关于可拉伸动态共价聚合物用于生物可吸收电子刺激器的研究

来源：高分子科学前沿

作为可用于疾病治疗、加速伤口愈合以及消除感染的特殊治疗平台，可生物吸收电子刺激器得到迅速的发展和关注。美国西北大学的John A. Rogers团队克服了生物可吸收电子设备的关键挑战，利用一种可生物吸收的动态共价聚合物作为基材和封装涂层，使得设备能够在周围神经损伤的大鼠模型中作为远端刺激器实现稳定、长寿命操作。该成果以“Stretchable, dynamic covalent polymers for soft, long-lived bioresorbable electronic stimulators designed to facilitate neuromuscular regeneration”为题于2020年11月25日发表于《Nature Communications》

[目前生物可吸收电子刺激器的弊端]

无线、无电池可生物吸收的电子刺激器可在愈合初始阶段提供反复的近端电刺激，从而增强神经再生并改善功能性肌肉的恢复。但是，不理想的机械性能和相对短寿命的材料使得设备的寿命仅在6天左右。对于神经而言，这些时间不足以满足伤口连续恢复的需求；并且仅能促进运动轴突再生的开始，而不能增加其再生速度和抑制因神经支配而引起的肌肉萎缩。

[可生物吸收材料的可拉伸设计以及无线、无电池操作]

图1a突出显示了射频功率收集器、可伸展的延伸电极以及与目标周围神经的电接口。不同于以往报道的神经刺激器，可生物吸收的动态共价聚氨酯（b-DCPU）材料具有机械拉伸性，并且在生物流体中溶胀程度极低，确保在运动组织中进行稳定操作，而不会影响使用寿命，；特别是，无需使用任何外部粘合剂，热和应力诱导便可使b-DCPU具有强粘合力。图1b显示整个系统的照片，图1c/d展现了设备柔软的弹性力学，并且在拉伸和扭曲操作下，系统的输出电压基本保持不变。

图1 长寿命，可拉伸和无线生物可吸收电刺激器的设计和特性

[b-DCPU的附着力和机械性能]

此装置的使用寿命比以往所报道的要长许多，关键在于b-DCPU及其动态共价网络结构实现自结合，以及表面化学方法确保与其他组成材料的牢固粘合。b-DCPU的合成涉及聚己内酯三醇（PCL-三醇）与六亚甲基二异氰酸酯（HDI）逐步增长聚合，随后热固化形成3D网络结构。b-DCPU层之间的稳固自键合主要来自通过热活化的动态键交换反应（酯交换和氨基甲酰化）引起的化学机理，以这种方式粘合的两层b-DCPU界面韧性接近500J/cm2。对其他无机材料进行氧等离子体处理，允许通过表面羟基反应与b-DCPU结合，以这种方式可以使得b-DCPU与其他无机可生物吸收材料（包括Si，SiO2，Mg和Mo）之间实现强附着力（> 850 J / m2）（图2d）。

图2 可生物吸收，可拉伸的基材和封装材料的机械，电气和生物学特性

[可生物吸收电刺激器的体内操作]

如图3a所示，将材料植入小鼠体内，发现与神经组织的附着性极好。图3h显示，用PLGA（丙交酯：乙交酯）袖带和Mg电极在坐骨神经上进行构建：在植入后的第4周，小鼠体内还留有部分PLGA残留物，第6周完全被吸收，从而使系统的这部分与b-DCPU封装的延伸电极电气和机械分离。以这种方式，该部分可从生物可吸收电子刺激器中释放，以允许剩余的生物可吸收成分在较长时间范围内以相对较慢的降解速率溶解，而不会产生不利的机械作用。

图3 啮齿动物模型中用于坐骨神经的长寿命，可拉伸和无线生物可吸收电刺激器的外科植入，手术和急性演示

[刺激远端残端以减轻肌肉萎缩]

临床经验证实：袖带电极应尽可能向远端植入，以通过剩余的传导神经触发有效的神经肌肉连接刺激。图4a显示，免疫组织化学染色显示，与对照组相比，远端神经刺激组的再生轴突密度保持不变，因此，远端神经刺激的治疗结果主要来自远端影响；图4b显示，在多次刺激中再生的肌纤维表面积显著增加；神经支配的腓肠肌神经肌肉接头（NMJ）数量也在增加（图5c）。总而言之，远端神经刺激的多次发作导致神经肌肉神经支配的增强，从而减轻肌肉萎缩。

图4 神经损伤后6周通过多次远端神经刺激改善肌肉恢复的组织学证据

[结论]

总之，设备架构和制造策略可作为长寿命、可拉伸和无线生物可吸收电刺激平台的基础，这些平台旨在增强神经支配损伤后神经肌肉的神经支配。体外和体内研究表明，结合动态共价网络的生物可吸收性聚氨酯材料作为基质和包封层，起着至关重要的作用，以支持电可靠性，机械稳定性，生物吸收性和生物相容性等特征。对大鼠周围神经损伤模型的评估表明，这种对远端神经残端进行神经肌肉电刺激的范例通过阻止肌肉去神经萎缩来维持肌肉的接受能力并保留恢复功能。这种刺激策略可以扩展到对近端和远端神经残端的双重电刺激，以产生神经再生和功能性肌肉恢复的协同作用。