《Nature Communications》：Implantable soft bladder-machine interface for neurogenic bladder dysfunction
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为应对神经源性下尿路功能障碍（NLUTD）所导致的膀胱感知和收缩功能丧失、以及膀胱各向同性扩张对植入式生物电子器件开发的挑战，研究人员开展了植入式软体膀胱-机器接口（BdMI）的研究。该研究研发了一种可承受高达800%各向同性拉伸的导电薄膜，并将其集成到BdMI中。在大鼠模型中验证表明，该接口可同时实现膀胱内压（IBP）检测、逼尿肌肌电（EMG）监测和电刺激治疗。植入7天后，BdMI显著降低了SCI大鼠的非自主膀胱收缩（NVC）频率。这项工作展示了BdMI为神经源性膀胱病理提供实时生理反馈和电刺激调节的潜力。
膀胱是我们身体里一个看似普通却至关重要的器官，它负责储存和排出尿液。然而，对于全球超过2亿的神经源性下尿路功能障碍（Neurogenic Lower Urinary Tract Dysfunction, NLUTD）患者，例如因脊髓损伤（Spinal Cord Injury, SCI）导致的患者，膀胱的“智能”控制系统失灵了。这会导致严重的临床症状，如膀胱感觉丧失、收缩无力或不协调，进而引发肾积水、肾衰竭等危及生命的并发症。传统上，医生难以对这些患者进行实时、精准的膀胱功能监测和干预。更棘手的是，膀胱在充盈时会像气球一样向各个方向均匀膨胀（即各向同性拉伸），这种极端的机械形变对任何试图长期植入其中的电子设备都构成了巨大挑战。以往的植入式传感器或刺激器，要么难以承受如此大的拉伸，要么功能单一，无法同时实现监测与治疗。因此，开发一种能像“第二层皮肤”一样贴合膀胱、随其伸缩、并能同时进行多模态监测与电刺激调控的接口，成为了一个迫切而关键的科研前沿。
为了攻克这一难题，一项发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上的研究报道了一种创新的植入式软体膀胱-机器接口（Bladder-machine Interface, BdMI）。研究人员成功制造出一种具有超高性能的可拉伸导电薄膜，它能承受高达800%的各向同性拉伸，并且不需要对弹性基底进行复杂的预拉伸处理。利用这种薄膜，他们构建了多功能的BdMI，并将其植入脊髓损伤（SCI）诱导的神经源性膀胱功能障碍大鼠模型中进行验证。结果显示，该设备能够无缝集成于膀胱表面，稳定工作超过7天，实时同步监测膀胱内压（Intravesical Pressure, IBP）、记录逼尿肌的肌电（Electromyographic, EMG）活动，并能施加电刺激进行治疗。最重要的是，为期一周的电刺激治疗显著降低了模型大鼠不自主膀胱收缩（Non-voiding Contraction, NVC）的频率，证明了其治疗干预能力。这项研究为神经源性膀胱疾病的闭环管理提供了新的工具，标志着该领域的一个重要进展。
为了开展这项研究，作者们运用了几个关键的技术方法。首先是核心材料的制备：他们采用热蒸发法，在选定的弹性聚合物基底（如Ecoflex 00-20）上沉积金薄膜，通过控制工艺参数，自发形成了一种具有周期性沟槽结构的纳米复合导电薄膜，这是实现超高各向同性拉伸性的基础。其次是器件集成与封装：他们将这种薄膜加工成具有特定图案的电极，并与应变传感模块、肌电记录/电刺激模块集成，通过软硬结合接口与外部记录和刺激系统连接，并用生物相容性材料进行封装。最后是动物模型的建立与验证：研究使用了雌性SD大鼠，建立了SCI诱导的神经源性膀胱过度活动症模型。通过手术将BdMI缝合固定于膀胱壁，并建立颅骨接口，在急性期和长期植入（最长28天）条件下，综合运用膀胱测压、电阻抗监测、肌电记录和程序化电刺激等技术，系统评估了BdMI的监测准确性、生物相容性和治疗有效性。
