生活中總是有各種各樣的不幸，大到車禍腫瘤，小到感染發炎，雖然大多數我們都能挺過去，但是他們總會給我們留下一些印記——比如神經痛。據一項2019的調查顯示，一般人群中有3%到17%的神經痛發病率，而一般的治療方法效果有限。一項英國的調查顯示有近17%的神經痛患者可以達到痛不欲生的程度，因此阿片類藥物因為其高療效而被廣泛使用。阿片類藥物濫用引起的社會負擔日益加重，促使局部、非阿片類和非累加性疼痛管理技術的發展。神經組織中代謝、發電和離子活性的時間測量都表現出負溫度依賴性。周圍神經局部冷卻會降低神經活動的傳導速度和信號幅度。應用于周圍神經的冷卻是阻斷疼痛信號的一種很有前景的方法，因為它是非成癮性的、快速可逆的，可局部應用的。冷卻神經鎮痛需要時空精確控制溫度，以最大限度地實現預期結果，并將冷卻引起的組織損傷的可能性降至最低。目前的神經冷卻方法依賴于剛性、笨重的系統，這些系統阻止局部冷卻作為周圍神經疼痛管理的實用方法。近日，由美國西北大學的John A. Rogers院士帶領其團隊開發了一種柔軟的，小型化的，可植入的冷卻器，以液體到氣體的相變作為冷卻機制來暫時阻斷神經疼痛。他們借用了電神經袖帶的設計，并用攜帶微升生物惰性冷卻劑的微流體通道代替了電線。袖帶內集成的熱薄膜傳感器能夠實時監控溫度，從而實現閉環控制。水溶性與高生物相容性材料的設計消除了不必要的設備負載和二次手術帶來的額外治療風險。多周體內試驗表明，該設備可以在大鼠模型中為神經性疼痛提供快速、精確地局部按需鎮痛。
作者團隊介紹了柔軟、可生物吸收的周圍神經冷卻和溫度傳感單元的概念和設備設計，這個設備旨在通過在和患者需求相匹配的特定時間內，有針對性的冷卻刺激來可逆地阻斷疼痛信號。該技術由混合微流體和電子系統組成，用于冷卻的同時監控周圍神經的局部溫度。微流體系統和電子系統形成蛇形排布以在設備水平上產生柔軟，可拉伸的力學性質，有效模量不高于周圍神經的彈性模量。這些電子和微流體系統終止于袖帶結構中，其直徑與大鼠坐骨神經（1.5毫米）相匹配，為神經提供緊密的機械和熱界面，而無需縫合線。袖帶的卷曲幾何形狀及其彈性和柔軟特性使的移植術中手動展開扣合成為可能。該系統的一個重要特征是它完全由水溶性成分材料構成，這些材料溶解的最終產物與皮下組織有著良好的生物相容性。在75°C下浸沒在磷酸鹽緩沖鹽水（PBS），材料在20天內基本上溶解，并且在50天后消除殘留物。圖 按需神經阻滯的柔軟、可生物吸收的蒸發式微流體冷卻器混合微流體電子設備的各層如下圖所示?？缮镂諒椥泽w聚辛二醇檸檬酸鹽（POC）形成微流體系統。POC表現出多種特性，包括2.8 MPa的彈性模量、通過表面侵蝕而可控的降解速率以及與神經的相容性。微流控系統包括經皮互連系統，將液體冷卻劑[全氟戊烷（PFP）]和干燥N2輸送到端部提供流體通道的完全密封系統中的蛇形蒸發室中。電子層與微流體系統共面，溫度傳感元件位于器件的遠端。PFP和N2同時開始流入該結構，促使PFP在PFP和N2通道之間的微流控連接處以及沿著蛇形蒸發室蒸發。PFP和N2的流率以及蒸發室的幾何形狀決定了冷卻效果的大小和局部性。在低PFP摩爾流量比下，PFP在通過三個蛇形管后完全蒸發，會有一定的PFP積聚在微通道的角落。在高摩爾流量下，PFP通過環形流并沿著微通道的側壁流動。這種相變促使展平的器件溫度在室溫條件下2分鐘內降至?20°C。該裝置的冷卻區域主要局限于蛇形蒸發室，由微流控通道設計和流體流速決定。寬度和長度分別為25μm和72 mm的蛇形鎂跡線通過鎂的電阻溫度系數提供溫度反饋信號。在37°C水凝膠組織模擬物內模擬裝置的整體與神經冷卻效果。將N2壓力常數保持在7至90 kPa的范圍內，并將PFP流速從0掃至900μl/min，得到的數據揭示了N2流速對PFP流速的依賴性。在相同的范圍內系統地掃描PFP和N2流速的實驗揭示了摩爾流速對神經溫度的影響。