理化所等提出液態金屬神經連接與修復技術

2020-12-07 中國科學院

　　近期，由劉靜研究員帶領的中國科學院理化技術研究所與清華大學聯合研究小組，首次報導了一種全新原理的液態金屬神經連接與修復技術，在國際上引起持續廣泛的影響。相應成果自4月底公布於物理學預印本網站以來，已受到數十個國際知名的科學與新聞媒體如New Scientist, MIT Technology Review, IEEE Spectrum, Physics Today, Newsweek, Daily Mail, Discovery, Geek等的專題報導和評介，Reuters, Nature News等也通過電話或郵件方式聯絡實地拍攝或進一步的報導事宜。

　　眾所周知，神經網絡遍布於人體全身，因而神經損傷與斷裂在醫學上極為普遍。據統計，有多達100種以上的因素均可造成神經破損。生理學上，神經再生是一個極為緩慢的過程，有時甚至需要長達數年的時間才能恢復切斷神經末梢的互連。因此，儘管神經損傷一定程度上可通過某種手術或物理方式加以治療，然而神經纖維一旦被徹底切斷或破壞，唯一的希望只能是將這些分隔的末梢儘快連通。這是因為，神經信號一旦持續中斷，患者對應的肌肉功能即會隨之減退、萎縮，直至造成永久性的功能缺失乃至截癱。當前，治療周圍神經損傷的「金標準」在於自體神經移植，但卻受到供區神經來源不足、供區神經功能喪失，以及供區神經結構和尺寸不匹配等限制。因此，尋找合適的神經移植替代物長期以來一直是神經修復領域中的重大挑戰。近年來，顯微外科和納米材料學的發展為斷裂神經修復帶來了新希望，但仍受到諸如導通能力不足，神經功能恢復不暢等制約。

　　迄今，臨床醫學上逐步得到廣泛認同的是，如能將恢復期的肌肉神經信號持續高效地傳達至目標，則將大大加速神經的修復過程並促成其保持原有功能。而神經功能主要是通過電信號的傳輸和響應來實現的。正是出於這一考慮，研究小組基於10餘年來在液態金屬材料學與生物醫學工程學領域的長期積累和實踐，首次提出了具有突破性意義的液態金屬神經連接與修復技術，旨在迅速建立切斷神經之間的信號通路及生長空間，從而提高神經再生效率並降低肌肉功能喪失的風險。

　　在題為Liquid Metal as Connecting or Functional Recovery Channel for the Transected Sciatic Nerve（Jie Zhang, et al., arXiv:1404.5931）的論文中，研究小組首次證實了以液態金屬作為高傳導性神經信號通路的可行性。通過建立牛蛙腓腸肌模型，採用液態金屬連接剪斷的神經組織，藉助微弱電刺激試驗探明了液態金屬神經傳導的優勢。結果表明，利用液態金屬連接的神經模型能很好地傳遞刺激信號，與剪斷前的正常神經組織在信號傳導方面具有高度的一致性和保真度，顯著優於傳統的林格氏液。與此同時，由於液態金屬在X射線下具有很強的顯影性，因而在完成神經修復之後很容易通過注射器取出體外，從而避免了複雜的二次手術。這一方法為神經連接與修復開闢了全新方向。

　　長期以來，理化所低溫生物醫學實驗室與清華大學醫學院醫學微系統技術實驗室合作，致力於推進室溫液態金屬這一新興功能材料在電子信息、能源和醫療健康技術等領域的應用，取得一批開拓性成果。此項探索正是聯合小組密切結合臨床醫學中的重大需求所提出，刷新了人們對神經連接與修復問題的認識，對於今後該領域的研究和應用具有重要的啟示意義。

　　論文連結

由液態金屬構成的神經連接與修復導管示意圖

藉助液態金屬或林格氏液連接的切斷神經與正常神經的電響應信號對比

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