超声波和微型机器人联手推进脑修复的干细胞治疗

一项新的研究揭示了一种通过将磁引导与局部超声刺激相结合来增强神经退行性疾病干细胞治疗的技术。这种方法成功地将磁性加载的干细胞导航到特定的大脑区域，并使用小型化的超声设备促进它们分化为神经元。

双重策略显著促进了神经突起的生长，这是神经发育的关键标志，并解决了干细胞治疗中的关键挑战，如低递送效率和低分化率。通过将精确的细胞定位与靶向刺激相结合，这一突破可能会改变帕金森氏症和阿尔茨海默氏症等疾病的治疗方法。

帕金森氏症和阿尔茨海默氏症等神经退行性疾病的特征是不可逆的神经元损伤和有限的自然修复机制。虽然干细胞疗法在再生神经组织方面有很大的前景，但长期以来一直受到细胞递送效率低和分化率低的阻碍。

目前的方法，包括手术植入或磁驱动，往往无法确保精确的细胞定位和可控的分化。超声刺激以其深层组织穿透和安全性而闻名，已成为一种潜在的解决方案，但传统的换能器缺乏必要的精度。基于磁性细胞的微型机器人（细胞机器人）提供靶向递送，但将其与分化技术相结合在很大程度上仍未得到探索。

因此，迫切需要开发用于精确细胞递送和局部分化的集成系统，这已成为推进神经再生疗法的重点。

发表在《微系统与纳米工程》上的一项研究由大邱庆北科学技术研究所（DGIST）的研究人员领导，介绍了一种突破性的神经干细胞治疗方法。该团队将磁性细胞机器人与压电微机械超声换能器（pMUT）阵列相结合，以实现靶向细胞递送和局部分化。

通过对磁引导细胞施加超声刺激，他们观察到神经突起长度显著增加了90%，这是神经元成熟的关键指标。这种混合技术有可能通过提高干细胞疗法的精度和疗效来改变神经退行性疾病的治疗方法。

该研究的核心创新在于两项尖端技术的无缝集成：用于精确干细胞递送的磁性细胞机器人和用于局部超声刺激的pMUT阵列。装载有超顺磁性氧化铁纳米颗粒（SPION）的细胞机器人使用电磁系统被引导到目标区域。

一旦定位，pMUT阵列就会发出聚焦的超声脉冲，显著增强神经突起的生长——在受刺激的细胞中为119.9µm，而在对照组中为63.2µm。pMUT的小型化设计——采用60µm元件——实现了高空间分辨率，确保刺激仅限于所需区域，而不会出现脱靶效应。

该研究的主要亮点包括pMUT令人印象深刻的声学性能，产生高达566 kPa的压力，以及通过严格的细胞存活率测试验证的生物相容性。pMUT通道的顺序激活最大限度地减少了重叠，优化了刺激效率。此外，细胞机器人表现出优异的磁响应性，在20mT旋转磁场下实现了36.9µm/s的速度，对细胞健康没有不利影响。

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这种双系统方法克服了干细胞治疗中长期存在的障碍，如分化不良和细胞放置不受控制，为在受损大脑中重建功能神经网络铺平了道路。

该研究的通讯作者Hongsoo Choi博士说：“我们的技术将磁致动的精度与超声波的非侵入性功率相结合，为神经再生创造了一个可扩展的平台。通过实现局部分化，我们现在可以设想干细胞不仅达到目标，而且根据需要成熟为功能神经元的疗法。”

该团队计划探索临床应用，包括使该系统适应人类患者的微创手术。

这项研究为治疗神经退行性疾病和神经损伤开辟了新的途径。精确递送和分化干细胞的能力可以显著改善帕金森氏症、阿尔茨海默氏症和中风恢复的结果，因为神经连接至关重要。

除了治疗，该技术还可以通过在实验室中创建精确的神经模型来帮助药物测试。未来的工作可以改进超声参数以实现最佳区分，并扩展该系统以供人类使用。

挑战依然存在，包括确保长期细胞存活和体内整合。然而，如果成功，这种方法可以减少对侵入性手术的依赖，并提供更安全、更有效的再生治疗，标志着生物工程和个性化医疗的重大飞跃。p