編輯丨王多魚

排版丨水成文

神經(jīng)損傷修復是臨床中常見且致殘率較高的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，廣泛存在于創(chuàng)傷及醫(yī)源性損傷等場景中。盡管顯微外科縫合、神經(jīng)導管移植及電刺激治療等手段已被應(yīng)用于臨床，但由于神經(jīng)損傷區(qū)域空間受限、個體差異顯著以及術(shù)后炎癥反應(yīng)復雜，現(xiàn)有治療方式在精準調(diào)控、長期穩(wěn)定性和微創(chuàng)性方面仍面臨諸多挑戰(zhàn)。尤其是傳統(tǒng)神經(jīng)接口多依賴剛性器件或有線連接，難以與柔軟動態(tài)變化的神經(jīng)組織實現(xiàn)長期共形貼附，限制了其在慢性神經(jīng)修復中的應(yīng)用。

隨著柔性電子與生物可吸收材料的發(fā)展，能夠在體內(nèi)實現(xiàn)無線操控、形態(tài)自適應(yīng)并在完成治療后自然降解的新型神經(jīng)接口，成為神經(jīng)精準治療領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。然而，如何在保證器件力學順應(yīng)性的同時，實現(xiàn)對局灶性神經(jīng)區(qū)域的穩(wěn)定包覆及多模態(tài)治療功能，仍是亟待解決的關(guān)鍵科學與工程問題。

針對上述挑戰(zhàn)，復旦大學宋恩名聯(lián)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(wěn)態(tài)神經(jīng)接口（self-wrapping bistable，SWB neural interface），該工作靈感來自于“啪啪圈”設(shè)計。器件基于應(yīng)力梯度驅(qū)動的超薄 SiNx 雙層結(jié)構(gòu)，在觸發(fā)后可由平面狀態(tài)自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S卷曲結(jié)構(gòu)，從而對不同直徑的外周神經(jīng)實現(xiàn)溫和而穩(wěn)定的包覆。

在功能集成方面，該神經(jīng)接口引入 MXene 光熱層與藥物負載模塊，構(gòu)建無線近紅外觸發(fā)的光熱治療與藥物釋放相結(jié)合的治療體系，實現(xiàn)了對神經(jīng)修復過程的時空精準調(diào)控。通過系統(tǒng)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(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變的可靠性、生物可吸收特性及其在大鼠坐骨神經(jīng)損傷模型中的治療效果。

相關(guān)成果以：A self-wrapping, bioresorbable neural interface for wireless multimodal therapy of localized peripheral nerve injury 為題，發(fā)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(wěn)態(tài)神經(jīng)接口的結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理

研究團隊構(gòu)建了一種具備多功能集成能力的三層結(jié)構(gòu)自卷曲雙穩(wěn)態(tài)神經(jīng)接口，其層層功能協(xié)同，為損傷神經(jīng)提供全時程的精準干預(yù)。為了實現(xiàn)廣泛適配性，研究者系統(tǒng)調(diào)控 SiNx 雙層的厚度與長寬比，實現(xiàn)了卷曲直徑從 15 μm（適配細小神經(jīng)束）到 1 mm（適配坐骨神經(jīng)）的跨尺度可編程調(diào)節(jié)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(tài)的曲率半徑。這一策略不僅確保了器件的結(jié)構(gòu)可調(diào)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(tǒng)依賴外部力縫合或復雜支架結(jié)構(gòu)的植入設(shè)備，該應(yīng)力驅(qū)動式自卷曲機制具有更高的自適應(yīng)性與操作簡便性，無需縫線固定，即可實現(xiàn)穩(wěn)定、順應(yīng)、非侵入式包覆神經(jīng)表面，有效規(guī)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(wěn)態(tài)力學行為模擬與實驗驗證

