冯章启课题组开发了一种具有生理自调节功能的全植入式自供电神经电刺激（FI-NES）系统

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神经系统疾病是人类面临的全球性医学难题，传统的化学和生物药物在治疗此类疾病中临床效果不佳，且极易产生多种并发症。近期，我校化学与化工学院冯章启课题组开发了一种具有生理自调节功能的全植入式自供电神经电刺激（FI-NES）系统，并利用该系统成功实现了“长节段外周神经”缺损这一全球性医学难题的快速再生与功能重建，为神经系统的仿生电刺激提供了全新途径。该研究推动了我校在生物电子材料与系统领域内的发展。相关成果近期以题为“Physiologically Self-Regulated, Fully Implantable, Battery-Free System for Peripheral Nerve Restoration”发表在材料化学类国际顶尖期刊《Advanced Materials》上 （https://doi.org/10.1002/adma.202104175）。南京理工大学作为第一和唯一通讯单位。

FI-NES系统的工作原理示意图。

        该系统由基于电子云势阱加速理论的新型摩/压电混合纳米发电机（TP-hNG）和兼具优异机械性能、孔隙率、导电性和降解性的多功能神经导管（NP-NGC）构成。将TP-hNG植入胸部皮下组织用以产生与呼吸运动同频同强度的脉冲信号（PSR-ES），并利用NP-NGC递送PSR-ES至神经缺损部位，进而诱导雪旺细胞的聚集和增殖以及再生神经纤维的髓鞘形成。由于呼吸运动受自主神经控制，因此PSR-ES具有与自主神经脉冲实时同步变化的生理特征，这一仿生特征使PSR-ES极易被神经识别并接纳，进而调控细胞膜钙离子的开合和相关基因表达。经过长期的临床医学评价，FI-NES系统展现出与临床金标准——自体神经移植同等水平的神经再生和运动功能恢复。
       与其他电刺激设备相比，FI-NES系统展现出强大的体内发电能力、优异的稳定性、生理自调节功能和生物相容性。这些特征使其能够广泛适用于神经退行性疾病的治疗，如帕金森综合征、神经病理性疼痛、癫痫、阿尔茨海默病和长节段神经缺损等等。更重要的是，FI-NES系统还可用于从呼吸运动中获取电子能量，为植入式电子芯片供电，如心脏起搏器、脑和脊髓电刺激器等，从而提高人体生理效率。这种全植入式的生物电子软器件设计策略将推动仿生电子在再生医学、医疗监测和药物递送等诸多领域中的广泛应用。
      该研究获得科技委创新基金、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资助。该论文第一作者博士生金飞同学感谢江苏省研究生科研与实践创新项目的支持。


        文章来源：南京理工大学
       冯章启，南京理工大学化工学院教授。研究方向：功能材料的设计与制造，用于对细胞生物行为的调控，并用于组织工程、医学影像、生物检测等生物医学领域。功能性纳米纤维材料的开发及在生物、医药、过滤、能源方面的应用。