在300μl/min的情況下，最大冷卻速率為3°C/s。周圍神經在15min內持續穩定地冷卻到3.0°C。盡管皮下生物流體和神經血流有助于對流熱傳遞，但神經中的熱傳遞主要通過傳導發生。將純傳導環境（水凝膠，37°C）和包含對流效應（水，37°C）的測量值進行比較，證明了上述結論。同時神經周圍的血流也是另一個熱通量來源。驗證50μl/min的神經血流量對流，可以發現神經降溫溫度增加2.0°C。在不需要絕緣層的情況下，在預定位置達到冷卻效果是蒸發微流體冷卻方法的一個關鍵能力。以三種不同配置嵌入熱致變色組織模擬物中的神經冷卻器的實驗研究模型。在袖帶內包含10°C溫躍層，從袖帶外部向下延伸約500μm且不沿神經縱向延伸超過裝置邊緣的區域除外。該溫躍層幾乎延伸到扁平裝置中的整個蛇形蒸發室。熱三維有限元分析證實，冷卻效果在很大程度上受到徑向和縱向的限制，限制在冷卻套的范圍內以及平冷卻器的上方。蒸汽的溫度仍然限制在微流控通道內，在z=0 mm平面內徑向下和向右延伸的冷區如圖所示。急性動物實驗表明，蒸發微流控冷卻器能夠可逆地消除誘發神經信號。脛骨前肌肌電圖（EMG）顯示，在8分鐘內從31°C冷卻到5°C期間，肌電圖幅度減少92%，神經肌肉活動的信號延遲增加64%。復溫3分鐘后，振幅和延遲分別恢復到初始值的108%和100%。從冷卻套遠端坐骨神經進行的電記錄提供了通過單個刺激脈沖誘發的復合神經動作電位（CNAP）的測量。在15分鐘內從33°C冷卻到4°C，信號幅度下降77%，延遲增加97%。在隨后的3分鐘復溫后，振幅和延遲分別恢復到其初始值的101%和97%以內。在為多天長周期實驗構建的設備中，安裝在坐骨神經上的微流控蒸發冷卻器和溫度傳感器的經皮連接沿著脊柱皮下到達小鼠顱頂。在保留性神經損傷（SNI）后3周內對兩只對照動物進行的機械傷害敏感性測試顯示，與對側相比，SNI側的機械敏感性閾值預期增加，持續時間超過3周。使用另外三只同時接受SNI和冷卻套的動物進行的研究表明，植入3周后，SNI處理的神經從37°C冷卻到10°C，導致機械敏感性閾值增加七倍，這與顯著的冷卻誘導鎮痛作用一致。植入式裝置在規定的時間內提供按需局部鎮痛，隨后進行溶解和生物吸附，將代表疼痛管理技術的質的進步。截肢、神經移植或脊柱減壓手術后的疼痛管理就是一個例子。在這里，相關神經已經被分離和識別；因此，袖帶的應用將直接集成到臨床工作流程中。在該方案中，在神經周圍植入一個生物可吸收的冷卻器，該冷卻器通過集中應用冷卻能力，能夠可逆地消除神經活動和疼痛信號。由水溶性材料制成的結構在愈合過程完成后自然會導致冷卻系統溶解，并且無需進行二次手術。實驗表明，在自由活動的動物模型中，按需鎮痛具有治療神經病理性疼痛的能力。這些概念、材料和設備設計為一類植入式冷卻系統奠定了工程基礎，該系統能夠在一系列臨床應用中實現靶向神經阻斷，包括靶向、按需、非阿片類疼痛管理。
值得注意的是，5月26日，西北大學John A. Rogers院士、Igor R. Efimov和Rishi K. Arora等人在Science上報道了一種可生物降解的閉環傳感器-執行器系統，用于心率監測和控制，最終目的有望實現控制有心動過緩（心率緩慢）術后風險的患者的心臟功能。（Rogers院士這篇Science，很走心！）
Jonathan T Reeder, Zhaoqian Xie, Quansan Yang, et al. Soft, bioresorbable coolers for reversible conduction block of peripheral nerves. Science. 2022 Jul;377(6601):109-115.https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl8532#tab-contributors
