理化所等提出液態(tài)金屬神經(jīng)連接與修復(fù)技術(shù)

近期，由劉靜研究員帶領(lǐng)的中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所與清華大學(xué)聯(lián)合研究小組，首次報(bào)道了一種全新原理的液態(tài)金屬神經(jīng)連接與修復(fù)技術(shù)，在國(guó)際上引起持續(xù)廣泛的影響。相應(yīng)成果自4月底公布于物理學(xué)預(yù)印本網(wǎng)站以來(lái)，已受到數(shù)十個(gè)國(guó)際知名的科學(xué)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(bào)道和評(píng)介，Reuters, Nature News等也通過(guò)電話或郵件方式聯(lián)絡(luò)實(shí)地拍攝或進(jìn)一步的報(bào)道事宜。

眾所周知，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遍布于人體全身，因而神經(jīng)損傷與斷裂在醫(yī)學(xué)上極為普遍。據(jù)統(tǒng)計(jì)，有多達(dá)100種以上的因素均可造成神經(jīng)破損。生理學(xué)上，神經(jīng)再生是一個(gè)極為緩慢的過(guò)程，有時(shí)甚至需要長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的時(shí)間才能恢復(fù)切斷神經(jīng)末梢的互連。因此，盡管神經(jīng)損傷一定程度上可通過(guò)某種手術(shù)或物理方式加以治療，然而神經(jīng)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盡快連通。這是因?yàn)?，神?jīng)信號(hào)一旦持續(xù)中斷，患者對(duì)應(yīng)的肌肉功能即會(huì)隨之減退、萎縮，直至造成永久性的功能缺失乃至截癱。當(dāng)前，治療周圍神經(jīng)損傷的“金標(biāo)準(zhǔn)”在于自體神經(jīng)移植，但卻受到供區(qū)神經(jīng)來(lái)源不足、供區(qū)神經(jīng)功能喪失，以及供區(qū)神經(jīng)結(jié)構(gòu)和尺寸不匹配等限制。因此，尋找合適的神經(jīng)移植替代物長(zhǎng)期以來(lái)一直是神經(jīng)修復(fù)領(lǐng)域中的重大挑戰(zhàn)。近年來(lái)，顯微外科和納米材料學(xué)的發(fā)展為斷裂神經(jīng)修復(fù)帶來(lái)了新希望，但仍受到諸如導(dǎo)通能力不足，神經(jīng)功能恢復(fù)不暢等制約。

迄今，臨床醫(yī)學(xué)上逐步得到廣泛認(rèn)同的是，如能將恢復(fù)期的肌肉神經(jīng)信號(hào)持續(xù)高效地傳達(dá)至目標(biāo)，則將大大加速神經(jīng)的修復(fù)過(guò)程并促成其保持原有功能。而神經(jīng)功能主要是通過(guò)電信號(hào)的傳輸和響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。正是出于這一考慮，研究小組基于10余年來(lái)在液態(tài)金屬材料學(xué)與生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)領(lǐng)域的長(zhǎng)期積累和實(shí)踐，首次提出了具有突破性意義的液態(tài)金屬神經(jīng)連接與修復(fù)技術(shù)，旨在迅速建立切斷神經(jīng)之間的信號(hào)通路及生長(zhǎng)空間，從而提高神經(jīng)再生效率并降低肌肉功能喪失的風(fēng)險(xiǎn)。

在題為L(zhǎng)iquid 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(shí)了以液態(tài)金屬作為高傳導(dǎo)性神經(jīng)信號(hào)通路的可行性。通過(guò)建立牛蛙腓腸肌模型，采用液態(tài)金屬連接剪斷的神經(jīng)組織，借助微弱電刺激試驗(yàn)探明了液態(tài)金屬神經(jīng)傳導(dǎo)的優(yōu)勢(shì)。結(jié)果表明，利用液態(tài)金屬連接的神經(jīng)模型能很好地傳遞刺激信號(hào)，與剪斷前的正常神經(jīng)組織在信號(hào)傳導(dǎo)方面具有高度的一致性和保真度，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的林格氏液。與此同時(shí)，由于液態(tài)金屬在X射線下具有很強(qiáng)的顯影性，因而在完成神經(jīng)修復(fù)之后很容易通過(guò)注射器取出體外，從而避免了復(fù)雜的二次手術(shù)。這一方法為神經(jīng)連接與修復(fù)開(kāi)辟了全新方向。

長(zhǎng)期以來(lái)，理化所低溫生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室與清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室合作，致力于推進(jìn)室溫液態(tài)金屬這一新興功能材料在電子信息、能源和醫(yī)療健康技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用，取得一批開(kāi)拓性成果。此項(xiàng)探索正是聯(lián)合小組密切結(jié)合臨床醫(yī)學(xué)中的重大需求所提出，刷新了人們對(duì)神經(jīng)連接與修復(fù)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)，對(duì)于今后該領(lǐng)域的研究和應(yīng)用具有重要的啟示意義。（理化技術(shù)研究所）

由液態(tài)金屬構(gòu)成的神經(jīng)連接與修復(fù)導(dǎo)管示意圖

借助液態(tài)金屬或林格氏液連接的切斷神經(jīng)與正常神經(jīng)的電響應(yīng)信號(hào)對(duì)比