近日，北京航空航天大学生物与医学工程学院、医学科学与工程学院、生物力学与力生物学教育部重点实验室、北京生物医学工程高精尖创新中心樊瑜波教授/牛旭锋教授团队与东直门医院李晋玉教授团队在期刊《The Innovation》上发表了题为“A bio-feedback-mimicking electrode combining real-time monitoring and drug delivery”的研究论文（https://doi.org/10.1016/j.xinn.2024.100705）。樊瑜波教授、牛旭锋教授和李晋玉教授为该论文共同通讯作者，北航生物与医学工程学院博士研究生刘帅印为该论文第一作者，北京航空航天大学为第一完成单位。
导 读
传统的诊断与治疗分离的诊疗方式极大地增加了患者就诊时间。无数心脑血管疾病患者由于检查确诊环节耗时过长，导致延误治疗而由轻症发展为重症。在此，作者通过仿生人体反馈调节机制，设计并制作出能够集电生理信号监测和药物递送于一体的可植入电极系统。该系统能够模拟机体生物反馈调节机制，实现“诊断-治疗-诊断”的功能以高效治疗疾病。
生物反馈调节机制是人体天然的诊疗一体系统。人体可以通过“下丘脑-垂体-腺体轴”“下丘脑-垂体-性腺轴”和“胰岛素-血糖调节轴”等反馈调节轴实现对内环境稳态的调节。本文中，作者利用金属镁阀门和载药导电海绵材料构建了一种能够实现电生理信号采集和药物递送功能的电极系统，并基于多通道设计实现对反馈调节系统“诊断-治疗-诊断”功能的仿生。该系统主体由可降解材料组成，在完成诊疗功能后能够降解并被吸收（图1）。此外，相较于现有的诊疗装置，该系统通过功能整合减少了诊断和治疗时对多个电极位点的需求。
图1 受反馈调节机制启发的诊疗一体电极系统
基于聚（3,4-亚乙二氧基噻吩）（PEDOT）导电水凝胶构建的PEDOT海绵具有良好的力学和电学性能，适用于药物控释和信号监测。经过一体封装后的电极位点能够在电刺激下触发金属镁阀门打开，实现对多通道电极系统药物释放行为的控制（图2）。
图2 PEDOT海绵的性能、金属镁阀门打开和药物递送机制
搭载紫杉醇和内皮细胞生长因子的电极系统与海拉细胞和内皮细胞共同培养。通过细胞荧光观察和细胞活性统计可以观察到，该系统可以实现药物的搭载和释放，并对细胞活性进行调控（图3）。
图3 单通道电极递送药物调控细胞活性
经过完全暴露电极位点处理后的多通道电极被直接放置在大鼠肌肉和心脏表面。实验结果显示该系统能够在大鼠胸部肌肉表面获取稳定一致且波形正常的心电信号。然而，电极位点与封装材料黏附性的缺乏在一定程度上限制了该系统在快速活动组织表面的应用（图4）。
图4 多通道电极用于信号采集
双通道电极在癫痫模型小鼠中表现出诊疗一体的能力，能够实现对小鼠脑电的监测和对癫痫发作的短效抑制（图5）。结果提示，该系统在临床医疗中能够为患者争取更多的治疗时间。
图5 诊疗一体功能验证
PEDOT海绵和可降解诊疗一体系统均具备良好的细胞相容性。组织相容性实验结果显示，在材料植入4周后，没有表现出显著的炎症反应和纤维化（图6）。
图6 诊疗一体系统的生物相容性评价
总结与展望
综上所述，该研究提出了一种能够仿生反馈调节策略，将电生理信号采集和药物递送整合在一起的诊疗一体电极系统。通过结构设计和新材料引入，构建了能够兼顾信号采集和药物释放的电极结构，开发出可以实现多次诊疗的电极网络系统。该系统有望成为远程医疗工具，为突发疾病的管理提供新的方案和解决思路。未来，将该系统与无线供电和智能芯片集成，有望使其在无外部干预条件下进行独立闭环运行，从而实现真正的反馈调节。
该研究工作得到了国家自然科学基金（12272032, 82222076, 82074463, 12332019），北京市自然科学基金（L234020），111计划（B13003）的资助。转载 |TheInnovation创新
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