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摩擦纳米发电机用于自驱动电刺激成骨研究获进

  作为国家在科学技术方面的最高学术机构和全国自然科学与高新技术的综合研究与发展中心,建院以来,中国科学院时刻牢记使命,与科学共进,与祖国同行,以国家富强、人民幸福为己任,人才辈出,硕果累累,为我国科技进步、经济社会发展和国家安全做出了不可替代的重要贡献。/ 更多简介 +

  中国科学技术大学(简称“中科大”)于1958年由中国科学院创建于北京,1970年学校迁至安徽省合肥市。中科大坚持“全院办校、所系结合”的办学方针,是一所以前沿科学和高新技术为主、兼有特色管理与人文学科的研究型大学。

  中国科学院大学(简称“国科大”)始建于1978年,其前身为中国科学院研究生院,2012年更名为中国科学院大学。国科大实行“科教融合”的办学体制,与中国科学院直属研究机构在管理体制、师资队伍、培养体系、科研工作等方面共有、共治、共享、共赢,是一所以研究生教育为主的独具特色的研究型大学。

  上海科技大学(简称“上科大”),由上海市人民政府与中国科学院共同举办、共同建设,2013年经教育部正式批准。上科大秉持“服务国家发展战略,培养创新创业人才”的办学方针,实现科技与教育、科教与产业、科教与创业的融合,是一所小规模、高水平、国际化的研究型、创新型大学。

  骨质疏松与骨质疏松性相关骨折这种世界性疾病严重威胁着人类的健康,据统计,仅美国患有骨质疏松的就有1680万人,每年造成170亿美元的经济损失,且这类患者患上骨质疏松性骨折的概率为45%。因此骨质疏松不仅降低了患者的生活质量,造成严重的经济负担,也使骨折患者的死亡率翻倍。骨质疏松是一种以低骨量和骨组织恶化为特征的代谢性疾病,骨量和骨强度依赖于破骨细胞的骨吸收和成骨细胞的骨形成之间平衡,而一旦超过40岁或经历创伤、微风扇电机肿瘤等疾病后,骨吸收会超过骨形成速率,就会造成局部或系统性骨流失。所以调节骨吸收和骨形成的平衡,促进骨形成的速率是治疗或缓解骨质疏松的有效途径。

  虽然在1812年就尝试用电刺激治疗骨不连并取得一定的进展,但是直到1953年报道了骨的压电特性后人们才开始重视骨和电的关系,之后电刺激作为加速新骨形成的有效途径才得以发展。然而由于电刺激需要外加电源的供给,导致其治疗的便携性和实时性受到严重限制。2012年摩擦纳米发电机(TENG)这种微小能源收集器件的问世为电刺激的可穿戴和可移动化带来了新的生机。TENG能够将生物体的微纳能源如心脏跳动、脉搏、走路等机械能转化为电能,那么,如果利用TENG将人体活动的机械能转化为电脉冲,刺激成骨细胞并提高活性,将有可能实现可穿戴、自驱动的电刺激骨形成和骨再生的治疗新模式。

  中国科学院北京纳米能源与系统研究所李舟课题组一直聚焦于TENG在生物医学领域的应用,2014年首次利用大鼠呼吸产生的电能驱动心脏起搏器(DOI: 10.1002/adma.201402064),2016年成功将心跳产生的机械能转化为电能,实现了自驱动的心率远程实时监控(DOI: 10.1021/acsnano.6b02693)。因此,基于上述设想与研究基础,李舟研究团队、中国医学科学院北京协和医院博士田静静与北京积水潭医院石锐研究团队三方合作,基于TENG的基本原理设计了一种自驱动电刺激器件,并采用前成骨细胞MC3T3-E1进行体外电刺激实验,通过体外实验证明所构建的自驱动电刺激器件能够促进成骨细胞的粘附、增殖和分化等过程,经过3小时的电刺激,细胞粘附率比对照组增加了72.76%,电刺激3天后,细胞增殖率提高了23.82%。另外,为了证明所设计的TENG能够成功收集生物体的微纳能源,研究人员将构建的柔性TENG植入老鼠的股骨表面,发现在老鼠腿部运动时能够成功驱动TENG输出电学信号,证明了该自驱动电刺激器件进行原位刺激的潜力,也为临床治疗骨折和骨移植后的骨重塑提供了新的研究方向。

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  相关成果以Self-powered implantable electrical stimulator for osteoblasts’ proliferation and differentiation 为题发表于国际学术期刊《纳米能源》(Nano Energy,DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.02.073)。该项工作得到科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市拔尖人才、北京市自然科学基金以及国家万人计划“青年拔尖”人才的经费支持。

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