摩擦納米發電機用於自驅動電刺激成骨研究獲進展

中科院之聲2019-03-20 12:17:39

骨質疏鬆與骨質疏鬆性相關骨折這種世界性疾病嚴重威脅着人類的健康,據統計,僅美國患有骨質疏鬆的就有1680萬人,每年造成170億美元的經濟損失,且這類患者患上骨質疏鬆性骨折的概率為45%。因此骨質疏鬆不僅降低了患者的生活質量,造成嚴重的經濟負擔,也使骨折患者的死亡率翻倍。骨質疏鬆是一種以低骨量和骨組織惡化為特徵的代謝性疾病,骨量和骨強度依賴於破骨細胞的骨吸收和成骨細胞的骨形成之間平衡,而一旦超過40歲或經歷創傷、腫瘤等疾病後,骨吸收會超過骨形成速率,就會造成局部或系統性骨流失。所以調節骨吸收和骨形成的平衡,促進骨形成的速率是治療或緩解骨質疏鬆的有效途徑。


雖然在1812年就嘗試用電刺激治療骨不連並取得一定的進展,但是直到1953年報道了骨的壓電特性後人們才開始重視骨和電的關係,之後電刺激作為加速新骨形成的有效途徑才得以發展。然而由於電刺激需要外加電源的供給,導致其治療的便攜性和實時性受到嚴重限制。2012年摩擦納米發電機(TENG)這種微小能源收集器件的問世為電刺激的可穿戴和可移動化帶來了新的生機。TENG能夠將生物體的微納能源如心臟跳動、脈搏、走路等機械能轉化為電能,那麼,如果利用TENG將人體活動的機械能轉化為電脈衝,刺激成骨細胞並提高活性,將有可能實現可穿戴、自驅動的電刺激骨形成和骨再生的治療新模式。


中國科學院北京納米能源與系統研究所李舟課題組一直聚焦於TENG在生物醫學領域的應用,2014年首次利用大鼠呼吸產生的電能驅動心臟起搏器(DOI: 10.1002/adma.201402064),2016年成功將心跳產生的機械能轉化為電能,實現了自驅動的心率遠程實時監控(DOI: 10.1021/acsnano.6b02693)。因此,基於上述設想與研究基礎,李舟研究團隊、中國醫學科學院北京協和醫院博士田靜靜與北京積水潭醫院石鋭研究團隊三方合作,基於TENG的基本原理設計了一種自驅動電刺激器件,並採用前成骨細胞MC3T3-E1進行體外電刺激實驗,通過體外實驗證明所構建的自驅動電刺激器件能夠促進成骨細胞的粘附、增殖和分化等過程,經過3小時的電刺激,細胞粘附率比對照組增加了72.76%,電刺激3天后,細胞增殖率提高了23.82%。另外,為了證明所設計的TENG能夠成功收集生物體的微納能源,研究人員將構建的柔性TENG植入老鼠的股骨表面,發現在老鼠腿部運動時能夠成功驅動TENG輸出電學信號,證明了該自驅動電刺激器件進行原位刺激的潛力,也為臨牀治療骨折和骨移植後的骨重塑提供了新的研究方向。


相關成果以Self-powered implantable electrical stimulator for osteoblasts’ proliferation and differentiation 為題發表於國際學術期刊《納米能源》(Nano Energy,DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.02.073)。該項工作得到科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市拔尖人才、北京市自然科學基金以及國家萬人計劃“青年拔尖”人才的經費支持。


 

圖:自驅動電刺激器件促進成骨細胞的增殖和分化過程


來源:中國科學院北京納米能源與系統研究所


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