研究團隊基于系統(tǒng)性的有限元分析與實驗觀測，深入揭示了該神經(jīng)接口在應(yīng)力驅(qū)動下從初始態(tài)→展開態(tài)→卷曲態(tài)的全過程轉(zhuǎn)變機制，明確其屬于典型的雙穩(wěn)態(tài)彈性系統(tǒng)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，器件采用上下兩層 SiNx 構(gòu)成應(yīng)力驅(qū)動核心，其中上層 HF-SiNx 帶有較高的拉應(yīng)力（positive internal stress），下層 LF-SiNx 帶有較弱的壓應(yīng)力（negative internal stress）。在初始構(gòu)型中，器件被固定于基底呈平展態(tài)，內(nèi)應(yīng)力積累而未釋放。釋放后，自由態(tài)會首先轉(zhuǎn)變?yōu)檎归_態(tài)（extended state），并在后續(xù)外部輕微機械觸發(fā)下迅速躍遷至卷曲態(tài)（rolled-up state），形成穩(wěn)定的三維包覆結(jié)構(gòu)。綜上所述，該器件的雙穩(wěn)態(tài)設(shè)計不僅提供了高度順應(yīng)的三維卷曲能力，還實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)可調(diào)、驅(qū)動可控、響應(yīng)快速、材料安全、循環(huán)耐久等多重優(yōu)異性能，為構(gòu)建下一代智能化、動態(tài)響應(yīng)的植入式神經(jīng)接口奠定了堅實的力學基礎(chǔ)。

圖3：光熱+藥物多模態(tài)治療功能驗證

為了賦予該神經(jīng)接口可控、非侵入、時空分辨可調(diào)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(gòu)成光熱響應(yīng)單元。研究者系統(tǒng)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(yīng)曲線，實現(xiàn)了治療溫度范圍從室溫到 50°C 的高精度調(diào)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(shù)（μ ≈ 0.503 mm?1），發(fā)現(xiàn)即使在 5 mm 組織深度下仍可保留約 6.7% 的入射光強，對應(yīng)溫升可達 6°C，足以驅(qū)動 MXene 層產(chǎn)生生理有效的熱療效應(yīng)。該 MXene 光熱單元在卷曲神經(jīng)接口中不僅實現(xiàn)了快速響應(yīng)、精準調(diào)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(xié)同構(gòu)成了時間上先藥物后光熱、空間上內(nèi)藥外熱的多模態(tài)治療結(jié)構(gòu)，為神經(jīng)再生提供了連續(xù)、協(xié)同、可控的治療路徑。

圖4：在體治療實驗驗證神經(jīng)功能恢復

為系統(tǒng)驗證所開發(fā) SWB 神經(jīng)接口在真實生理環(huán)境下的治療效果，研究團隊構(gòu)建了大鼠坐骨神經(jīng)鉗夾損傷模型，并將自卷曲神經(jīng)接口植入至損傷區(qū)域，進行為期 4 周的在體干預(yù)。干預(yù)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(nèi)部的光熱響應(yīng)與藥物協(xié)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(xié)同效果，研究團隊設(shè)計了四組對照實驗：Control（無干預(yù)）、Drug（僅藥物釋放）、PT（僅光熱刺激）、PT+Drug（聯(lián)合治療）。結(jié)果表明，盡管單一治療方式均能在一定程度上促進神經(jīng)恢復，但聯(lián)合治療組的SFI改善程度、肌肉保護效果及神經(jīng)功能指標均最優(yōu)，充分驗證了本系統(tǒng)中“短期藥物+長期光熱”的時序協(xié)同治療策略的有效性與優(yōu)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(zhuǎn)化潛力的關(guān)鍵指標。為避免傳統(tǒng)神經(jīng)接口術(shù)后因材料殘留而需二次手術(shù)取出的風險，本研究所開發(fā)的SWB神經(jīng)接口在材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計階段即充分考慮了其整體生物降解能力與體內(nèi)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(guān)鍵材料-MXene 層與 SiNx 層的溶解行為進行系統(tǒng)評估。為了進一步解析降解過程，研究團隊構(gòu)建了多層反應(yīng)擴散模型，該模型不僅可準確預(yù)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(yǎng)（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(jié)果說明 MXene 與 SiNx 材料的降解產(chǎn)物在濃度范圍內(nèi)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(yīng)三維結(jié)構(gòu)、生物可吸收特性及無線多模態(tài)治療功能的新型神經(jīng)接口，為局部外周神經(jīng)損傷的精準治療提供了全新的技術(shù)路徑。該工作在結(jié)構(gòu)設(shè)計、力學機制及治療策略層面實現(xiàn)了有機融合，為下一代微創(chuàng)、智能神經(jīng)接口的發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。

論文鏈接：

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