引言

外周神经损伤是一类常见但治疗困难的临床问题，常见于创伤、外科手术或感染后导致感觉和运动功能丧失。尤其是长段神经缺损（>10 mm），修复难度极高。目前治疗标准依赖自体神经移植，但存在供体神经有限、手术创伤大、恢复不完全等严重问题，极大限制了其临床推广。替代方法如人工神经导管（NGCs）正受到广泛关注。特别地，研究发现适度的电刺激（Electrical Stimulation, ES）能加速神经轴突再生、施旺细胞髓鞘化、促进神经功能恢复。然而，当前的ES系统往往需要侵入式电源（如体外电极、植入芯片），带来感染、复杂操作和患者依从性低等问题。另一方面，压电材料——能够将机械应力转化为电信号的功能性材料，近年被引入NGC领域，意图实现“无线电刺激”。但传统压电材料如BaTiO₃、PVDF存在以下不足：不可降解/残留毒性风险、需要高频超声激发（超声刺激难控、易伤组织）、天然压电高分子（如丝蛋白、胶原）压电性能偏弱。

本研究由中国科学院北京纳米能源与系统研究所有李琳琳教授团队完成，发表在《Advanced Functional Materials》（IF19），该创新性地提出：将天然氨基酸 β-甘氨酸（β-Gly）嵌入可降解聚合物 PCL 中，通过静电纺丝构建有序压电神经导管，利用按摩枪振动进行非侵入式神经刺激，从而修复10 mm长的坐骨神经缺损。此举在材料设计、电刺激方式、生物降解性与临床可行性多维度实现突破，为外周神经再生领域带来新的研究视角。

创新亮点

1、材料设计与稳定性突破

• β-甘氨酸的稳定化：通过一步静电纺丝将β-Gly均匀嵌入PCL纳米纤维中，解决了β-Gly易相变（转为非压电α相）和高水溶性的难题。

• 高压电输出：PCL-β-Gly-7导管在1 N力下产生0.82 V电压，振动触发时达2 V，显著高于无序纤维（1.8倍）。

2、无线刺激与便携性

• 按摩枪作为振动源：相比超声波，按摩枪无热效应风险，便携且无需专业操作，适合家庭或临床常规使用。

• 体内外高效响应：植入猪组织14天后仍保持1.2 V电压输出，证实其长期稳定性。

3、显著的神经修复效果

• 体外实验：压电刺激使施万细胞（SCs）髓鞘长度增长至85.7 μm（对照组26.3 μm），PC12细胞神经突分化率提升至57.1%（对照组25%）。

• 动物模型：修复大鼠10 mm坐骨神经缺损后，运动功能恢复99%，神经传导恢复96%，与自体移植效果相当。

4、临床转化优势

• 生物安全性：血液生化及组织学分析显示无毒性反应，导管在90天内逐步降解。

• 成本与操作性：无需复杂设备，降低了治疗门槛。

图文解析

图1展示了PCL-β-Gly压电神经导管的制备流程及其在神经修复中的作用机制。(a) 通过静电纺丝将β-甘氨酸晶体与PCL复合，形成具有压电特性的纳米纤维导管；(b) 导管植入大鼠坐骨神经缺损部位，并通过按摩枪的低频振动（15 Hz）触发压电刺激；(c) 压电效应促进施万细胞髓鞘化和神经元突触生长，最终实现神经功能恢复。

 

图2详细描述了导管的制备过程及其物理化学特性。(a) 通过静电纺丝直接溶解PCL和甘氨酸，形成管状结构；(b) PCL-Gly-7导管的宏观形貌；(c-e) SEM显示纳米纤维的定向排列及均匀分布；(f-g) XRD和FTIR证实β-Gly的结晶相和化学结构；(h) 不同甘氨酸含量导管的力学性能测试，显示其弹性模量与人体神经匹配。

 

图3通过压电力显微镜（PFM）和纳米发电机（PENG）验证材料的压电特性。(a-d) PFM显示纳米纤维的振幅和相位响应，证实β-Gly的压电性；(e) PENG器件结构示意图；(f-g) 不同甘氨酸含量及排列方式对电压输出的影响；(h-j) 外力与电输出的线性关系及循环稳定性；(k) 按摩枪振动下PENG产生2 V电压，适用于体内刺激。

 

图4揭示了压电刺激对施万细胞和神经细胞的调控作用。(a) 导管在模拟体液中逐步降解；(b) MTT实验显示材料无细胞毒性；(c) 活/死染色证实高细胞存活率；(d) 振动刺激促进施万细胞髓鞘化；(e-j) 免疫荧光和定量分析表明，压电组（P-G+V）的髓鞘长度、神经突分化率显著优于对照组。

 

图5通过动物实验验证导管的修复效能。(a) 实验时间线；(b) 导管植入手术示意图；(c) 免疫荧光显示再生神经中S100（施万细胞标记）和NF200（神经元标记）的高表达；(d-g) 定量分析证实P-G+V组的再生指标接近自体移植组，TB染色显示髓鞘密度显著提升。

 

图6综合评估大鼠神经功能恢复情况。(a) 术后12周腓肠肌形态对比；(b-d) 肌肉湿重比和H&E染色显示P-G+V组萎缩最小；(e-f) 步态分析（SFI评分）表明运动功能恢复达99%；(g-h) 电生理测试（CMAP振幅）显示神经传导恢复96%，与自体移植相当。

总结与展望

本研究融合天然氨基酸、生物降解材料、静电纺丝结构控制与柔性压电学，率先在：生物源压电材料开发、无创电刺激机制、神经导管结构功能一体化上实现技术统合，提出真正可应用的“生物-机械-电子”闭环。这预示着未来神经导管不仅是支架，更是主动治疗载体，将从被动修复走向主动调控。

文章来源：https://doi.org/10.1002/adfm.202510947