单向动态刚度调制实现可轻松插入且可贴合附着的脊柱生物电子装置

让脊柱植入物更温和、更易放置

脊髓刺激器可以缓解慢性疼痛并帮助恢复运动或控制血压，但现有设备往往体积庞大且较为刚硬。它们在滑入脊髓周围狭窄空间时可能困难重重，且随着时间推移可能刺激软组织。这项研究提出了一种新型脊柱植入物——在插入时短暂表现为像外科器械般的刚性，定位到位后又转变为柔软、贴合体表的电子器件——旨在使治疗更安全、寿命更长并更广泛适用。

现有脊柱电子设备的问题

现代“电药”通过向神经系统发送小电脉冲来治疗疼痛、瘫痪以及血压或器官功能障碍。商业化的脊髓刺激器使用较厚且刚性的导线，以便外科医生在推动它们穿过紧密的硬膜外间隙时不会发生弯曲。但这些刚性装置的柔软度与脊髓不匹配，会导致组织损伤、植入物移位和器械故障。新的研究原型则走向相反方向，采用超薄、可弯曲的薄膜，更贴合脊髓。然而，这类材料在手术中往往过于松软：可能在操作时起皱、需要额外切口和牵引线来辅助放置，并且其金属布线随着时间容易开裂。

会变形的脊髓接口

作者设计了一种“基于可变顺应结构的神经接口”（VCS-NI），将两者的优点结合在一起。该装置以与脊髓软硬度相匹配的柔性硅胶为基底，并使用液态金属作为电导体，取代易碎的金属薄膜。在其上覆盖一层临时的、可溶于水且刚性更高的塑料层。体外时，这层牺牲性的覆盖物使条带足够坚挺，可像现有商业导线一样顺利推入脊髓旁的狭窄空间。一旦植入脊柱的潮湿环境中，该刚性层在数分钟内溶解，留下仅有的薄而高度柔性的条带，自然贴合脊髓的弯曲与运动。

该装置如何保护脊髓并保持稳定

通过计算机模拟和实验，研究团队表明，与由更硬塑料制成的典型薄膜植入物相比，VCS-NI在插入和运动过程中对脊柱组织的压迫更小。刚性层溶解后，装置随脊髓易于弯曲，减少了可能导致损伤或使植入物移位的应力集中。液态金属导体封装在硅胶内，仅通过铂垫片接触，即使在被拉伸或弯曲数千次后其电阻也几乎保持不变。在用于模拟体内数月的加速老化试验中，传统的金属薄膜迅速退化，而液态金属设计则保持低阻抗和高的安全注入电荷能力。细胞培养实验和为期五周的动物研究显示细胞存活率高、植入物周围炎症较少，且在人为加剧风险的条件下主要器官未见毒性迹象。

从大鼠到实际功能

为了证明VCS-NI不仅在机械上巧妙而且具备医疗用途，研究人员将其植入大鼠的脊髓。通过刺激特定区域，他们能够以可控方式降低血压，展示了微调自主神经功能（如心血管控制）的潜力。在另一种配置中，同类型接口记录了当大鼠的爪子被触碰或捏时来自脊髓表面的感觉相关信号。信号主要出现在与相关感觉通路对齐的通道中，表明该装置既能刺激也能以空间精度读取脊髓活动——这是将来可在实时调整刺激的闭环疗法中所需的关键能力。

这对未来疗法的重要性

这项工作表明，脊髓植入物可以在外科医生需要引导时保持刚性，在脊髓需要保护时变得柔软。通过将可溶支撑层与基于液态金属的耐用导体配对，并采用低成本制造工艺，VCS-NI在一项设计中解决了实际手术操作、长期可靠性和生物安全性问题。尽管该研究在大鼠身上进行，但相同策略可望帮助制造对身体运动和柔软性更友好的、更有效的脊髓刺激器和其他体表电子器件，从而可能将神经调制疗法扩展到更多患者并减少并发症。

引用: Hong, S., Pak, S., Cho, M. et al. Unidirectional dynamic stiffness modulation enables easily insertable and conformally attachable spinal bioelectronic device. npj Flex Electron 10, 57 (2026). https://doi.org/10.1038/s41528-026-00557-1

关键词: 脊髓刺激, 柔性生物电子, 液态金属导体, 神经调制, 可植入神经接口