基于有机压电和导电纳米纤维的微型植入式自供电神经电刺激系统的构建与性能研究

This project aims to develop a new type of self-powered implantable peripheral nerves electrical stimulation system for the long-segment peripheral nerve defect as a worldwide medical problem, which can provide a pulsed electrical stimulation in vivo to promote the regeneration and functional reconstruction of the long-segment peripheral nerve defect. For this reason, we propose to prepare PVDF-TrFE core-shell aligned piezoelectric nanofibers, using the synergistic effect among the graphene oxide, nanoscale re-crystallization and PEDOT:PSS in the nanofiber to promote the formation and orientation of the beta crystalline of PVDF-TrFE, and decrease the dielectric loss, further to obtain high level piezoelectric performance of the PVDF-TrFE. Subsequently, we plan to construct a arterial blood vessels-driving piezoelectric energy harvester by using the PVDF-TrFE core-shell aligned piezoelectric nanofibers, to achieve the energy conversion and collection from the mechanical energy of arterial pulse to electric energy. Which can provide a continuous and long-term electric energy supply to nerve electrical stimulation system. Simultaneously, we intend to develop a biodegradable and conductive nerve conduit based on PEDOT conductive nanofibers, which has a good conductivity by compositing trace of PEDOT nanowires in the nanofibers, and can achieve bio-safe, non-toxic and controllable degradation in vivo. Finally, by using the piezoelectric energy harvester as the power and signal emission source, to apply pulse electrical stimulation to peripheral nerve defects with the biodegradable nerve conduit, to promote rapid development and myelination, and reconstruction of nerve function.

本项目拟发展一种微型植入式自供电神经电刺激系统，为长节段周围神经缺损这一世界性医学难题提供新疗法。为此，我们拟开发一种新型的PVDF-TrFE核/壳式定向压电纳米纤维，通过氧化石墨烯掺杂、纳米重结晶和PEDOT:PSS导电高分子引入等多因素产生的协同效应促进PVDF-TrFE中β晶型的形成和取向度，并减少介电损耗，获得高效的压电性能。进而，利用该材料构建可血管驱动的压电能量收集器，借助动脉血管搏动实现体内机械能向电能的转换与收集，为神经电刺激系统提供持续、长效的电能供应。同时，我们拟发展一种基于PEDOT导电纳米纤维的可降解导电神经导管，通过痕量PEDOT纳米丝的复合，获得优良的电学性能，并实现神经导管体内安全、无毒、可控的降解。最终，以压电能量收集器为电能和信号发射源，通过可降解导电神经导管向缺损周围神经实施精准地低频脉冲式弱电刺激，促进神经元轴突的快速发育和髓鞘化，以及神经功能的重建。

为克服现有介入和植入式神经电刺激设备的结构复杂性、信号单一性、能源有限性以及各种手术并发症等。本项目构建了一种微型全植入式自供电外周神经电刺激系统，为解决长节段外周神经缺损（PNI）再生这一世界医学难题提供了全新电子疗法。本研究实施过程中，相继开发了多种高性能的聚偏氟乙烯基压电纳米纤维新材料，并以此为核心组件设计并构建了多种植入式纳米发电机，高效实现了利用动脉血管、肌肉、呼吸运动进行发电和生理监测的目的，并以此实现了心血管系统外部微压力的实时监测以及机械能向电能的高效转换。同时，基于纳米界面涂覆技术成功制备了PEDOT可降解导电神经导管，使用痕量PEDOT（小于1 wt%）即获得了较高的导电率（0.17 S/cm），同时保留了优良的生物相容性和体内降解性。在此基础上，以纳米发电机为电信号发生源，通过转换生物体机械能自发产生脉冲电信号，并整合PEDOT导电神经导管，成功搭建了一种全新的微型全植入式自供电外周神经电刺激系统，该系统可根据不同的生物体生理状态提供生物反馈式电刺激信号。在该系统的刺激作用下，在体内长效、显著地促进了雪旺细胞的增殖和迁移、再生神经纤维髓鞘化，并促进了神经内血管的新生和神经运动功能的重建，长节段PNI再生和功能重建效果接近临床金标准--神经自体移植。这种全可植入式的微型自供电外周神经电刺激系统为神经再生和功能重建提供了一种简单、有效的临床治疗新方法，该方法不仅对长节段外周神经缺损的修复具有重要的推动作用，同时还有望广泛应用于其他组织再生和神经功能重建领域，如心肌坏死、糖尿病溃烂、帕金森症、艾尔兹海默症等等。