西北大学:溶解植入式装置无需药物即可缓解疼痛

“虽然阿片类药物非常有效，但它们也非常容易上瘾，”西北大学的约翰·A·罗杰斯（John A. Rogers）说，他领导了该设备的开发。“作为工程师，我们的动机是在没有药物的情况下治疗疼痛 - 以可以立即打开和关闭的方式，用户控制缓解的强度。这里报道的技术利用了与那些导致手指在寒冷时感到麻木的机制有一些相似之处。我们的植入物允许以可编程的方式产生这种效应，直接和局部地针对目标神经，甚至是周围软组织深处的神经。

作为生物电子学的先驱，罗杰斯是麦考密克工程学院和西北大学范伯格医学院材料科学与工程，生物医学工程和神经外科的Louis Simpson和Kimberly Querrey教授。他还是Querrey Simpson生物电子学研究所的创始主任。乔纳森·里德（Jonathan Reeder）曾是罗杰斯实验室的博士后研究员，是该论文的第一作者。

它是如何运作的

虽然新设备听起来像科幻小说，但它利用了一个每个人都知道的简单，共同的概念：蒸发。类似于蒸发汗液如何冷却身体，该装置含有液体冷却剂，该液体冷却剂被诱导在感觉神经的特定位置蒸发。

“当你冷却神经时，通过神经传播的信号变得越来越慢 - 最终完全停止，”该研究合著者圣路易斯华盛顿大学医学院的Matthew MacEwan博士说。“我们专门针对周围神经，它将您的大脑和脊髓连接到身体的其他部位。这些是传达感觉刺激（包括疼痛）的神经。通过向一个或两个目标神经提供冷却效果，我们可以有效地调节身体一个特定区域的疼痛信号。

“作为工程师，我们的动机是在没有药物的情况下治疗疼痛 - 以可以立即打开和关闭的方式，用户控制缓解的强度。

为了诱导冷却效果，该装置包含微小的微流体通道。一个通道含有液体冷却剂（全氟戊烷），该液体冷却剂已被临床批准为超声造影剂和加压吸入器。第二个通道含有干氮气，一种惰性气体。当液体和气体流入共享的腔室时，会发生反应，导致液体迅速蒸发。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，这可能会导致组织损伤。

“过度冷却会损害神经及其周围的脆弱组织，”罗杰斯说。“因此，必须精确控制冷却的持续时间和温度。通过监测神经的温度，可以自动调节流速，以设定一个以可逆，安全的方式阻止疼痛的点。

在最宽处，这个微型装置只有5毫米宽。一端卷曲成袖带，轻轻地缠绕在单个神经上，绕过了缝合线的需要。

精密电源

虽然其他降温疗法和神经阻滞剂已经过实验测试，但都有新设备克服的局限性。例如，以前的研究人员已经探索了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，可能导致不必要的影响，如组织损伤和炎症。

在最宽处，西北大学的微型设备只有5毫米宽。一端卷曲成袖带，轻轻地缠绕在单个神经上，绕过了缝合线的需要。通过精确定位受影响的神经，该设备使周围区域免受不必要的冷却，这可能导致副作用。

“你不想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，”MacEwan说。“例如，我们希望阻断疼痛信号，而不是控制运动功能并使您能够使用手的神经。

以前的研究人员还探索了使用电刺激来沉默疼痛刺激的神经阻滞剂。这些也有局限性。

“你不能在没有先激活它的情况下用电刺激来关闭神经，”MacEwan说。“从患者的角度来看，这可能会导致额外的疼痛或肌肉收缩，这并不理想。

消失行为

这项新技术是罗杰斯实验室生物可吸收电子设备的第三个例子，该实验室于2012年引入了瞬态电子的概念，发表在《科学》杂志上。2018年，罗杰斯，麦克尤恩及其同事展示了世界上第一个可生物可吸收的电子设备 - 一种可生物降解的植入物，可加速神经再生，发表在Nature Medicine上。然后，在2021年，罗杰斯及其同事推出了一种瞬时起搏器，发表在Nature Biotechnology上。

这些设备的所有组件都具有生物相容性，并且在几天或几周内自然吸收到身体的生物流体中，而无需手术提取。生物可吸收装置是完全无害的 - 类似于可吸收的缝线。

在一张纸的厚度上，柔软，弹性的神经冷却装置是治疗高度敏感神经的理想选择。

“如果你考虑软组织，脆弱的神经和不断运动的身体，任何接口设备都必须具有容易和自然地弯曲，弯曲，扭曲和拉伸的能力，”罗杰斯说。“此外，您希望该设备在不再需要后简单地消失，以避免手术切除的微妙而危险的程序。

该研究发表在7月1日的《科学》杂志上。该论文描述了该设备的设计，并展示了其在动物模型中的功效。

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