PNAS:新型设备打开血脑屏障,助力脑部疾病治疗
生物探索 · 2020/01/06
康涅狄格大学的工程师们设计了一种无毒、可生物降解的设备,可以帮助药物从血管进入脑组织——这条路径传统上被人体防御机制阻断。该研究结果发表在《PNAS》上。


Thanh Nguyen教授与研究生一起展示了他们开发的材料样本 图源:Thanh Nguyen

康涅狄格大学的工程师们设计了一种无毒、可生物降解的设备,可以帮助药物从血管进入脑组织——这条路径传统上被人体防御机制阻断。该研究结果发表在《PNAS》上。


https://doi.org/10.1073/pnas.1910343117

大脑中的血管由紧密连接在一起的细胞排列而成,形成了所谓的血脑屏障,将细菌和毒素与大脑隔离开来,但这种血脑屏障也会阻碍治疗癌症等脑部疾病的药物。打开这一屏障的安全有效途径是超声波,聚焦在正确位置的超声波可以使血管内壁的细胞振动,足以在血脑屏障中打开短暂的裂纹从而使药物通过。但是,当前的超声技术要做到这一点,需要将多个超声源排列在一个人的头骨周围,然后使用MRI来引导操作超声的人将超声波聚焦在正确的位置,这种方法笨重、困难,而且每次都要服药很昂贵。另一种方式是植入设备,在大脑中局部应用超声,它更加精确和可重复,但是大多数超声换能器包含有毒物质,例如铅,而且使用后必须将其去除,这需要手术因此可能会伤害大脑组织。

Nguyen教授的实验室专门研究压电生物材料。压电将物理应变(如弯曲或压缩)转化为电能,反之亦然,是使用电流产生振动的传感器的理想材料。研究人员提出了如何将可生物降解的聚合物聚L-乳酸(PLLA)纺成宽度仅为200纳米、长度为数十至数百微米的微小纳米纤维的方法。当在此纺丝过程中施加高电压时,纤维就会拉伸并对齐,对齐后可以将它们编织成网格。而且,纤维的排列增强了它们的压电响应,从而使纳米纤维PLLA所消耗的电能比常规的聚合物薄膜所产生的电能少得多。这些高度压电的纳米纤维使研究人员能够制造出可生物降解的敏感传感器,该传感器可无线测量器官内压力,还可以充当超声换能器


具有可控性和出色的压电性能的PLLA纳米纤维,用于可生物降解的植入式压电设备

PLLA通常用于溶解外科缝合线,是一种非常安全的生物相容性材料。因此,当研究人员将PLLA换能器植入小鼠体内时,发现该传感器是安全生物降解的。最重要的是,该设备可以生成控制良好的超声波,局部打开血脑屏障,从而帮助注入血液的药物进入大脑组织。该超声设备甚至可以充当扬声器以产生可听见的声音或播放音乐。


体内实验证明了PLLA纳米纤维换能器在打开血脑屏障和药物递送中的应用

这是第一个由普通且安全的医疗材料制成的可生物降解的换能器,研究小组还需要研究如何优化强度,以在血脑屏障中形成良好的裂缝,其宽度足以使大分子药物通过,而又不会损害血管或大脑。而且,要想让这种设备被批准用于人类,还需要在比老鼠大的动物身上进行更长的时间测试。

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