神经损伤会导致其支配的肌肉组织萎缩和变性，从而引起相关运动功能的缺陷。组织工程支架治疗神经损伤是学界前沿的治疗策略，取得了较好的进展。基于组织工程支架治疗的过程中，运动功能恢复状态的监测对于评估治疗效果和调整治疗方案至关重要。目前，评估神经损伤后运动功能的主要方法是测量肌电信号，这种测量方式通常需要连接肌电电极和记录装置，导致患者使用十分不便。因此，开发一种可以伴随神经修复全过程的长期、便捷的运动功能实时评估传感体系对于神经修复治疗具有重要的辅助意义。
为解决上述问题，近期，中国科学院北京纳米能源与系统研究所李舟教授团队开发了一种具有良好生物降解性和生物相容性的植入式左旋聚乳酸（PLLA）/钛酸钡（BTO）压电传感器（PBPS），用于实时评估神经损伤后的运动功能恢复。这一传感器由全可降解的材料制备而成，可以在外周神经修复的治疗性的组织工程支架植入的同时植入，并且可以随着治疗过程逐渐降解，避免二次手术取出的风险。另外，PBPS与信号无线传输模块的集成可以打破传感时间和空间的限制，实现大鼠运动功能的实时便携式评估。
图1 PBPS的结构示意图和工作流程图
具体而言，研究人员设计了一种植入式PBPS运动传感器，圆弧花瓣形状设计使其与组织有良好的适形性，在感受力学作用时更加灵敏。通过将BTO纳米颗粒掺杂到PLLA纳米纤维中，增加了材料在多方向的压电效应，实现了材料整体的压电性能提升。PBPS的最大输出电压（Vmax）可以达到1.8 V，最大输出电流（Imax）约为30 nA，呈现出良好的力-电响应关系，线性度达到0.9445。此外，研究人员构建PBPS的所有核心单元（PLLA/BTO膜、聚己内酯（PCL）膜和钼（Mo）电极）都是生物可降解材料，且具有良好的细胞、血液和组织相容性。在大鼠坐骨神经损伤模型中，随着修复过程的进展，PBPS传感器的输出信号逐渐增加，与传统的肌电图测试信号具有相似的响应型，表明PBPS具备评估神经损伤后运动功能恢复情况的能力。利用短时傅立叶变换对测试信号的一部分进行时频分析的结果表明EMG信号和PBPS信号在时频响应上表现出良好的一致性，这进一步证明了基于PBPS的传感系统可以在神经损伤后的运动功能恢复评估中发挥类似于肌电评估的作用。最后，通过将PBPS与无线传输模块和移动终端相结合，可以将大鼠运动过程中通过PBPS产生的电信号无线传输到移动终端，实现对坐骨神经损伤后大鼠模型运动功能实时监测与评估。
图2 体内运动状态传感评估
中国科学院北京纳米能源与系统研究所李舟教授、北京航空航天大学刘卓副教授以及国家纳米科学中心胥玲玲博士为该论文的共同通讯作者。中国科学院北京纳米能源与系统研究所博士生单义珠为该论文的第一作者。相关工作以“A biodegradable piezoelectric sensor for real-time evaluation of the motor function recovery after nerve injury”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。论文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202400295
延伸阅读：
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》
