中科院深圳先进院AM：自适应铁电生物电子界面，实现迷走神经长期安全、无线、无缝合调控

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背景介绍

植入式生物电子器件通过精准调控神经活动，为难治性神经系统疾病和自身免疫性疾病（如内毒素血症、类风湿性关节炎、炎症性肠病等）提供了全新治疗策略。迷走神经刺激（VNS）可激活神经免疫通路，抑制促炎细胞因子释放，因而受到广泛关注。然而，传统VNS器件多采用金属袖套电极，存在几何结构不匹配、需缝合固定造成组织创伤、以及依赖纯电信号刺激而缺乏神经元样生物电信号等问题，导致长期植入后神经受压、局部炎症、疗效衰减，严重制约其临床应用。

研究思路

为解决上述瓶颈，来自中国科学院深圳先进技术研究院（SIAT） 的杜学敏研究员团队，开发了一种多功能铁电生物电子界面（Ferroelectric Bioelectronic Interface, FBI）。该器件集成了三层功能结构：双层天然多糖水凝胶基底（壳聚糖底层 + NHS酯化海藻酸盐上层），赋予器件水触发自卷曲能力，可主动匹配纤细、高曲率的迷走神经，实现无缝共形接触；同时提供强界面粘附（剪切强度约50 kPa），无需缝合即可稳定固定。铁电P(VDF-TrFE)聚合物微阵列，通过电晕极化获得稳定铁电性。光热碳纳米管（CNT）中间层，采用电喷雾法制备多孔结构，实现CNT与P(VDF-TrFE)的空间分离，在近红外（NIR）光照下产生极化变化，诱导类神经元生物电信号（峰值开路电压16–30 V，可调）。

FBI在NIR脉冲照射下，通过光热电效应产生极化电流，直接激发靶细胞膜电位变化，引起Ca²⁺内流和细胞兴奋，从而无线、无电池地调控迷走神经传出纤维，激活脾脏JAK2/STAT3信号通路，抑制NF-κB核转位，最终降低血清中TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-18等促炎因子水平。相关内容以Multifunctional Ferroelectric Bioelectronic Interfaces forLong-Term Biosafe Vagus Nerve Modulation发表在Advanced Materials！

图片解析

图1：FBI整体设计概念图，展示了自卷曲、粘附固定和NIR介导的神经调控三大功能，以及其在抗炎治疗中的作用通路。

图2：展示了FBI的多层结构（SEM、EDS元素分布）、水触发自卷曲曲率变化（0→2.5 mm⁻¹）、与迷走神经的粘附剪切强度（~50 kPa）、以及不同CNT含量和NIR功率密度下的开路电压输出（16–30 V）。相比CNT共混膜，FBI的分层结构使β相含量更高，电输出提升约50%。

图3：PC12细胞实验显示，FBI在NIR照射下可显著诱发细胞内Ca²⁺升高，且兴奋比例随光强增加（5→10 mW/mm²）而上升，10→15 mW/mm²时达到平台，符合神经元兴奋性特征。无铁电效应的对照膜无此作用。细胞活性>99%，活性氧生成比硅光电器件低约16倍。

图4：在脂多糖诱导的大鼠内毒素血症模型中，FBI可通过自卷曲和无缝合粘附轻松植入迷走神经，微CT证实共形接触无压迫。NIR照射后，脾脏组织中p-STAT3上调、p-p65下调，血清中四种促炎因子浓度显著降低，且效果可调。

图5：60天长期植入实验显示，FBI在自由活动大鼠中保持稳定电输出，无神经压迫、无明显炎症（组织学及免疫荧光证实Tuj-1、S100β、CD68表达与假手术组相当），抗炎疗效无衰减。而扁平对照器件出现明显炎症、CD68高表达及疗效下降。

结论

本研究开发的FBI通过水触发自卷曲几何匹配、强粘附无缝合固定、极化变化诱导类神经元电信号三大功能协同，实现了与迷走神经的长期、安全、自适应接口。在急性炎症模型中，FBI可无线、无电池地有效抑制多种促炎因子；在60天长期植入中，器件保持稳定性能，无神经压迫、无显著异物反应，抗炎疗效持久。该平台为难治性自身免疫疾病提供了全新的植入式生物电子治疗方案，同时有望拓展至神经系统疾病治疗、组织工程等广泛领域。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202573023