導電納米纖維膜材特性分析以及在肌電刺激治療中的應用

關鍵詞：認知障礙；多壁碳納米管；聚己內(nèi)酯；電流密度

中圖分類號：TQ340.79 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2024）12-0039-04

隨著醫(yī)學材料和技術的發(fā)展，常使用腦電仿生電刺激儀、經(jīng)皮穴位電刺激等電刺激方法治療認知障礙類疾病[1-2]。針對老年期患者的圍術期神經(jīng)認知障礙，探討了經(jīng)皮穴位電刺激復合全身麻醉治療方式的療效[3]；針對老年患者的輕度認知障礙，探討了低頻電刺激儀經(jīng)皮穴位電刺激的治療效果[4]；張麗娜等提出以康復沙龍聯(lián)合神經(jīng)肌肉電刺激儀的方法來治療[5]。本試驗以改性多壁碳納米管、聚己內(nèi)酯等為主要材料，制備一種導電納米纖維膜。并在合適的導電納米纖維膜材料層數(shù)條件下，制成肌電刺激材料，探究其性能和在認知障礙中的應用效果。

1試驗部分

1.1材料與設備

主要材料：聚己內(nèi)酯（AR，山東新動能化學）；多壁碳納米管（工業(yè)純，河南六工石墨）；濃硝酸（工業(yè)純，簡陽市鑫成化工）；六水合三氯化鐵（AR，濟南晟旺化工）；二氯甲烷（AR，無錫浩淼化工）；檸檬酸（工業(yè)純，蘇州聚佰億化工）。

主要設備：HZ02型靜電紡絲機（青島諾康環(huán)?？萍迹?；SUPRA55SAPPHIRE型場發(fā)射掃描電子顯微鏡（德國卡爾蔡司）；HBS-1096C型酶標分析儀（南京德鐵實驗設備）。

1.2試驗方法

1.2.1超順磁性四氧化三鐵納米粒的制備

以六水合三氯化鐵、七水合硫酸亞鐵等為原材料，通過化學沉淀法制備具有超順磁性的四氧化三鐵納米粒，步驟如下[6-8]：

（1）在一個容器中添加75mL去離子水，再分別加入六水合三氯化鐵4.1g、七水合硫酸亞鐵2.1g以及檸檬酸0.9g，并進行超聲處理；

（2）在氮氣環(huán)境下，通過鹽酸溶液將混合溶液的pH值調到3。再水浴加熱至恒溫30℃，并滴加質量分數(shù)為25%的濃氨水36mL，利用磁力攪拌器以800r/min的速度充分攪拌30min；

（3）將水浴溫度升高到80℃，讓各物質繼續(xù)反應1h，得到呈黑色的混懸液；

（4）將混懸液放置到恒溫4℃環(huán)境中冷卻，可得到黑色顆粒，再依次進行磁鐵吸附、去離子水洗滌處理，最后超聲破碎黑色顆粒，冷凍干燥，得具有超順磁性的四氧化三鐵納米粒。

1.2.2聚己內(nèi)酯納米纖維膜的制備

以聚己內(nèi)酯等原材料，通過靜電紡絲的方式制備聚己內(nèi)酯納米纖維膜，步驟如下[9-11]：

（1）用電子天平稱量一定量的聚己內(nèi)酯、二氯甲烷以及N，N-二甲基乙酰胺，并用磁力攪拌器將這些材料充分混合，得到聚己內(nèi)酯溶液；

（2）取適量的二氯甲烷以及N，N-二甲基乙酰胺，與一定量具有超順磁性的四氧化三鐵納米?；旌?，并超聲分散，得到四氧化三鐵納米粒溶液；

（3）將適量四氧化三鐵納米粒溶液添加到聚己內(nèi)酯溶液中，充分攪拌混合，作為紡絲溶液；

（4）通過靜電紡絲機，在室溫、22kV電壓、0.8mL/h溶液推速、15cm針板距離等條件下，將紡絲溶液制成聚己內(nèi)酯納米纖維膜。

1.2.3多壁碳納米管表面改性

通過硝酸氧化結合低溫等離子體的方式，對多壁碳納米管進行表面改性，步驟如下[12-14]：

（1）在同一個圓底燒瓶中依次添加0.1g多壁碳納米管和50mL硝酸溶液；

（2）在室溫條件下，對圓底燒瓶中材料進行5min超聲分散處理，再在油浴環(huán)境中加熱并攪拌均勻，使材料充分反應90min；

（3）反應完全結束后，使用適量無水乙醇對多壁碳納米管進行多次洗滌，再在恒溫60℃的真空環(huán)境中充分干燥24h，得經(jīng)過氧化處理的多壁碳納米管；

（4）通過200W低溫等離子體對經(jīng)過氧化處理的多壁碳納米管繼續(xù)處理，得改性多壁碳納米管。

1.2.4肌電刺激材料的制備

在聚己內(nèi)酯納米纖維膜上涂覆改性多壁碳納米管，制備一種導電納米纖維膜，并以此作為肌電刺激材料，步驟為[15-16]：

（1）使用適量無水乙醇，對改性多壁碳納米管進行超聲分散處理，并在處理1h后添加一定量的二氯甲烷，充分攪拌使材料混合均勻，得混合溶液；

（2）通過真空高壓噴涂，在0.6mL/s速度的條件下將混合溶液噴射涂覆到聚己內(nèi)酯納米纖維膜表面，再干燥，得肌電刺激材料。

1.3性能測試

1.3.1電流密度

利用斯坦福測試系統(tǒng)測試材料在外磁場環(huán)境中的電流大小，并通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡測試出的材料橫截面積，進而分析肌電刺激材料的電流密度。

