一种用于生物反馈骨折愈合的自供电可植入和生物可吸收电刺激装置

　　自供电的可生物降解贴片可击碎骨折以治愈它们
　　一种用于生物反馈骨折愈合的自供电可植入和生物可吸收电刺激装置
　　[导读]：
　　骨折是公共卫生中的一个重大问题。最先进的临床研究表明，通过将刺激幅度和频率直接与动态运动相关联，与传统的连续电刺激相比，生物反馈电刺激治疗对于肌肉骨骼损伤后的术后治疗和康复特别有效。然而，生物反馈的实施仍然依赖于复杂的电子设备和传感系统，这在很大程度上限制了其对患者的可及性。威斯康星大学麦迪逊分校研究人员开发了一种自供电的可植入和生物可吸收装置，可直接将生物反馈电刺激应用于骨折的治疗。电刺激信号仅由相关的身体运动产生，提供闭环生物反馈疗法，使骨折快速愈合。该设备具有自我响应能力，无需电池，在完成生物医学干预后无需手术切除。
　　王旭东教授和他的FED（骨折电刺激仪）,威斯康星大学麦迪逊分校
　　研究已经表明，电刺激有助于治愈伤口，包括骨折。科学家们现在已经开发出一种更好的方式，以可生物降解的植入物的形式向这些骨骼输送电力。
　　为了对骨折进行电刺激，目前必须通过手术将外部供电的电极植入伤口部位。一旦骨头愈合，就需要通过手术切除它们。
　　超柔性骨折 ES 装置（FED）
　　为了寻求一种更简单、侵入性更小的替代方案，由威斯康星大学麦迪逊分校的 Xudong Wang 教授领导的一个团队创造了一种自供电的电贴片，通过手术将其放置在骨折部位，但一旦它被人体无害地吸收工作完成了。它被称为骨折电刺激装置，或 FED。
　　该设备的底座由 FDA 批准的生物相容性聚合物组成，其顶部是连接到两个电极的薄膜摩擦纳米发电机。纳米发电机将身体运动产生的机械能转化为电流，这与用袜子摩擦地毯产生静电荷的方式非常相似。电极将电流输送到骨骼。
　　FED 的基材由聚（乳酸 - 共 - 乙醇酸）聚合物或 PLGA 组成.
　　FED包括两个模块：用于电脉冲产生一个TENG和一对提供在空间上分布的电场相互交叉敷料电极。FED 的详细制造工艺如下图. TENG 和修整电极组件都构建在同一块 PLGA 基板上。TENG 组件具有岛桥 Mg 底部电极，在其顶部固定有微金字塔结构的 PLGA (P-PLGA) 层，金字塔朝上。它们一起形成了底部摩擦电层。另一个岛桥镁电极涂覆的 PLGA 层被覆盖并热塑性密封在 P-PLGA 层的顶部，作为顶部摩擦电层。由于接触界面的改善，P-PLGA的微金字塔结构可以提高TENG的灵敏度和发电密度）。一对具有蛇形几何形状的交错镁敷料电极沉积在距 TENG 组件 0.9 厘米处，并通过两条蛇形线连接。FED 的整体尺寸约为 35 × 15 × 0.45 (L × W × T) mm 3。岛桥和蛇形几何形状可以有效提升结构的稳健性，降低整体模量，并最大限度地减少对 FED 灵活性的约束。因此，FED可以连接到不规则表面而受到非常大的应变，如在完全弯曲手指关节或扭曲多圈。
　　柔性岛桥镁电极的机械强度首先通过使用半径为 4 mm 的球形塑料球的压制系统进行测试，其中镁电极岛的长度（L ) 和它们之间的间距都设计为 800 μm。
　　FED详细制作工艺过程
　　在实验室测试中，该装置允许大鼠在六周内从骨折的胫骨中恢复，这明显快于未治疗对照组的恢复时间。也就是说，大鼠在六周内保持相对活跃，因此纳米发电机始终能够产生约 4 伏的电压。相比之下，通常建议人类固定骨折的四肢。
　　＂我们可能需要该设备对其他类型的内部机械源做出反应，例如血压变化，＂王说。＂解决从动物到人类的发展将是非常有趣和有影响的。＂
　　最近发表在《 Proceedings of the National Academy of Sciences》上的一篇论文描述了这项研究。
　　总结：
　　电刺激已被公认为骨科中一种有前途的非药物治疗方法，可促进骨折愈合。然而，临床应用在很大程度上受到设备操作和刺激实施的复杂性的限制。本研究提出了一种自供电的可植入和生物可吸收骨折电刺激装置，它由用于发电的摩擦纳米发电机和一对用于直接向骨折施加电刺激的敷料电极组成。该设备可以连接到不规则的组织表面，并提供双相电脉冲以响应附近的身体运动。研究者在大鼠身上演示了该装置的操作，并在短短 6 周内实现了有效的骨折愈合，而对照组则需要 10 周以上才能达到相同的愈合结果。优化后的电场可激活相关生长因子调节骨微环境，促进骨形成和骨重塑，加速骨再生和成熟，矿物质密度和抗弯强度分别比对照组提高27%和83%，具有统计学意义。
　　这项工作提供了一种有效的植入式骨折治疗设备，该设备具有自我响应能力、无需电池，并且在完成生物医学干预后无需手术切除。