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Sci:可溶解的植入设备无需药物就能减轻疼痛

时间:2022-07-05 作者: 点击:21312次

在一项新的研究中,来自美国西北大学和华盛顿大学等研究机构的研究人员开发出一种小型、柔软、灵活的植入设备,可以按需缓解疼痛,而且不使用药物。这种首创的植入设备可能为阿片类药物和其他高成瘾性药物提供一种亟需的替代方案。相关研究结果发表在2022年7月1日的Science期刊上,论文标题为“Soft, bioresorbable coolers for reversible conduction block of peripheral nerves”。这篇论文描述了该设备的设计,并一种动物模型中证实了它的功效。

这种具有生物相容性的水溶性设备通过柔软地包裹神经来提供精确、有针对性的冷却,从而麻痹神经并阻止疼痛信号进入大脑。一个外部泵使用户能够远程激活该设备,然后增加或减少其强度。在不再需要该设备后,它将自然地被身体吸收,而不需要通过手术提取。

这些作者认为,该设备有可能对接受通常需要术后用药的常规手术甚至截肢的患者最有价值。外科医生可能在手术中植入该设备,以帮助控制患者的术后疼痛。

论文共同通讯作者、西北大学的John A. Rogers说,“虽然阿片类药物非常有效,但它们也非常容易上瘾。作为工程师,我们的动力来自于不需要药物就能治疗疼痛的想法,这种治疗方式可以瞬间打开或关闭,用户可以控制疼痛缓解的强度。这篇论文报告的技术利用的一些机制与那些导致你的手指在寒冷时感到麻木的机制有一些相似之处。我们的植入设备允许以一种可编程的方式产生这种效果,直接和局部地作用于目标神经,甚至是周围软组织深处的神经。”

它如何发挥作用

虽然这种新的植入设备听起来像科幻小说,但是它利用了一个简单的、人人都知道的普通概念:蒸发。与汗液蒸发冷却身体的方式类似,该植入设备包含一种在感觉神经的特定位置经诱导后可蒸发的液体冷却剂。

论文共同作者、华盛顿大学圣路易斯医学院的Matthew MacEwan博士说,“当你给神经降温时,穿过神经的信号会变得越来越慢---最终完全停止。我们特别针对外周神经,即将你的大脑和脊髓与你身体的其他部分连接起来的神经。外周神经传达感觉刺激,包括疼痛。通过向一个或两个目标神经提供冷却效果,我们可以有效地调控身体一个特定区域的疼痛信号。”

为了诱发这种冷却效果,该植入设备包含微小的微流体通道。第一个通道包含液体冷却剂(全氟戊烷),它已在临床上被批准作为超声造影剂和加压吸入剂。第二个通道包含干氮,即一种惰性气体。当液体和气体流入一个共享的腔室时,发生了导致液体迅速蒸发的反应。与此同时,一个微小的集成传感器监测神经的温度,以确保它不会变得太冷,不然这可能导致组织损伤。

Rogers说,“过度的冷却会损害神经和它周围的脆弱组织。因此,冷却的时间和温度必须得到精确控制。通过监测神经处的温度,可以自动调整流速,以设定一个以可逆的、安全的方式阻止疼痛的点。正在进行的研究工作旨在确定全套的时间和温度阈值,在这些阈值以下,该过程仍然是完全可逆的。”

精确的力量

虽然其他冷却疗法和神经阻断剂已经过实验测试,但所有这些疗法都有局限性,然而这种新的植入设备克服了这些局限性。此前,科学家们已经探索了冷冻疗法(cryotherapy),例如,用针头注射的冷冻疗法。这些不精确的方法不是针对特定的神经,而是冷却大面积的组织,有可能导致不必要的影响,如组织损伤和炎症。

在这项新的研究中,这种微型的植入设备在其最宽处只有5毫米宽。它的一端卷曲成一个袖套,从而可以轻轻地包裹着一条神经,绕过了缝合的需要。通过只精确地靶向受影响的神经,该植入设备使周围区域免于不必要的冷却,不然这可能导致副作用。

MacEwan说,“你不希望无意中冷却其他神经或与传递疼痛刺激的神经无关的组织。我们希望阻断疼痛信号,而不是控制运动功能并使你能够使用你的手的神经。”

科学家们之前还探索了使用电刺激来抑制疼痛刺激的神经阻滞剂。这种方法也有局限性。MacEwan说,“你不能在不激活神经的情况下用电刺激来关闭它。这可能会引起额外的疼痛或肌肉收缩,从患者的角度来看,这并不理想。”

消失的行为

这项新技术是Rogers实验室的第三个生物可吸收电子设备的例子,该实验室在2012年提出了瞬时电子设备的概念(Science, 2021, doi:10.1126/science.1226325)。2018年,Rogers、MacEwan及其同事们展示了世界上第一个生物可吸收电子设备---一种可生物降解的植入设备,可加速神经再生,发表在Nature Medicine期刊上(Nature Medicine, 2018, doi:10.1038/s41591-018-0196-2)。然后,在2021年,Rogers及其同事们推出了一种瞬时起搏器,发表在Nature Biotechnology期刊上(Nature Biotechnology, 2021, doi:10.1038/s41587-021-00948-x)。

这些设备的所有部件都具有生物相容性,并在几天或几周内自然吸收到身体的生物液体中,不需要通过手术取出。这些生物可吸收设备是完全无害的---类似于可吸收缝线。

在这项新的研究中,这种柔软、有弹性的神经冷却设备只有一张纸的厚度,是治疗高度敏感神经的理想选择。

Rogers说,“如果你考虑到软组织、脆弱的神经和不断运动的身体,任何接口设备必须有能力轻松自然地弯曲、折弯、扭曲和伸展。此外,你希望该设备在不再需要时能够简单地消失,以避免精细和危险的手术切除程序。”

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