特別說明：本文由學(xué)研匯技術(shù) 中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識。因?qū)W識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。原創(chuàng)丨彤心未泯（學(xué)研匯 技術(shù)中心）
研究背景
閉環(huán)步態(tài)康復(fù)與輕型外骨骼和可穿戴或植入設(shè)備相結(jié)合的進步大大提高了患者醫(yī)療保健的質(zhì)量，與嚴重受傷的神經(jīng)和肌肉系統(tǒng)相關(guān)的運動和感覺功能障礙的有效恢復(fù)具有潛在的臨床有效性。為了構(gòu)建類組織假體材料，軟電活性水凝膠因其生理機械模量、低電阻以及生物組織電生理信號的雙向刺激和記錄能力而成為最佳候選材料。
關(guān)鍵問題
1、目前使用的組織界面生物電子設(shè)備都是貼片型到目前為止，神經(jīng)假體中使用的大多數(shù)組織界面生物電子學(xué)都是貼片型，不能應(yīng)用于粗糙、狹窄或深層的組織表面。2、注射水凝膠和導(dǎo)電水凝膠存在機械較低和電氣耐久性較差等問題注射器注射和導(dǎo)電水凝膠可以有效地引入組織工程和軟生物電子領(lǐng)域難以進入的部位，但其分子鍵較弱以及凝膠化不良導(dǎo)致的異質(zhì)電滲透，因此表現(xiàn)出較低的機械和電氣耐久性，從而不利地阻礙了長期穩(wěn)定的組織接口。
新思路
有鑒于此，韓國水原成均館大學(xué)Mikyung Shin和基礎(chǔ)科學(xué)研究所Donghee Son等人提出了一種由生物相容性水凝膠組成的在神經(jīng)肌肉系統(tǒng)中具有瞬時雙向電傳導(dǎo)的可注射組織假體，這種水凝膠具有獨特的苯硼酸鹽介導(dǎo)的多重交聯(lián)，如不可逆但可自由重排的聯(lián)苯鍵和通過交叉耦合原位形成的導(dǎo)電金納米顆粒的可逆配位鍵。作者成功演示了在大鼠嚴重肌肉損傷的早期階段，通過注射這種假體材料成功實現(xiàn)了機器人閉環(huán)輔助康復(fù)，并在后期實現(xiàn)了組織加速修復(fù)。作者制備了IT-IC水凝膠，并通過實驗表征和理論計算表明，多個動態(tài)鍵的解離使IT-IC水凝膠具有良好的可注射性、變形適應(yīng)性以及抗應(yīng)變電性能。作者通過實驗證實了IT-IC 水凝膠的肌肉-組織界面可以在注射后的早期階段實現(xiàn)即時組織-組織電傳導(dǎo)，并在后期進行進一步的組織修復(fù)。3、證實了IT-IC水凝膠的雙向信號傳導(dǎo)能力作者證實了神經(jīng)到肌肉的信號通路可以由IT-IC水凝膠精確控制，IT-IC水凝膠明顯有效提供肌肉橋接和神經(jīng)信號監(jiān)測功能以及有雙向信號傳導(dǎo)功能。4、成功演示了機器人閉環(huán)輔助康復(fù)作者將IT-IC水凝膠應(yīng)用到C-RAR上，使肌肉損傷的覺醒大鼠能夠在早期階段活動，通過注射這種假體材料成功實現(xiàn)了機器人閉環(huán)輔助康復(fù)，并在后期實現(xiàn)了組織加速修復(fù)。1、開發(fā)了一種具有瞬時雙向電傳導(dǎo)的可注射組織界面假體作者報告了由苯硼酸鹽（PB）介導(dǎo)的多重交聯(lián)策略生成的導(dǎo)電水凝膠（IT-IC水凝膠）組成的可注射組織界面假體。IT-IC水凝膠含有不可逆聯(lián)苯鍵，導(dǎo)電金納米顆粒之間通過聯(lián)苯偶聯(lián)和PB基團原位還原的可逆強配位鍵以及弱配位鍵。2、開發(fā)的水凝膠提供了高度保形和電生理接口能力組合交聯(lián)機制為水凝膠提供了高度保形和電生理接口能力，允許通過填充肌肉組織損失同時起到組織間傳導(dǎo)的作用，以便在早期階段立即康復(fù)，并在長期階段加速肌纖維再生。作者通過添加NaOH觸發(fā)含有Au（III）離子的HA-PB溶液的原位導(dǎo)電凝膠化制備了IT-IC水凝膠。凝膠化取決于[NaOH]與[Au(III)離子]的化學(xué)計量比，比例為4形成IT-IC水凝膠在1分鐘內(nèi)具有最高儲能模量和最低損耗因子。作者通過實驗表征和理論計算表明，多個動態(tài)鍵的解離使IT-IC水凝膠具有良好的可注射性和變形適應(yīng)性，并且聯(lián)苯環(huán)在閾值應(yīng)變下的旋轉(zhuǎn)重排可能支持這些機械特性。此外，通過研究IT-IC@4在神經(jīng)肌肉系統(tǒng)中的電性能表明PB衍生的聯(lián)苯鍵和交叉偶聯(lián)反應(yīng)原位生成的AuNP可實現(xiàn)均勻凝膠化，并具有可注射性和抗應(yīng)變電性能，可用于植入式生物電子學(xué)的進一步連接。
