腦機啟偵 | 微小的植入物能幫助癱瘓的老鼠重新行走（04.02）

1研究背景RESEARCH BACKGROUND

脊髓損傷后，神經通路斷裂常導致永久癱瘓，現有治療手段效果有限。但一項新研究為這一困境帶來突破：通過植入含氧化銥薄膜（SIROF）電極的超薄硬膜下裝置，每日施加2Hz低頻電場，竟讓胸椎挫傷的大鼠在12周后恢復hind limb協調運動，觸覺敏感度也顯著提升，為脊髓損傷治療開辟了 “無創修復” 新路徑。

2研究概述RESEARCH OVERVIEW

基于功能化導電聚合物的設計，研究團隊設計了功能化聚苯胺基時序黏附水凝膠貼片。它可以實現心臟的同步機械生理監測和電耦合治療，并牢固附著在心臟表面監測心臟的機械運動和電活動。

該研究開發了一款超薄硬膜下生物電子植入裝置，通過SIROF電極每日施加低頻電場，在大鼠胸椎挫傷模型中驗證了其安全性與療效，解決了傳統電極腐蝕、電場穿透不足的問題。

1.核心材料與制備

研究團隊采用微納制造技術，打造了基于聚酰亞胺的超薄硬膜下植入裝置：

■ 裝置含2個直徑200μm的SIROF刺激電極（位于損傷部位兩側）、2個備用電極及記錄電極，整體厚度僅4μm，可直接貼合脊髓軟膜表面。SIROF電極通過pseudocapacitive電荷注入（銥元素價態變化）傳遞電流，避免產生擴散性有毒產物；

■ 硬膜下放置設計無需穿透腦膜和腦脊液，電場穿透效率比硬膜外提升13%，僅需5μA電流即可在脊髓內形成0.8-1.6mV/mm的治療級電場，遠低于傳統裝置的電流需求。

2. 體外驗證

研究將大鼠分為三組：

■ 治療組（n=8，損傷 + 每日電場）

■ 對照組（n=10，僅損傷）

■ 無損傷組（n=10）

從術后第1天開始，治療組每日接受1小時2Hz雙相電場治療（脈沖寬度250ms），前11天連續治療，后續每周5次，持續12周。

結果顯示：治療組大鼠雖在術后1周恢復較慢（BBB評分低于對照組），但從第4周起反超，12周時BBB評分達8.4，100%實現前后肢協調運動，而對照組僅20%能達到該水平；治療組大鼠在術后1周就表現出更快的后爪退縮反應（電子von Frey測試），且在3-12周持續優于對照組，部分時間點甚至比無損傷組反應更快； histological分析顯示，治療組脊髓內小膠質細胞（IBA1+）和星形膠質細胞（GFAP+）活性與對照組無差異，未引發神經炎癥。

治療組與對照組大鼠后爪退縮潛伏期對比

3.裝備穩定性與電場模擬

如下圖所示，為驗證裝置長期安全性，研究團隊開展了多組測試：

■ 體外穩定性：在模擬腦脊液的PBS溶液中，SIROF電極連續90小時施加相同電場后仍保持完整，而傳統鉑電極出現分層溶解；加速老化測試（55℃下18天，相當于37℃下62天）也顯示，電極阻抗和電荷注入能力無顯著變化；

■ 電場模擬：通過有限元模型分析不同脊髓尺寸（小、中、大）的電場分布，發現無論脊髓大小，裝置均能在損傷區域形成0.6 mV/mm以上的縱向電場，且硬膜下放置比硬膜外電場強度提升13%，確保治療效果。

不同脊髓尺寸下的縱向電場強度分布模擬結果

3研究意義RESEARCH SIGNIFICANCE

這項研究的突破在于解決了傳統電場治療的核心瓶頸：SIROF電極的特性避免了金屬腐蝕問題，硬膜下設計提升了電場穿透效率，且每日1小時的治療方案在12周內未引發神經炎癥，證實了長期使用的安全性。

更重要的是，該研究首次在慢性脊髓損傷模型中實現運動、感覺功能的雙重恢復，為臨床轉化奠定基礎 —— 未來通過優化電極尺寸、結合神經保護藥物，有望為人類慢性脊髓損傷患者提供 “門診式” 長期治療方案，讓患者無需手術更換裝置，僅通過體外調控即可持續促進神經修復，真正實現脊髓損傷的 “無創、長效” 治療。

素材來源

參考文獻：Bruce Harland, Lukas Matter, Salvador Lopez, Barbara Fackelmeier, Brittany Hazelgrove, Svenja Meissner, Simon O’Carroll, Brad Raos, Maria Asplund, Darren Svirskis. Daily electric field treatment improves functional outcomes after thoracic contusion spinal cord injury in rats. Nature Communications, 2025

來源：BME康復工程分會、腦機接口社區

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