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2023
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利用仿生原理，東華大學(xué)團(tuán)隊研發(fā)的新型半導(dǎo)體纖維或可修復(fù)神經(jīng)損傷
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神經(jīng)損傷后，利用仿生原理，制造一種新型半導(dǎo)體纖維器件并植入人體，模擬天然神經(jīng)功能，恢復(fù)“阻斷”的神經(jīng)通路，實現(xiàn)信號傳導(dǎo)。目前，“人造神經(jīng)”正走向現(xiàn)實，并有望用于臨床。
東華大學(xué)纖維材料改性國家重點實驗室王剛研究員等聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院手外科臨床團(tuán)隊，首次在一維曲面結(jié)構(gòu)表面實現(xiàn)了納米尺度離子異質(zhì)結(jié)的可控構(gòu)筑，獲得了具有千米級制造潛力的電子-離子雜化半導(dǎo)體纖維器件?；谛盘栐诶w維離子結(jié)界面的單向傳輸特性，設(shè)計開發(fā)了纖維狀離子半導(dǎo)體核心元器件（離子二極管、離子雙極結(jié)型晶體管），并通過集成的纖維離子邏輯門，初步實現(xiàn)了離子信號的“0-1”邏輯運(yùn)算。此外，其可作為神經(jīng)接口，實現(xiàn)對周圍神經(jīng)損傷后遠(yuǎn)端神經(jīng)的持續(xù)電刺激，延緩遠(yuǎn)端肌肉萎縮，為神經(jīng)損傷后錯過早期治療的患者恢復(fù)更好的運(yùn)動功能提供了可能性。相關(guān)研究近日發(fā)表于《自然 · 通訊》。
周圍神經(jīng)損傷（PNI）是指周圍神經(jīng)的結(jié)構(gòu)和功能障礙，患者常常表現(xiàn)為損傷神經(jīng)支配肌肉的肌力下降，以及多種感覺的下降或麻木，更有甚者還會導(dǎo)致多種幾乎不可逆的后遺癥，甚至終身殘疾，給社會和家庭帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和沉重的生活負(fù)擔(dān)。
嚴(yán)重的周圍神經(jīng)損傷往往需要精密細(xì)致的神經(jīng)手術(shù)治療。但受限于人類的神經(jīng)再生速度非常緩慢，手術(shù)后的神經(jīng)康復(fù)期往往需要1年甚至數(shù)年時間。為延緩肌肉的萎縮，同時緩解神經(jīng)痛，目前臨床上常采用經(jīng)皮神經(jīng)電刺激療法。然而這種輔助治療方案往往作用范圍彌散，精確度不高，且強(qiáng)度不能過高，需要在醫(yī)生的密切觀測下進(jìn)行，長時間的使用又會導(dǎo)致神經(jīng)肌肉的適應(yīng)，降低康復(fù)效果。
“與以往的神經(jīng)接口器件不同，我們研發(fā)的電子-離子雜化半導(dǎo)體纖維器件在形態(tài)和傳導(dǎo)功能上，都與人類的天然神經(jīng)更為相近。”論文通訊作者王剛介紹，電子-離子雜化半導(dǎo)體纖維器件可以通過離子電流在離子異質(zhì)結(jié)界面上的單向傳輸模擬天然神經(jīng)的去極化，實現(xiàn)神經(jīng)沖動的傳導(dǎo)。“其結(jié)構(gòu)特點還允許我們在對器件進(jìn)行各項改進(jìn)后，通過在單纖維器件上集成多個神經(jīng)接口，實現(xiàn)對多個具體的神經(jīng)分支進(jìn)行植入式的神經(jīng)電刺激。由于可以與目標(biāo)神經(jīng)直接接觸，這種刺激方式會更加有效和精準(zhǔn)。”項目研究團(tuán)隊介紹。
王剛表示，研究團(tuán)隊在半導(dǎo)體功能纖維神經(jīng)接口器件的設(shè)計和制備方面均取得了創(chuàng)新性突破。團(tuán)隊采用“一體化反向電荷接枝”的設(shè)計思路，在商業(yè)聚合物表面分別化學(xué)接枝相反電荷的離子基團(tuán)，并采用連續(xù)多層涂覆的方法，在碳納米管纖維上負(fù)載兩種帶相反電荷的聚電解質(zhì)，實現(xiàn)該器件從納米級到千米級的跨尺度連續(xù)化制備。“我們的設(shè)計思路使得材料的制備更加簡便。同時商業(yè)聚合物的低成本和材料易得性，也讓該器件未來的產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化更具潛力和前景。”論文第一作者邢毅說。
微型化的一維纖維狀神經(jīng)接口器件在形態(tài)上與神經(jīng)相似，彎曲剛度顯著降低，可以以微創(chuàng)方式植入，在疾病診斷、醫(yī)療、人體增強(qiáng)等方面具有更好的適用性。為進(jìn)一步探究電子-離子雜化半導(dǎo)體纖維器件作為神經(jīng)接口的應(yīng)用潛力，團(tuán)隊將其與小鼠的坐骨神經(jīng)進(jìn)行端側(cè)吻合，檢驗其傳導(dǎo)神經(jīng)信號的能力。實驗結(jié)果表明，該器件在植入小鼠體內(nèi)之后，作為纖維狀離子二極管神經(jīng)接口，可有效傳輸神經(jīng)信號，成功誘導(dǎo)后肢關(guān)節(jié)的精細(xì)運(yùn)動，延緩遠(yuǎn)端肌肉的萎縮。此外，通過對單纖維器件集成構(gòu)筑離子晶體管神經(jīng)接口，能夠在毫秒級時間內(nèi)實現(xiàn)神經(jīng)信號的單向傳輸。
在動物和細(xì)胞層面的實驗僅僅是第一步。研究團(tuán)隊表示，目前電子-離子雜化半導(dǎo)體纖維器件距離大規(guī)模的應(yīng)用還有一定距離，后期仍要進(jìn)行大量的前期試驗保障其安全性、可靠性和有效性。“基于該器件的研發(fā)理論和實驗基礎(chǔ)，我們相信在對其進(jìn)行各項優(yōu)化后能夠?qū)崿F(xiàn)器件的量產(chǎn)化、規(guī)范化，最終把它作為神經(jīng)接口，廣泛應(yīng)用于開發(fā)診斷和治療、仿生神經(jīng)元計算機(jī)接口和類腦智能等生物醫(yī)學(xué)設(shè)備方面。”王剛表示。
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