Nanoenergy and Biosystem Lab
中国科学院北京纳米能源与系统研究所
李舟课题组

《Science Advances》:柔性微型植入式共生电刺激系统在骨组织修复中的应用

电刺激能有效加速骨愈合。然而,电刺激装置的尺寸和重量较大,这减少了患者的获益和可塑性。构建一种灵活、轻便的可植入的骨再生微电子刺激器仍然是一个挑战。
同济大学医学院郑龙坡教授团队、中国科学院纳米能源所李舟研究员、复旦大学附属口腔医院陈峰研究员/曹文涛副研究员和中国科学院大学欧阳涵副教授团队合作研究使用自供电技术开发了一种无需电路和电池的电脉冲刺激器,这消除了重量,体积和必要的刚性包装的问题。全植入式骨缺损电刺激(BD-ES)系统结合了一个混合摩擦/压电纳米发电机,通过导电生物活性水凝胶在进行康复训练时提供双相电脉冲。BD-ES可以促进多种与成骨相关的生物过程,包括钙离子输入和成骨分化。在大鼠股骨缺损模型中,通过BD-ES系统和随后的骨矿化治疗,骨缺损得到逆转,股骨在6周内完全愈合。这有望推动无电池和电路的共生电刺激治疗装置的发展。

先进的BD-ES系统由两个模块组成:(i)基于HTP-NG设备的发电模块和(ii)基于海藻酸盐甲基丙烯酰(AlgMA)和聚多巴胺修饰的黑磷纳米片(BP@ PDA)的细胞外基质(ECM)交联网络的生物活性导电水凝胶。团队使用多层组装策略来设计混合纳米发电机以产生稳定的电力。HTP-NG将机械能转化为电能的能力使其能够产生生物反馈双相电脉冲,以响应膝关节运动。将HTP-NG植入大腿皮下组织后,BD部位填充交联ECM-AlgMA-BP@PDA (EABP)水凝胶。生物活性EABP水凝胶与HTP-NG产生的电荷协同作用,促进骨组织再生。

论文以Rehabilitation exercise–driven symbiotic electrical   stimulation system accelerating bone regeneration为题,发表于《Science Advances》期刊。

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