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神經(jīng)損傷會(huì )導致其支配的肌肉組織萎縮和變性，從而引起相關(guān)運動(dòng)功能的缺陷。組織工程支架治療神經(jīng)損傷是學(xué)界前沿的治療策略，取得了較好的進(jìn)展?；诮M織工程支架治療的過(guò)程中，運動(dòng)功能恢復狀態(tài)的監測對于評估治療效果和調整治療方案至關(guān)重要。目前，評估神經(jīng)損傷后運動(dòng)功能的主要方法是測量肌電信號，這種測量方式通常需要連接肌電電極和記錄裝置，導致患者使用十分不便。因此，開(kāi)發(fā)一種可以伴隨神經(jīng)修復全過(guò)程的長(cháng)期、便捷的運動(dòng)功能實(shí)時(shí)評估傳感體系對于神經(jīng)修復治療具有重要的輔助意義。

為解決上述問(wèn)題，近期，中國科學(xué)院北京納米能源與系統研究所李舟教授團隊開(kāi)發(fā)了一種具有良好生物降解性和生物相容性的植入式左旋聚乳酸（PLLA）/鈦酸鋇（BTO）壓電傳感器（PBPS），用于實(shí)時(shí)評估神經(jīng)損傷后的運動(dòng)功能恢復。這一傳感器由全可降解的材料制備而成，可以在外周神經(jīng)修復的治療性的組織工程支架植入的同時(shí)植入，并且可以隨著(zhù)治療過(guò)程逐漸降解，避免二次手術(shù)取出的風(fēng)險。另外，PBPS與信號無(wú)線(xiàn)傳輸模塊的集成可以打破傳感時(shí)間和空間的限制，實(shí)現大鼠運動(dòng)功能的實(shí)時(shí)便攜式評估。

圖1 PBPS的結構示意圖和工作流程圖

具體而言，研究人員設計了一種植入式PBPS運動(dòng)傳感器，圓弧花瓣形狀設計使其與組織有良好的適形性，在感受力學(xué)作用時(shí)更加靈敏。通過(guò)將BTO納米顆粒摻雜到PLLA納米纖維中，增加了材料在多方向的壓電效應，實(shí)現了材料整體的壓電性能提升。PBPS的最大輸出電壓（Vmax）可以達到1.8 V，最大輸出電流（Imax）約為30 nA，呈現出良好的力-電響應關(guān)系，線(xiàn)性度達到0.9445。此外，研究人員構建PBPS的所有核心單元（PLLA/BTO膜、聚己內酯（PCL）膜和鉬（Mo）電極）都是生物可降解材料，且具有良好的細胞、血液和組織相容性。

在大鼠坐骨神經(jīng)損傷模型中，隨著(zhù)修復過(guò)程的進(jìn)展，PBPS傳感器的輸出信號逐漸增加，與傳統的肌電圖測試信號具有相似的響應型，表明PBPS具備評估神經(jīng)損傷后運動(dòng)功能恢復情況的能力。利用短時(shí)傅立葉變換對測試信號的一部分進(jìn)行時(shí)頻分析的結果表明EMG信號和PBPS信號在時(shí)頻響應上表現出良好的一致性，這進(jìn)一步證明了基于PBPS的傳感系統可以在神經(jīng)損傷后的運動(dòng)功能恢復評估中發(fā)揮類(lèi)似于肌電評估的作用。最后，通過(guò)將PBPS與無(wú)線(xiàn)傳輸模塊和移動(dòng)終端相結合，可以將大鼠運動(dòng)過(guò)程中通過(guò)PBPS產(chǎn)生的電信號無(wú)線(xiàn)傳輸到移動(dòng)終端，實(shí)現對坐骨神經(jīng)損傷后大鼠模型運動(dòng)功能實(shí)時(shí)監測與評估。

圖2 體內運動(dòng)狀態(tài)傳感評估

中國科學(xué)院北京納米能源與系統研究所李舟教授、北京航空航天大學(xué)劉卓副教授以及國家納米科學(xué)中心胥玲玲博士為該論文的共同通訊作者。中國科學(xué)院北京納米能源與系統研究所博士生單義珠為該論文的第一作者。相關(guān)工作以“A biodegradable piezoelectric sensor for real-time evaluation of the motor function recovery after nerve injury”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials期刊上。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202400295