在受傷的神經(jīng)旁邊,輕輕一碰,它就像卷餅一樣自己卷起來,嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)地裹住神經(jīng)。不管神經(jīng)粗得像牙簽,還是細(xì)得像頭發(fā)絲,甚至比頭發(fā)絲細(xì)十倍,它都能貼得剛剛好。
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(來源:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2521817123)
宋恩名告訴 DeepTech:“以前的神經(jīng)修復(fù)裝置大多是毫米級(jí)的,我們首次能做到了 15 微米直徑以下的自卷曲,可以匹配那些特別細(xì)的神經(jīng)末梢。而且我們率先實(shí)現(xiàn)了把智能光熱材料和可降解藥物層集成到自卷曲管里的,實(shí)現(xiàn)了無線、多模式的綜合性聯(lián)合治療。”
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圖 | 宋恩名(來源:受訪者)
這個(gè)卷起來的能力從何而來?秘密藏在材料里。
該團(tuán)隊(duì)使用了兩層氮化硅薄膜,一層內(nèi)部有拉應(yīng)力,一層內(nèi)部有壓應(yīng)力,就像兩根緊繃的橡皮筋朝著不同的方向使勁。平時(shí),這兩層互相拉扯著保持平衡,一旦從襯底上釋放下來,就會(huì)自動(dòng)卷曲成為管狀。通過調(diào)整兩層的厚度比例,就能控制卷起來的直徑,最小能夠做到 15 微米,最大能到 1 毫米。也就是說,從最細(xì)的神經(jīng)末梢到最粗的坐骨神經(jīng),它都能完美貼合。
光會(huì)卷還不夠,還得會(huì)治病。在這個(gè)三層結(jié)構(gòu)里,最內(nèi)層貼著神經(jīng)的那一面,涂了一層海藻酸鈉,里面裝了一種名為吲哚-3-丙酸的藥物。這種藥物是人體腸道內(nèi)天然存在的物質(zhì),研究發(fā)現(xiàn)它能激活一種名為孕烷 X 受體的蛋白質(zhì),調(diào)動(dòng)免疫細(xì)胞來清理受損部位的垃圾,為神經(jīng)再生鋪平道路。藥物在植入后 45 分鐘內(nèi)會(huì)釋放 80%,能夠做到快速起效。
中間是一層 MXene 材料,只有 110 納米厚。這個(gè)材料能夠吸收近紅外光然后發(fā)熱。該團(tuán)隊(duì)使用 808 納米的激光照射它,30 秒就能升溫十幾度。這個(gè)熱度控制在 43 度左右,剛好能夠促進(jìn)神經(jīng)修復(fù)而不會(huì)燙傷組織。激光可以穿透皮膚和組織,在體外無線控制,無需在身體上開洞接線。
最外層是復(fù)合型雙層氮化硅,用來保護(hù)整個(gè)結(jié)構(gòu),同時(shí)讓激光順利透照到 MXene 上。該團(tuán)隊(duì)把這種材料在大鼠身上做實(shí)驗(yàn)。先把大鼠的坐骨神經(jīng)夾傷,打造出來神經(jīng)損傷模型,然后把該微管結(jié)構(gòu)自卷曲在受傷的地方。之后每周食用激光照射兩次,每次 5 分鐘,一個(gè)月后查看效果。
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(來源:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2521817123)
結(jié)果很明顯。沒有任何治療的那組,大鼠走路一瘸一拐,后腿肌肉萎縮得很厲害。用了這個(gè)裝置的那組,走路姿勢(shì)接近正常大鼠,肌肉也飽滿很多。他們還使用電極刺激神經(jīng),測(cè)量肌肉的電信號(hào),結(jié)果發(fā)現(xiàn)治療組的信號(hào)強(qiáng)度比未治療組高出 30% 以上。顯微鏡下的神經(jīng)切片顯示,治療組的髓鞘厚度也更加接近健康神經(jīng)。
而且,這套裝置完成任務(wù)后會(huì)自己消失。該團(tuán)隊(duì)將它泡在模擬體液的溶液里,95 度高溫下加速測(cè)試,一個(gè)月后薄膜完全溶解。根據(jù)降解模型推算,在人體溫度下它能穩(wěn)定工作一個(gè)多月,足夠神經(jīng)完成初步修復(fù),然后慢慢消失,無需再二次手術(shù)拆線取出。
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(來源:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2521817123)
毒性測(cè)試也很關(guān)鍵,他們把材料浸出液和細(xì)胞一起培養(yǎng),三天后細(xì)胞活性和對(duì)照組沒有差別。植入大鼠體內(nèi)一個(gè)月后,檢查心肝脾肺腎,也沒有發(fā)現(xiàn)炎癥或損傷,說明對(duì)于身體是安全的。
這套神經(jīng)接口不僅可以發(fā)熱,還可以導(dǎo)電,將來后續(xù)能夠?qū)崿F(xiàn)光電雙重刺激,或者做成傳感器監(jiān)測(cè)神經(jīng)恢復(fù)情況。再加上無線控制和閉環(huán)反饋,這套系統(tǒng)有望成為一種智能的、可植入的神經(jīng)修復(fù)平臺(tái)乃至推廣成產(chǎn)品。
宋恩名表示:我們做這個(gè)研究的初衷,就是希望能實(shí)現(xiàn)一種精準(zhǔn)到位的治療,只作用于受損的那一小塊區(qū)域,不干擾周圍的健康組織。
“下一步的計(jì)劃,我們還是想把器件性能往前推,甚至面向醫(yī)療器械產(chǎn)品需求。”他說。現(xiàn)在的裝置需要外界光照才能發(fā)揮作用,其希望將來能做到完全被動(dòng)式的,不需要外部干預(yù)。另外也在考慮做陣列化的設(shè)計(jì),這樣可以在神經(jīng)周圍布置多個(gè)功能位點(diǎn),實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的調(diào)控。
參考資料:
相關(guān)論文https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2521817123
排版:何晨龍、胡巍巍
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