可生物降解无线双位点神经刺激器促进外周神经再生的机制与疗效研究

本研究针对外周神经损伤(PNIs)修复中传统电刺激疗法存在感染风险、需二次手术取出等瓶颈问题，开发了基于聚氨酯(PU)/聚酐(PA)材料的可生物降解无线双刺激器(Dual stimulator)，通过优化接收线圈(Rx)互锁结构和单片钼(Mo)电极设计实现长达数月的稳定运行。动物实验证实双位点(近端/远端)同步电刺激(TES)可显著增加肌肉横截面积(CSA)和复合肌肉动作电位(CMAP)，为长期神经再生治疗提供了革命性解决方案。

　　

论文解读

外周神经损伤后的功能恢复一直是临床难题。虽然神经具有自发再生能力，但过程缓慢且常不完全，导致患者永久性功能障碍。传统治疗如Grass SD9电刺激器存在经皮导线易感染、需二次手术取出等缺陷，而现有可吸收电子器件仅能维持1周左右功能，无法满足复杂神经修复的长期需求。更棘手的是，多分支神经损伤需要同步刺激不同位点，但现有技术难以实现精准控制。这些瓶颈严重制约了神经再生疗法的临床应用。

针对这些问题，美国西北大学Querrey-Simpson生物电子研究所的Hak-Young Ahn、Jordan B. Walters等联合团队在《Nature Communications》发表研究，开发出革命性的可生物降解无线双刺激系统。该器件通过材料创新和结构优化，首次实现：(1)近端(PROX)与远端(DIST)神经同步刺激(DUAL)；(2)稳定工作周期从1周延长至数月；(3)完全生物降解避免二次手术。动物实验证实该技术能有效防止早期肌肉萎缩，促进晚期神经再支配，为临床转化提供新范式。

研究采用三大关键技术：(1)激光切割钼箔制备单片式接收线圈(R_x)、延伸电极和袖带电极；(2)动态共价聚氨酯(PU)与聚酐(PA)封装层实现机械/热稳定性平衡；(3)基于13.56MHz射频的无线能量传输系统，功率转换效率达1.5%。实验使用34只SD大鼠建立坐骨神经损伤模型，分为假手术组(SHAM)、单刺激组(PROX)和双刺激组(DUAL)，通过超声成像、组织学和电生理学评估疗效。

材料与设计布局
器件由接收线圈、延伸电极和双袖带电极构成，核心创新在于：(1)互锁折叠通孔结构使线圈品质因数(Q值)稳定40天；(2)PA衬底二极管 pocket结构将工作温度控制在27°C；(3)单片钼设计耐受6万次弯曲循环。加速降解实验显示各组分按序吸收：聚酐(7-10个月)→钼电极(2年)→硅纳米膜(0.5-1.5年)，与神经再生周期匹配。

长期稳定运行特性
相比早期版本，新设计实现五大突破：(1)机械互锁通孔使共振频率偏移减少50%；(2)钨/蜡导电浆料接触电阻降低60%；(3)单片电极在40%拉伸下仍保持导电；(4)工作寿命从7天延长至130天；(5)稳定性指数(O/D比值)从3.2%提升至19%。血液生化检测证实植入32周后肝肾指标均正常。

双刺激器电学特性
在20Hz刺激频率下，3V输入电压可使近远端同步产生动作电位。有限元模拟显示：当神经阻抗(R_tot)为3-6kΩ时，功率传输效率(η=|S₂₁|²×100%)稳定在0.75-1.5%。电生理记录证实DUAL组能同时激活胫骨前肌(TA)和外侧腓肠肌(LG)，且无交叉干扰。

早期再生：防止肌肉萎缩
术后1周超声显示：DUAL组LG横截面积(CSA=0.91±0.08)显著大于PROX组(0.79±0.06,p=0.0049)。2周组织学显示：DUAL组内侧腓肠肌(MG)纤维CSA(707±120μm²)比假手术组(449±125)提高57.5%(p=0.0007)，证实双刺激可有效延缓失神经性萎缩。

晚期再生：促进神经再支配
6周时DUAL组表现出：(1)MG纤维CSA(1049±195)比SHAM组(770±148)提高36%(p=0.004)；(2)CMAP振幅恢复达基线31±11%，显著优于SHAM组(17±5.8%,p=0.0136)；(3)失神经纤维占比(11±7.5%)仅为SHAM组(33±10%)的1/3(p<0.0001)。值得注意的是，PROX与DUAL组晚期疗效无统计学差异，提示双刺激优势主要体现在急性期保护。

这项研究通过跨学科创新，首次实现可降解电子器件在神经修复领域的长期精准干预。其核心价值在于：(1)材料上，PU/PA/Mo/Si多组分系统实现降解时序编程；(2)功能上，双位点刺激填补了复杂神经损伤的治疗空白；(3)临床上，完全无线设计可支持家庭康复。该技术不仅适用于外周神经修复，还为其他需长期干预的疾病(如心脏起搏、癫痫控制)提供了可借鉴的解决方案。未来通过优化刺激参数和降解动力学，有望推动个性化神经再生疗法的发展。