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華科大羅志強教授團隊 Nat. Commun.：應用于慢性神經調控的可注射高穩定性導電水凝膠

2024-09-17 來源：高分子科技

在神經調控領域，通過精準調控器官相關外周神經實現對炎癥、代謝和內分泌紊亂等難治性疾病的新型物理治療正在引起廣泛關注。然而，內臟器官附近外周神經的細微尺寸結構及其機械脆弱性使得傳統電極在慢性神經調控中的長期應用中充滿挑戰，特別是在手術過程中的固定方法和器件與組織電耦合界面的長期穩定性上。常用的Cuff電極由于與神經的機械性質和結構尺寸不適配，通常會引發機械壓迫、炎癥反應，甚至是神經損傷。華中科技大學與賓夕法尼亞大學研究團隊開發了一種可配合商業化Cuff電極使用的可注射高穩定性導電水凝膠，為解決外周神經慢性調控的長期穩定性難題提供了全新思路。

圖1可注射高穩定性導電水凝膠在Cuff電極與神經組織的孔隙中構建穩固神經界面

近期，華中科技大學羅志強教授團隊、賓夕法尼亞大學蔣圓聞教授團隊與華中科技大學協和醫院張麗教授團隊通過創新性的材料設計，解決了導電水凝膠在體內長期穩定性和可注射成型兼容的難題，開發了一種可注射高穩定性導電水凝膠。該水凝膠結合了生物粘附特性與優異的機械和電學穩定性，能夠精確地填充Cuff電極與周圍組織之間的空隙，確保神經電極長期穩定工作（圖1）。通過引入多功能分子調節劑，團隊成員能夠在水凝膠網絡形成過程中優化反應動力學，從而確保水凝膠在實現高導電性的同時保持其注射性、長期穩定性、和高生物相容性(圖2和圖3)。這種理性材料設計使得該水凝膠能夠適應多種復雜解剖部位的神經調控應用，實現水凝膠與神經組織的穩定結合，可避免傳統電極帶來的機械應力和組織損傷。

圖2導電水凝膠兼具可注射性、生物粘附特性及優異的機械和電學穩定性

圖3 水凝膠電極可維持穩定的電學性能，顯著減少界面纖維化和組織內炎癥響應

在動物實驗中，通過將這種新型水凝膠應用于大鼠的迷走神經調控，團隊成員成功地實現了對心肌梗死后炎癥反應的有效控制。實驗表明，注射型導電水凝膠能夠提供長期穩定的神經界面，通過穩定的電刺激降低交感神經活動并減少心肌纖維化，最終實現康復治療、保持心臟功能。這一電子醫學實驗研究為未來的心血管疾病治療提供了新思路。

圖4 慢性迷走神經調控可應用于治療大鼠模型心梗、緩解心肌梗死后的心臟衰竭進展。

該多功能水凝膠不僅能夠在慢性心臟病的治療中展示出顯著效果，還可能在未來應用于其他難治性疾病的治療，如慢性疼痛、自身免疫性疾病和中樞神經系統損傷等。研究團隊表示，未來他們將繼續探索這種導電水凝膠在其他復雜器官中的應用，特別是在脊髓刺激、腦神經調控等領域的潛在應用。該研究獲得了國家自然科學基金的支持，以“Highly-stable, injectable, conductive hydrogel for chronic neuromodulation”為題發表在《Nature Communications》上 (Nat Commun 15, 7993 (2024)). 文章第一作者是華中科技大學博士生楊明、王祿芳、劉文亮。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-52418-y

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（責任編輯：xu）

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