圖 可注射組織假體（IT-IC水凝膠）的設(shè)計及其接口應(yīng)用
圖 IT-IC水凝膠的物理化學(xué)和電學(xué)特性IT-IC水凝膠的可注射性使其能夠與各種狹窄和/或深部難以到達的組織進行無縫連接。作為組織連接材料，IT-IC水凝膠具有離體導(dǎo)電能力和生物相容性。將IT-IC水凝膠應(yīng)用于通過整個組織的橫截面切割建立的肌肉損傷模型證明了其在體內(nèi)組織-組織傳導(dǎo)的能力，即使在注射后，IT-IC水凝膠也能在組織-水凝膠界面處實現(xiàn)有效的組織傳導(dǎo)和超適形接觸，而不會造成面積損失。即使在沒有細胞或生長因子的情況下，用IT-IC水凝膠填充缺陷區(qū)域也可以通過水凝膠的有效電荷存儲能力促進肌生成和成肌細胞增殖。此外，IT-IC@4解離的AuNPs在腎臟、肝臟和脾臟中的積累相對較高，但沒有引起明顯的毒性。
IT-IC水凝膠由于其可拉伸性、模量匹配、低阻抗和圖案可控注射性而可以克服傳統(tǒng)治療工具反饋能力不足等限制。本工作制備的IT-IC水凝膠在神經(jīng)上表現(xiàn)出比其他現(xiàn)有材料更高的拉伸粘合強度。神經(jīng)和IT-IC水凝膠之間的界面能夠促進記錄對不同機械刺激模式的感覺神經(jīng)反應(yīng)，對應(yīng)的信噪比值與之前報道的感覺神經(jīng)信號的SNR幾乎相同。施加電壓后踝關(guān)節(jié)收縮的趨勢與肌電圖信號相匹配，表明神經(jīng)到肌肉的信號通路可以由IT-IC水凝膠精確控制。接著，作者研究了C-RAR雙向感覺和運動信號傳導(dǎo)的可行性，表明 IT-IC水凝膠明顯有效提供肌肉橋接和神經(jīng)信號監(jiān)測功能。此外，IT-IC水凝膠的雙向功能還在缺口神經(jīng)和未受傷的肌肉組織上得到了證明。
圖 IT-IC水凝膠在神經(jīng)肌肉系統(tǒng)中的雙向感覺和運動信號傳導(dǎo)作者將IT-IC水凝膠應(yīng)用到C-RAR上，使肌肉損傷的覺醒大鼠能夠在早期階段活動。激活的C-RAR系統(tǒng)觸發(fā)反饋刺激，反饋刺激可以與平均EMG信號的變化程度成比例地改變，而不會出現(xiàn)開環(huán)發(fā)散。為了演示C-RAR系統(tǒng)可在VML損傷手術(shù)后3天立即恢復(fù)清醒大鼠的運動，作者使用了雙向神經(jīng)和肌肉接口功能。作者通過對照實驗更好地展示瞬時機器人輔助康復(fù)（RAR）性能，結(jié)果表明當IT-IC水凝膠應(yīng)用于受傷的肌肉組織時，產(chǎn)生的傳導(dǎo)使RAR系統(tǒng)立即發(fā)揮作用。盡管單獨的RAR系統(tǒng)在沒有基于PNI的神經(jīng)刺激的情況下顯示出可靠的閉環(huán)結(jié)果，但這種功能僅限于中度損傷的肌肉組織。在這方面，該C-RAR 系統(tǒng)可能成為高效機器人康復(fù)的有希望的候選者。
圖 使用IT-IC水凝膠的C-RAR系統(tǒng)
展望
總之，由柔軟導(dǎo)電透明質(zhì)酸水凝膠組成的可注射假體在損傷后早期通過肌肉和周圍神經(jīng)組織傳導(dǎo)產(chǎn)生瞬時C-RAR，并在后期增強組織修復(fù)。在水凝膠網(wǎng)絡(luò)中，可重排聯(lián)苯鍵輔助的動態(tài)配位鍵在確保與組織相似的理想機械模量、通過有效的能量耗散對抗剪切應(yīng)力實現(xiàn)良好的可注射性、粗糙組織界面上的共形接觸和抗應(yīng)變方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用導(dǎo)電性。將IT-IC水凝膠應(yīng)用于組織缺陷和設(shè)備-組織界面，實現(xiàn)電生理信號的傳輸和監(jiān)測。最終，可注射假體平臺在肌肉和周圍神經(jīng)組織之間帶來雙向串擾，以促進慢性組織損傷患者的治療恢復(fù)。Jin, S., Choi, H., Seong, D. et al. Injectable tissue prosthesis for instantaneous closed-loop rehabilitation. Nature 623, 58–65 (2023). DOI：10.1038/s41586-023-06628-xhttps://doi.org/10.1038/s41586-023-06628-x
