前言
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《医工前沿》是医工学人收集、整理与发布的医工交叉领域前沿研究动态，来源包括Science，Nature，The Lancet，IEEE，Advanced Materials等著名期刊及其子刊、合作刊等。医工交叉前沿动态的发布，有助于工程研究人员和临床医生迅速了解该领域学术前沿研究的最新现状，帮助医工领域研究者及从业者获得研究启发及转化可能。
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研究背景
对截肢患者残肢端的周围神经环路进行重建是备受关注但一直未能被很好解决的问题。由于神经元无法再生，植入式神经技术和细胞疗法正在迅速发展成为潜在的有效治疗方法。这些方法试图通过绕过损伤部位与现有的神经元进行电交互或提供新细胞来替换受损的神经元从而恢复功能。但是，植入式神经技术经常会因为身体的排异反应（Foreign Body Reaction, FBR）而导致植入物周围结疤使其失去作用；细胞疗法因为所引入的神经元细胞缺乏适当的引导，无法与现有的神经回路融合。同时，目前的神经技术中缺乏与不同功能的神经元进行融合的具有特异性功能的材料。
*该图片来自网络
该研究报道了一种新型仿生神经界面，该界面使用可扩展的细胞源（人类骨骼肌细胞），可以集成到生物电子设备中，作为外周神经输入的生物靶，可以对所选定的神经纤维子集进行记录，通过降低轴突-电极距离，改善信号振幅，从而提高空间和神经元类记录的分辨率。
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研究概述
核心过程
仿生神经界面开发的第一步是通过诱导多能干细胞分化出骨骼肌细胞。上图A展示了整个系统的植入过程：培育第二天干细胞开始分化出肌细胞，在培育的第8天，可产生成熟的肌管，从第10天开始，将培育好的含有成熟肌管的仿生设备植入有免疫缺陷大鼠前臂神经束中，并保持4周。
创新点
该研究提出的仿生神经界面使用了超柔性材料制成的极简二维平面，并包含有细胞生物混合层，这两个设计使得FBR大幅降低。此外，由于采用的再生设计不需要轴突通过植入体本身实现再生，因此该仿生界面可以实现其他设计所不具有的的长期稳定性的问题。
结论
该仿生神经界面在大鼠模型中存活了28天，并与宿主组织完成整合，能够通过仿生设备恢复神经驱动功能（大鼠前臂运动）。与标准神经界面（没有细胞的柔性电子设备）相比，该仿生神经界面表现出优异的电生理记录特性和组织整合能力。这种新方法使轴突纤维类型特有记录的选择性和空间分辨率显著提高，为下一代仿生假肢的发展开辟了可能性，可作为涉及周围神经损伤（即截肢）的严重临床疾病的治疗方法。
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研究意义
神经接口技术的最新进展中有一些用于恢复截肢者功能的设备。比如最近利用脑机接口技术获取和解释来自患者皮层的运动信号，驱动机器人假体运动。再或者，利用穿透性的神经植入物刺激神经残层内的感觉轴突，以重现截肢体的感官感知。然而，这些方法要么需要解析大脑信号中与运动相关的复杂信号，要么仅限于恢复感官感知，而不限于运动控制。同时还有研究人员开发了能够在截肢后再生的神经接口。这些再生接口通常允许轴突通过其架构中的通道或孔生长，以产生高质量的接口来记录来自轴突的信号。然而，这些再生神经植入物中的大多数几乎没有被很好使用，部分原因是在教长（大于6个月）的时间中其性能会大幅下降。这与FBR导致的纤维化组织积聚有关，FBR堵塞了通道腔并损坏了轴突。
而该研究所开发的仿生设备通过使用神经支配肌细胞执行的生物放大步骤提供更高的信号质量，从而在截肢治疗方面展现独特的优势。未来，仿生神经界面可以通过使用不同的细胞类型（如具有神经元或神经胶质表型的细胞类型）以促进与大脑和脊髓等其他组织的整合。这可能会将该技术可解决的治疗范围扩展到中风、创伤性脑损伤和脊髓损伤等情况。通过选择合适的植入设计和细胞类型，可以生成可定制的仿生神经接口，以满足患者的个人需求。此外，植入装置和细胞的组合允许通过父母干细胞的定制基因修饰，例如，使用局部药物输送来抑制免疫抑制或生长因子输送。
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编辑 | 罗虎
来源 | Science Advances
审核 | 医工学人
本篇文章来源于微信公众号: 医工学人