结果部分：
BdMI的设计与基本性能表征
研究人员设计了一种软体可植入的膀胱-机器接口，它能与宿主膀胱的收缩同步，同时保持功能完整性。该BdMI的核心是可实现各向同性形变的高性能可拉伸薄膜电极。通过热蒸发金在弹性基底上，形成了一种表面具有沟槽结构、内部为“纳米针”复合结构的导电薄膜。该薄膜实现了>800%的各向同性拉伸率和700%的单向拉伸率，并在200%应变下经过50,000次循环后仍保持稳定的电学性能。扫描电镜显示其独特的周期性沟槽形貌，在拉伸时能够展开，保证金膜的完整性。
优异性能的机制探究
研究深入探讨了薄膜具有如此卓越的各向同性拉伸性的内在机制。横截面观察显示薄膜具有周期性的起伏结构。研究表明，蒸发的金纳米团簇的局部热量与软聚合物链的迁移相结合，诱导了薄膜表面的局部对流效应，这驱动了独特的形貌形成。进一步的参数研究和模拟分析表明，这一现象可以用典型的图灵斑图形成过程来解释，金在基底相中的扩散与聚合物链的响应共同作用，最终形成了这种可扩展的沟槽结构。
BdMI在大鼠膀胱中的长期性能评估
在健康大鼠模型中进行的植入实验表明，BdMI具有良好的顺应性，在膀胱反复的等容膨胀过程中无撕裂、脱落或移位。设备成功实现了对膀胱内压和机械应变的同步长期监测。数据显示，在尿液储存期间应变传感器电阻逐渐增加，在排尿反射期间则出现急剧上升和恢复，反映了膀胱的收缩和排空过程。慢性植入（第10天）表现出比急性测试更长的收缩间隔和更低的膀胱内压，表明膀胱顺应性增强，且应变传感器具有良好生物相容性和时间稳定性。
电刺激诱导膀胱收缩与肌电信号记录
膀胱刺激实验显示，特定参数的经皮电刺激（如50 Hz， 500 μs脉冲宽度， 5 mA）能够成功诱导膀胱收缩，使膀胱内压从基线显著升高。同时，BdMI在植入当天（第0天）和植入后第28天，均能在膀胱内压峰值附近准确记录到膀胱逼尿肌的肌电信号，证明了其在较长植入期内监测多种生理信号的能力。
BdMI在神经源性膀胱模型中的诊断与治疗应用
在SCI大鼠模型（一种经典的神经源性膀胱过度活动模型）中，研究进一步评估了BdMI诊断和治疗膀胱过度活动的能力。通过同时监测应变传感器电阻变化和膀胱内压，研究人员发现两者信号峰具有一致性。他们定义了归一化电阻曲线的波幅（ΔR/R0）作为定量诊断参数。受试者工作特征曲线分析表明，该参数能有效区分有临床意义的收缩（包括排尿收缩和非排尿收缩）与非临床意义的收缩，曲线下面积达到0.8699。更重要的是，治疗性实验显示，SCI大鼠在植入BdMI并接受为期7天的每日电刺激治疗后，其非排尿收缩的频率显著低于未接受刺激的SCI大鼠，表明BdMI的电刺激能够在一定程度上缓解因SCI引起的膀胱过度活动，将NVC频率恢复至接近无SCI的水平。而刺激对膀胱内压的基线值、峰值、收缩间隔等参数无显著影响，证明了治疗的安全性。
研究结论与讨论
本研究成功开发了一种新型的薄膜植入式膀胱-机器接口，它具备各向同性形变监测和电刺激能力。其核心是一种通过热蒸发金在弹性聚合物基底上制备的高性能可拉伸薄膜电极，该电极能在各向同性应变下保持导电性，并展现出卓越的耐久性。在大鼠SCI诱导的膀胱功能障碍模型中，植入的BdMI成功实现了对膀胱内压的长期监测、逼尿肌肌电活动的检测，并提供了为期7天的电刺激治疗，且未观察到不良反应。治疗性电刺激显著降低了不自主膀胱收缩的频率，证实了该系统的治疗能力。
这项工作凸显了此类接口通过实时反馈和电刺激来管理神经源性膀胱病变的潜力。BdMI的开发为慢性膀胱疾病的个性化治疗策略铺平了道路。它为改善患者预后和生活质量提供了一个有希望的途径，值得进一步研究和临床转化。未来研究应关注该设备的长期效应，以及如何通过优化电刺激参数、探索作用机制、扩大电极阵列以产生协同收缩力等方式，进一步提升其性能和适用性。最终，研究者希望用形变传感完全替代膀胱压力监测用于疾病诊断和后续的电刺激干预，从而实现对膀胱功能障碍的诊断、监测和干预一体化，这将可能革新此类疾病的管理和治疗模式。
