华科大罗志强教授团队 Nat. Commun.：应用于慢性神经调控的可注射高稳定性导电水凝胶

2024-09-17 来源：高分子科技

在神经调控领域，通过精准调控器官相关外周神经实现对炎症、代谢和内分泌紊乱等难治性疾病的新型物理治疗正在引起广泛关注。然而，内脏器官附近外周神经的细微尺寸结构及其机械脆弱性使得传统电极在慢性神经调控中的长期应用中充满挑战，特别是在手术过程中的固定方法和器件与组织电耦合界面的长期稳定性上。常用的Cuff电极由于与神经的机械性质和结构尺寸不适配，通常会引发机械压迫、炎症反应，甚至是神经损伤。华中科技大学与宾夕法尼亚大学研究团队开发了一种可配合商业化Cuff电极使用的可注射高稳定性导电水凝胶，为解决外周神经慢性调控的长期稳定性难题提供了全新思路。

图1可注射高稳定性导电水凝胶在Cuff电极与神经组织的孔隙中构建稳固神经界面

近期，华中科技大学罗志强教授团队、宾夕法尼亚大学蒋圆闻教授团队与华中科技大学协和医院张丽教授团队通过创新性的材料设计，解决了导电水凝胶在体内长期稳定性和可注射成型兼容的难题，开发了一种可注射高稳定性导电水凝胶。该水凝胶结合了生物粘附特性与优异的机械和电学稳定性，能够精确地填充Cuff电极与周围组织之间的空隙，确保神经电极长期稳定工作（图1）。通过引入多功能分子调节剂，团队成员能够在水凝胶网络形成过程中优化反应动力学，从而确保水凝胶在实现高导电性的同时保持其注射性、长期稳定性、和高生物相容性(图2和图3)。这种理性材料设计使得该水凝胶能够适应多种复杂解剖部位的神经调控应用，实现水凝胶与神经组织的稳定结合，可避免传统电极带来的机械应力和组织损伤。

图2导电水凝胶兼具可注射性、生物粘附特性及优异的机械和电学稳定性

图3 水凝胶电极可维持稳定的电学性能，显著减少界面纤维化和组织内炎症响应

在动物实验中，通过将这种新型水凝胶应用于大鼠的迷走神经调控，团队成员成功地实现了对心肌梗死后炎症反应的有效控制。实验表明，注射型导电水凝胶能够提供长期稳定的神经界面，通过稳定的电刺激降低交感神经活动并减少心肌纤维化，最终实现康复治疗、保持心脏功能。这一电子医学实验研究为未来的心血管疾病治疗提供了新思路。

图4 慢性迷走神经调控可应用于治疗大鼠模型心梗、缓解心肌梗死后的心脏衰竭进展。

该多功能水凝胶不仅能够在慢性心脏病的治疗中展示出显著效果，还可能在未来应用于其他难治性疾病的治疗，如慢性疼痛、自身免疫性疾病和中枢神经系统损伤等。研究团队表示，未来他们将继续探索这种导电水凝胶在其他复杂器官中的应用，特别是在脊髓刺激、脑神经调控等领域的潜在应用。该研究获得了国家自然科学基金的支持，以“Highly-stable, injectable, conductive hydrogel for chronic neuromodulation”为题发表在《Nature Communications》上 (Nat Commun 15, 7993 (2024)). 文章第一作者是华中科技大学博士生杨明、王禄芳、刘文亮。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-52418-y

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（责任编辑：xu）

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