中南大学团队开发自供电神经支架：无需外接电源，加速神经再生与抗菌双突破

周围神经损伤是一种常见的神经系统疾病，其致残率极高，全球有超过三分之一的人受到影响。目前，电刺激被认为是促进周围神经再生的有前途的策略，因为它可以通过调节离子通量和信号转导，增强神经再生相关蛋白的表达、细胞增殖和轴突生长。然而，现有的电刺激疗法依赖于外部电源和导线，设备庞大且电路复杂，不仅给患者带来不便，还增加了术后感染的风险。因此，开发一种非侵入性的电刺激策略对于加速神经修复至关重要。

中南大学联合江西理工大学等团队在《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》发表重要成果，首次利用激光增材制造技术开发出基于原电池原理的自供电抗菌神经支架（PLLA/Zn-Ag₂O），通过突破性结构设计与多功能协同，为神经修复领域带来革命性进展。

研究内容

图 1 PLLA/Zn-Ag₂O神经支架的设计与功能示意图

如图1揭示了原电池原理驱动自发电支架的三层仿生结构奥秘。研究人员采用激光增材制造技术，结合聚左旋乳酸（PLLA）、氧化银（Ag₂O）和锌（Zn）纳米颗粒，制备了一种具有自供能和抗菌双重效果的神经支架。具体来说，PLLA/Ag₂O作为正极，PLLA/Zn作为负极，PLLA/聚吡咯（PLLA/PPy）作为中间导电段。在模拟体液中，负极发生氧化反应失去电子并带正电，失去的电子通过中间导电段有方向地转移到正极，使正极富集电子并带负电，从而在两极之间产生电势差，形成电流。

图 2 PLLA/Zn-Ag₂O放电过程的示意图

图2动态展示了放电过程：当支架接触体液，正负电极通过导电层产生电势差，自发输出最高17.2 μA电流，持续3天以上，完全覆盖神经细胞生长所需电流范围（0.6–400 μA），实现“生物电池”般的持续电刺激。

图 3 PLLA及其复合材料的微观结构表征

通过图3的高分辨率显微图像可见：

PLLA/Zn：锌颗粒紧密锚定在PLLA微球表面，形成纳米级电荷传输界面，提升电子释放效率（图3c）；

PLLA/Ag₂O：氧化银纳米颗粒均匀分布，晶格间距（0.241 nm）与标准值吻合，证实其高结晶度（图3d-f）；

PLLA/PPy：聚吡咯以均匀包覆态存在，形成直径约70 μm的导电复合颗粒，保障电子传导连续性（图3b）。

此外，研究人员进一步利用X射线光电子能谱（XPS）证实，锌以金属态（Zn 2p₃/₂=1022.5 eV）、银以氧化态（Ag 3d₅/₂=368.2 eV）存在，确保原电池反应的高效进行。

图 4 PLLA/Zn-Ag₂O支架的物理性能与结构特性

图4力学测试显示，支架拉伸强度达10.94 MPa，压缩强度15 MPa，与天然神经组织力学性能高度匹配（图4f-h），且在1.82% 应变下仍保持结构稳定，适合承受体内动态载荷。

此外，通过实验得知支架14天降解率为8.45%，优于纯PLLA材料，既满足早期修复对结构支撑的需求，又避免长期滞留体内的风险。其多孔结构（孔隙率56%）形成微米级通道网络，为神经干细胞黏附、轴突延伸提供三维微环境，促进营养物质与信号分子的高效交换。

荧光染色结果显示，Nestin阳性细胞荧光强度较对照组提升47倍，表明神经干细胞向神经元的早期分化显著增强。MAP2表达中mRNA水平上调24倍，也印证了成熟神经元的大量生成。钙离子成像显示，支架诱导的Ca²⁺内流增加14倍，揭示电刺激通过激活电压门控离子通道，启动神经再生的级联信号通路。

图 5 PLLA/Zn-Ag₂O支架的抗菌性能评估

经抗菌实验发现，支架对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率分别达92.6%和91.9%，Zn²⁺和Ag⁺通过破坏细菌膜完整性、抑制代谢酶活性，形成双重抗菌屏障，显著降低术后感染风险。

这项研究首次将原电池原理与生物3D打印结合，突破了传统无线刺激技术依赖外部能量的局限。实验显示，支架在12分钟内保持15.7–17.2 μA稳定电流输出，且离子释放量（Zn²⁺/Ag⁺<250 μg/L）处于安全阈值，兼具高效性与生物相容性。

相较于光/超声刺激的穿透深度限制，该支架通过体内自发产电，可直接作用于深部神经组织，为臂丛神经损伤、坐骨神经修复等临床难题提供新路径。未来通过优化电极配比与打印参数，有望进一步提升电输出稳定性，推动其从实验室走向临床应用，开启“无线化、智能化”神经修复的新时代。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2025.114521