神經系統疾病是人類面臨的全球性醫學難題，傳統的化學和生物藥物在治療此類疾病中臨床效果不佳，且極易產生多種併發症。近期，我校化學與化工學院馮章啟課題組開發了一種具有生理自調節功能的全植入式自供電神經電刺激（FI-NES）系統，並利用該系統成功實現了“長節段外周神經”缺損這一全球性醫學難題的快速再生與功能重建，為神經系統的仿生電刺激提供了全新途徑。該研究推動了我校在生物電子材料與系統領域內的發展。相關成果近期以題為“Physiologically Self-Regulated, Fully Implantable, Battery-Free System for Peripheral Nerve Restoration”發表在材料化學類國際頂尖期刊《Advanced Materials》上 （https://doi.org/10.1002/adma.202104175）。南京理工大學作為第一和唯一通訊單位。
FI-NES系統的工作原理示意圖。
該系統由基於電子雲勢阱加速理論的新型摩/壓電混合奈米發電機（TP-hNG）和兼具優異機械效能、孔隙率、導電性和降解性的多功能神經導管（NP-NGC）構成。將TP-hNG植入胸部皮下組織用以產生與呼吸運動同頻同強度的脈衝訊號（PSR-ES），並利用NP-NGC遞送PSR-ES至神經缺損部位，進而誘導雪旺細胞的聚集和增殖以及再生神經纖維的髓鞘形成。由於呼吸運動受自主神經控制，因此PSR-ES具有與自主神經脈衝實時同步變化的生理特徵，這一仿生特徵使PSR-ES極易被神經識別並接納，進而調控細胞膜鈣離子的開合和相關基因表達。經過長期的臨床醫學評價，FI-NES系統展現出與臨床金標準——自體神經移植同等水平的神經再生和運動功能恢復。
與其他電刺激裝置相比，FI-NES系統展現出強大的體內發電能力、優異的穩定性、生理自調節功能和生物相容性。這些特徵使其能夠廣泛適用於神經退行性疾病的治療，如帕金森綜合徵、神經病理性疼痛、癲癇、阿爾茨海默病和長節段神經缺損等等。更重要的是，FI-NES系統還可用於從呼吸運動中獲取電子能量，為植入式電子晶片供電，如心臟起搏器、腦和脊髓電刺激器等，從而提高人體生理效率。這種全植入式的生物電子軟器件設計策略將推動仿生電子在再生醫學、醫療監測和藥物遞送等諸多領域中的廣泛應用。
該研究獲得科技委創新基金、國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金、中央高校基本科研業務費專項資助。該論文第一作者博士生金飛同學感謝江蘇省研究生科研與實踐創新專案的支援。
