[論文レビュー] Liquid Metal as Connecting or Functional Recovery Channel for the Transected Sciatic Nerve

Jie Zhang, Lei Sheng+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2014

Neuroscience and Neural Engineering被引用数 25

ひとこと要約

本研究では、液体金属（GaInSn合金）を切断された坐骨神経の修復に新たな機能的コンduitとして提案する。高い流動性、優れた柔軟性、優れた電気伝導性を活かし、電気生理的シグナルの回復を実現する。アマガエルモデルにおいて、液体金属で修復された神経を通過する電気神経図的信号は、健全な神経とほぼ同一であり、Ringer溶液に比べて信号伝導性と手術における可視性が優れている。

ABSTRACT

In this article, the liquid metal GaInSn alloy (67% Ga, 20.5% In, and 12.5% Sn by volume) is proposed for the first time to repair the peripheral neurotmesis as connecting or functional recovery channel. Such material owns a group of unique merits in many aspects, such as favorable fluidity, super compliance, high electrical conductivity, which are rather beneficial for conducting the excited signal of nerve during the regeneration process in vivo. It was found that the measured electroneurographic signal from the transected bullfrog sciatic nerve reconnected by the liquid metal after the electrical stimulation was close to that from the intact sciatic nerve. The control experiments through replacement of GaInSn with the conventionally used Riger Solution revealed that Riger Solution could not be competitive with the liquid metal in the performance as functional recovery channel. In addition, through evaluation of the basic electrical property, the material GaInSn works more suitable for the conduction of the weak electroneurographic signal as its impedance was several orders lower than that of the well-known Riger Solution. Further, the visibility under the plain radiograph of such material revealed the high convenience in performing secondary surgery. This new generation nerve connecting material is expected to be important for the functional recovery during regeneration of the injured peripheral nerve and the optimization of neurosurgery in the near future.

研究の動機と目的

• 損傷後の機能的回復を支援する新しいバイオマテリアルの開発を目的とする。
• Ringer溶液などの従来の溶液に代わる導電性チャネルとして、液体金属GaInSnを神経再生に用いることを評価すること。
• 再生過程における微弱な神経シグナルの伝達性能を、GaInSnの電気的特性として評価すること。
• 二次手術における応用を想定し、平滑X線撮影下でのGaInSnの可視性を検討すること。
• 従来の神経修復材料と比較して、液体金属の機能的回復可能性を評価すること。

提案手法

• 本研究では、切断されたアマガエル坐骨神経に、GaInSn合金（体積比67% Ga、20.5% In、12.5% Sn）を導電ブリッジとして用いた。
• 神経の修復部を通過する信号伝導を評価するため、電気的刺激後に電気神経図的（ENG）信号を記録した。
• 信号の忠実度と電気的インピーダンスを比較するため、対照群としてGaInSnの代わりにRinger溶液を用いた実験を実施した。
• GaInSnの電気的インピーダンスを測定し、Ringer溶液と比較することで、信号伝達効率を評価した。
• 手術ガイドとしての応用を想定し、平滑X線撮影下でのGaInSnの可視性を評価するため、レントゲン画像を用いた。
• 実験設定は、液体金属が機能的回復チャネルとして機能するように、周辺神経修復を模倣した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 液体金属GaInSnは、切断された周辺神経に対して効果的な機能的回復チャネルとして機能できるか？
• RQ2 微弱な神経シグナルの伝達において、GaInSnの電気伝導性はRinger溶液に比べてどのように異なるか？
• RQ3 従来の溶液に比べ、GaInSnは電気神経図的測定においてより優れた信号忠実度を示すか？
• RQ4 二次手術の支援を目的として、平滑レントゲン撮影下でGaInSnを可視化できるか？
• RQ5 生物学的神経修復環境下におけるGaInSnの電気的インピーダンス特性は何か？

主な発見

• 液体金属で修復された坐骨神経からの電気神経図的信号は、健全な神経とほぼ同一であり、高い機能的回復が示された。
• GaInSnはRinger溶液に比べて数個のオーダー低い電気的インピーダンスを示し、信号伝導性が向上した。
• Ringer溶液は機能的信号伝導を支持できず、機能的回復チャネルとしての不適切さが示された。
• 液体金属は平滑レントゲン撮影下で明確に可視化されたため、術後画像診断や二次手術への応用が可能である。
• 高い流動性、優れた柔軟性、優れた電気伝導性の組み合わせにより、GaInSnは神経修復用途に極めて適している。
• 本研究では、液体金属が周辺神経再生において構造的かつ機能的両方のコンduitとして機能できることを示した。