基于植入式生物能收集器件进行神经修复的方法与机制研究

Injuries in the nervous system often result in poor prognosis, which have caused severe burdens to the patients and their family. It has been demonstrated that electrical field is an effective method to enhance axonal regeneration and promote function recovery after neural injury. However, due to the limited capacity of the battery, the present electrical treatment device can only work for a short period as implant in the body. Therefore, the proposer plans to develop an implantable nanogenerator device, which can reclaim the micro energy of the body in vivo and generator electricity, to serve as a long-term unlimited energy source to produce electrical field at the injury site for healing promotion. The development of this biological energy powered nanogenerator will focus on the materials, nanosucture, packaging procedure, working stabling and the in vivo adaptability. In addition, the proposer plans to build an injury model for in vitro pure neuron cell culture. The model will allow the dual directional growth of axons in the same way as in the actual nervous fibers in vivo for determination of the regeneration of both sensory and motor nervous after injury. This proposal is a novel development of the classic electrical treatment of neural injury, which will be a fundamental work in the clinical application of the implantable self-powered electrical neural regeneration device.

神经损伤大多预后极为不良,使病人承担了巨大的痛苦。研究者通过大量的动物和临床实验证实，合适的电场可以显著促进神经损伤后的轴突再生和功能修复。但是现有的植入式电场治疗仪受到电池的供电能力的限制，无法进行长期的在体治疗。因此，申请人计划利用植入式纳米发电机作为生物能收集器件，给神经刺激电极供电，开展在体自驱动神经损伤修复的研究。通过对纳米发电机的材料、构造、封装工艺、稳定性、力学性能等方面的研究，制作可在体内依靠生物机械能驱动、可长期持续提供稳定电场的发电器件和相关电路，用于损伤神经细胞电场刺激、功能再生和修复的研究，并利用细胞微流控芯片技术，建立高度模拟体内神经束轴突双向走向的神经元细胞体外培养模型，研究在上述器件的电场刺激下，单纯神经元细胞对电场的响应和损伤后的修复机制。本课题是电场促进神经修复这一经典物理治疗手段的继承和创新，对研制植入式自驱动神经修复装置具有重要的临床和科学价值。

脊髓损伤是一种高致残性的中枢神经损伤，给病人、家属和社会都带来了巨大的痛苦和负担。用电刺激促进脊髓损伤修复在临床应用中显示出很好的治疗效果。但是目前的电刺激仪器存在一些明显的弊端，包括电池寿命有限、体积庞大、存在电化学污染等。纳米发电机是近10年来兴起的全新能源模式，可直接将低频率的机械能转变为电能，是一种“自驱动”的能源；将其应用于人体，可由日常生命活动的机械能驱动产电，形成“不衰竭”的电能供给，解决传统仪器电池寿命有限的问题。另外，纳米发电机易于实现微型化和柔性化，是另一大优势。可为神经损伤带去更为优质的电刺激源。本项目成功完成了多种纳米发电器件的体外制备、体内植入和调试、并将其电刺激参数用于神经等损伤的治疗，另一方面研制成功了可施加电刺激的神经细胞损伤模型，可特异研究各种电刺激参数对神经损伤的促修复作用。本项目支持下，申请人发表SCI论文8篇；申请发明专利3篇，授权1篇；参加2次国际会议，4次国内学术会议，进行口头报告5次，邀请报告1次。在本项目的研究经历和研究成果的支持下，申请人获得面上资助，将继续进行对脊髓损伤的自驱动电刺激治疗的深入研究。