基于锌氧Trojan蓄电池的自供能神经导管加速神经细胞生长

电刺激在加速受损神经修复方面具有极大潜力。然而，当时的电刺激通常需要复杂的外部布线和电源，这在实际应用中带来了不便。其中，基于金属空气电池原理的无线自供能神经导管 通过激光增材制造制造完成。具体来说，含锌的聚碳纳米管（L-乳酸）（PLLA）和platinum@multi壁碳纳米管（Pt@MWCNTs）分别作为阳极和正极，中间导电段则用多分子碳纳米管/PLLA。一旦暴露于体液中，阳极会被氧化以产生电子，电子可通过中间导电段转移到阴极。然后阴极可以响应受损神经的弱碱性，催化电子，发生氧还原。因此，阳极与阴极之间形成了电势差在阳极和阴极之间形成，从而产生电力。结果显示，导管形成了持续的电压和电流，达到653毫伏和0.147毫安。细胞实验显示，电刺激可以显著上调神经特异性标志物Nestin和的表达GFAP的表达。此外，钙的流入量增加了约50%。这些结果证明，产生的电刺激能够诱导干细胞分化为神经细胞。因此，这项工作被期望为无线电刺激修复神经损伤提供新的见解。

周围神经损伤的修复和再生长期以来一直是临床实践中一个棘手的问题[1]。据报道，周围神经损伤约占所有创伤病例的2.8%，通常导致严重的感觉缺损和运动功能障碍，可能对患者的日常活动产生破坏性影响[1]、[2]。神经导管常用于连接神经缺陷，促进细胞的精确空间排列并支持神经延伸[3]， [4]。同时，它可以模拟神经组织的自然结构，创造适合神经再生的微环境[5]。因此，神经导管为周围神经损伤的治疗带来了新的希望。
由于神经细胞的生物学特性，其再生和修复能力受限，导致再生过程更长，功能恢复难度增加[3]，[6]，[7]，[8]。电刺激被认为是促进神经再生的有效策略，因为它可以上调神经生长因子和神经营养蛋白的表达[9]，[10]。因此，开发了多种导电神经导管，使用石墨烯（GN）[11]、[Ti]等导电材料₃C₂T_x（MXene）[12]，以及多壁碳纳米管（MWCNT）[13]。例如，Jiang等人制备了PLCL（G）/PDA/GN导电导管，发现它可以通过外源物理导线的电源装置产生电刺激，有效增强细胞内神经元表达[11]。Dai 等人证实，SF/PVDF-HFP/MXene 导电导管产生的电刺激能有效促进细胞轴突的伸长和轴突髓鞘的形成[14]。然而，在这些病例中，需要一个具有复杂电路的外部电源，这不仅给治疗带来不便，还可能给患者带来感染风险。因此，有必要开发能够产生无线电刺激的神经导管。
目前，研究人员已开发出压电和磁电材料以构建无线电激励。这些发电方式可能需要外部条件驱动，如超声波或磁场。但深入人体组织的深度不足，进一步限制了其应用范围。近年来，金属空气电池因其利用水和氧气将化学能转化为电能，通过氧化还原反应而受到广泛关注[15]。金属空气电池通常使用的阳极金属材料主要包括锌、镁、锂等。例如，张等人开发了具有双膜结构的镁氧生物电池。研究发现，该生物电池在功能集成设备（如脑电刺激器和胃蠕动监测器）中表现出优异的生物相容性和巨大潜力[16]。Wang等人设计了一种可植入式锌离子电池，能够实现无线充电，以抑制炎症并促进骨骼修复[17]。事实上，锌是一种多功能金属，兼具功能性和生物活性。它具有良好的生物相容性，可以在体内逐渐降解，并作为必需微量元素被吸收 [18]， [19]， [20]， [21]， [22]。特别是，降解产生的锌离子可能参与神经元信号传导，影响细胞凋亡、神经元可塑性和突触活动[23]。考虑到金属空气电池和锌的优势，尤其是人体环境富含氧气和水分。因此，采用锌氧电池结构的神经导管被期望实现无线电刺激，促进神经修复。
其中，利用激光增材制造技术制备了多段自供能神经导管（见图1a）。具体来说，具有良好生物相容性和生物降解性的聚l-乳酸（PLLA）被用作基质材料[24]，[25]，[26]。与此同时，基于PLLA的导管可以与电刺激结合使用，能够保持茎干性并促进轴突引导[27]。含有锌（Zn）的PLLA被制成阳极段，而含有铂纳米颗粒的多动碳纳米管的PLLA被制成阴极段。中间导电段使用含有多分子碳纳米管的PLLA制造。最后，制备了含有Zn/PLLA阳极段、MWCNTs/PLLA中间导电段和Pt@MWCNTs/PLLA阴极段的Zn-PLLA/MWCNTs-Pt@MWCNTs神经导管。分析了样品的表面形态、相组成和化学状态。测试了阴极催化剂的催化活性。进行了有限元分析（FEA），以探索体液中导管产生的电压电场。此外，还研究了干细胞在神经导管上的神经特异性标记的增殖、分化和表达。通过进一步检测细胞内钙的浓度²⁺提出了通过电刺激促进神经修复的可能促进机制（见图1b）。这项工作被期望为无线电刺激修复周围神经损伤提供新的见解。