IF 16.8！用压电纳米材料修复兔前交叉韧带损伤后的脑激活：fMRI 研究

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    前交叉韧带（ACL）在维持膝关节稳定性和传递本体感觉信号中起关键作用。ACL损伤会导致本体感觉信号传入改变，进而影响中枢神经系统，引发脑功能可塑性变化。传统ACL重建手术需考虑移植物选择，可能造成额外损伤，且难以恢复本体感觉缺陷。本研究采用新型压电纳米材料结合保留残端修复术，可能促进本体感觉功能恢复。通过建立新西兰白兔ACL损伤模型并采用两种缝合方式修复，对比健康兔的脑区激活模式、功能连接及生物力学特性。结果显示，压电纳米材料增强大脑皮层与皮层下核团间的本体感觉信号传递，调控本体感觉神经环路，在恢复力学性能的基础上促进本体感觉缺陷的修复。该技术有望进一步应用于临床ACL修复。

创新点

1. 首次将压电纳米材料引入ACL修复领域，利用其机械-电信号转换特性重建损伤韧带的“力学-神经”双向传导功能。

2. 提出“残端保留+压电材料”复合修复策略，突破传统手术仅恢复力学结构而忽视神经信号传导的局限性。

3. 建立ACL损伤与中枢神经重塑的跨尺度研究模型，揭示外周机械信号改变引发脑功能可塑性变化的动态关联机制。

对科研工作的启发

1. 压电材料的生物电调控特性为神经界面工程提供新工具，可延伸至周围神经损伤修复或人工假体感觉反馈系统开发。

2. 生物力学信号与神经可塑性的耦合机制研究提示，组织工程器械需兼顾力学支撑与生物电信号传导的双重功能设计。

3. 基于动物模型的多模态评价体系（生物力学-脑功能成像联合分析）为运动系统损伤研究提供标准化研究范式。

思路延伸

1. 可探索压电材料表面拓扑结构优化（如纳米线阵列排布）以增强细胞定向迁移和电信号转导效率。

2. 结合干细胞疗法（如间充质干细胞负载）构建“结构-电信号-生物活性”三位一体的智能修复支架。

3. 开发可降解压电材料系统，在术后不同阶段动态调控电信号输出强度以匹配神经再生进程。

生物医学领域的应用

1. 为ACL损伤患者提供既能恢复关节稳定性又可重建本体感觉功能的革新性手术方案。

2. 压电材料介导的神经信号调控技术可应用于脊髓损伤后的感觉功能重建或人工耳蜗/视网膜的仿生信号传导。

3. 中枢神经功能连接图谱分析工具可转化为评估运动系统康复疗效的客观生物标志物。

Brain activation after repairing the anterior cruciate ligament injury in rabbits with piezoelectric nanomaterial: A fMRI study

Nano Energy ( IF 16.8 )

Pub Date : 2025-03-04

DOI: 10.1016/j.nanoen.2025.110845

Rong Su , Yipei He , Yan Qi , Lei Fang , Xiang Zhao , Ziyu Meng , Xinhao Xiang , Wanyun Huang , Siqi Peng , Genting Wang , Wenwen Yu , Yinan Shi , Chengyi Hou , Ran Tao , Dongliang Shi , Wenxin Niur