1.3.2細胞毒性

以上皮細胞EC作為研究對象，在24孔板中將肌電刺激材料與上皮細胞EC共同培養(yǎng)。然后通過酶標分析儀，測試培養(yǎng)溶液在570nm處的吸光度值，分析細胞存活率，進而分析肌電刺激材料的細胞毒性。

2結果與分析

2.1不同材料層數(shù)的影響

根據(jù)法拉第電磁感應定律，磁場中導體材料電阻大小以及結構會直接影響到輸出電流密度。因此本試驗以不同的導電納米纖維膜材料層數(shù)制備肌電刺激材料，并測試各材料電流密度，具體如圖1所示。

由圖1可知，隨著導電納米纖維膜材料層數(shù)增加，肌電刺激材料電流密度呈先增大后減小趨勢。當導電納米纖維膜材料層數(shù)為1層時，肌電刺激材料電流密度較小，為32.37A/m²。當導電納米纖維膜材料層數(shù)為2層時，肌電刺激材料電流密度最大，為45.19A/m²。此后，當導電納米纖維膜材料層數(shù)繼續(xù)增加，電流密度開始減小。3層導電納米纖維膜材料層數(shù)的肌電刺激材料電流密度降低到28.42A/m²。特別是當導電納米纖維膜材料層數(shù)為4層時，肌電刺激材料電流密度最小，為20.76A/m²。這是因為，隨著材料層數(shù)的增加，肌電刺激材料電阻率在減小，因此輸出電流密度相對增大。由此可見，增加導電納米纖維膜材料層數(shù)，可以增大肌電刺激材料的輸出電流密度。

2.2材料細胞毒性分析

對肌電刺激材料進行細胞毒性測試，結果如圖2。在測試的肌電刺激材料中，導電納米纖維膜層數(shù)為2層。

由圖2可知，隨著肌電刺激材料與EC細胞共同培養(yǎng)時間增多，細胞存活率先增大后減小。當肌電刺激材料與EC細胞共同培養(yǎng)時間1～7d時，細胞存活率均不低于90%。根據(jù)測試結果，共同培養(yǎng)時間為1d時的細胞存活率為93.4%。而共同培養(yǎng)時間為3d時的細胞存活率最大，為108.6%。除此之外，共同培養(yǎng)時間為5、7d時的細胞存活率分別是104.2%、98.7%，存活率均較高。這說明，這種由導電納米纖維膜材料制成的肌電刺激材料沒有明顯的細胞毒性，細胞相容性良好。

2.3臨床應用分析

2.3.1應用對象

為考察肌電刺激材料在臨床認知障礙治療中的應用效果，選取2022年6月～2024年2月時間內(nèi)在我院進行腦卒中后認知障礙治療的患者92例。這些患者的納入標準為：（1）經(jīng)檢測被確診為腦卒中，患者需進行認知障礙治療；（2）首次發(fā)病且發(fā)病時間不超過半年，屬于恢復期內(nèi)；（3）年齡在40～70歲；（4）患者意識清晰，精神正常，知曉并同意參與此研究。排除標準為：（1）在此次研究前患者已有認知障礙史；（2）患者存在嚴重的心、肝、肺、腎功能疾病；（3）患者有嚴重感染類疾病或屬于過敏體質[18-20]。依據(jù)以上的納入、排除標準，將92例腦卒中后認知障礙患者隨機分為觀察組、對照組，每組46例。這2組患者在疾病類型、年齡、性別等一般資料方面比較均無差異（P＞0.05）。

2.3.2應用方法

依據(jù)相關認知障礙類治療指南，各組患者均接受相同的常規(guī)對癥治療。使用的電刺激儀器均為相同型號的腦電仿生電刺激儀，將電極片貼到患者的兩側耳背乳突位置，在一定電刺激頻率、強度等條件下進行電刺激治療。其中對照組患者使用普通1次性電極片，觀察組患者則采用本試驗中的肌電刺激材料作為電極片材料，該肌電刺激材料由2層負載改性多壁碳納米管的導電納米纖維膜組成。

2.3.3應用觀察

認知功能：在認知障礙治療4周后，使用簡易精神狀態(tài)量表（MMSE）以及蒙特利爾認知評估量表（MoCA），對患者的認知功能進行評價。

神經(jīng)功能缺損情況：在認知障礙治療4周后，使用美國國立衛(wèi)生研究院卒中量表評價患者的神經(jīng)功能缺損情況。

2.3.4應用效果指標

在電刺激治療4周后，各組患者的認知功能、神經(jīng)功能缺損情況比較結果見表1和表2。

由表1、表2可以看到，在電刺激治療4周后，觀察組的MMSE評分為（25.97±1.26）分、MoCA評分為（25.08±2.85）分，比對照組高。另外，在神經(jīng)功能缺損評分方面，觀察組均為（6.57±2.58）分，優(yōu)于對照組。這些結果說明，在電刺激治療腦卒中后認知障礙患者中，以肌電刺激材料作為電極片材料的臨床效果良好，可以改善患者的認知功能以及神經(jīng)功能缺損情況。

3結語

（1）隨著導電納米纖維膜材料層數(shù)增加，肌電刺激材料電流密度呈先增大后減小趨勢。當導電納米纖維膜材料層數(shù)為2層時，材料電流密度最大，為45.19A/m²；

（2）當肌電刺激材料中的導電納米纖維膜層數(shù)為2層時，材料與上皮細胞EC共同培養(yǎng)7d內(nèi)的細胞存活率均超過90%，材料基本無細胞毒性；

（3）以這種肌電刺激作為電極片進行電刺激認知障礙治療時，患者認知功能以及神經(jīng)功能缺損情況均得到改善，臨床效果良好，值得進一步深入研究。