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  近日，陜西科技大學(xué)生物質(zhì)與功能材料研究所王學(xué)川教授/劉新華副教授與四川大學(xué)郭俊凌教授聯(lián)合團隊報道了一種多功能明膠基柔性導(dǎo)電皮膚支架，該材料兼具自修復(fù)、促進組織愈合以及運動傳感性能等。相關(guān)研究成果發(fā)表于國際頂級期刊Biomaterials上。

圖1 多功能電子皮膚支架的構(gòu)建思路

  電刺激能夠顯著促進組織再生，將其應(yīng)用于傷口治療過程能有效促進傷口愈合。本文設(shè)計了一種具有一定機械強度、電活性和自修復(fù)性能的水凝膠支架（MESGel），可用于電刺激加速傷口愈合和運動傳感。MESGel具有優(yōu)異的生物相容性和多功能特性，包括柔韌性、自愈合性能、生物降解性和生物電活性。綜合生物實驗證明，MESGel電子皮膚支架能通過電刺激作用，積極促進倉鼠肺上皮細胞的增殖，從而誘導(dǎo)皮膚創(chuàng)傷愈合，為全層皮膚缺損模型提供了一種有效的治療策略。此外，MESGel還可作為一種新型柔性電子皮膚傳感器實時記錄傷口愈合過程的運動信號，有望實現(xiàn)傷口治療-實時監(jiān)測一體化。

圖2 MESGel電子皮膚支架的結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能表征

  自修復(fù)實驗證實，MESGel具有優(yōu)異的自修復(fù)性能，且主要原因是MESGel電子皮膚支架內(nèi)含有大量的氫鍵作用、靜電相互作用和π-π堆積作用（圖2 A）。從圖2 B可以看出，被切割后的MESGel可以在2分鐘內(nèi)自修復(fù)至60%，在10分鐘內(nèi)達到完全愈合。在交替應(yīng)變掃描試驗中（圖2 E），通過儲能模量（G''）和損耗模量（G″）的測定，考察了MESGel的流變性能。在0.1 rad/s到100 rad/s的頻率范圍內(nèi)，G''占主導(dǎo)地位。其中，MESGel的G''最高，表明其機械強度最高。用高應(yīng)變（200%）破壞水凝膠分子鏈的纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并用低應(yīng)變（10%）研究凝膠的自修復(fù)性能。在三個斷裂和恢復(fù)循環(huán)中，MESGel斷裂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)能夠快速恢復(fù)（圖2 E）。這種特性對支架應(yīng)對細胞增殖過程中組織應(yīng)力引起的微裂紋至關(guān)重要。同時，MESGel支架具有良好的力學(xué)性能，能夠承受高達425%的拉伸應(yīng)變和71%的壓縮應(yīng)變。

圖3 MESGel電子皮膚支架的傳感性能表征

  圖3 闡明了MESGel電子皮膚支架傳感器的構(gòu)建方法及性能。通過對人體關(guān)節(jié)運動的監(jiān)測，包括關(guān)節(jié)（圖3 B）、肘部（圖3 C）、手部（圖3 D）和手腕（圖3 E），結(jié)果表明MESGel電子皮膚支架傳感器的響應(yīng)時間（RT）僅為100 ms，具有較高靈敏度（圖3 C）。當(dāng)壓縮應(yīng)變從20%增加到80%時，相對電阻變化率（?R/R0）從14.8%增加至26.0%，GF為18.35（圖3 F）。當(dāng)拉伸應(yīng)變從120%增加到200%時，?R/R0從19.6%增加至33.7%，GF為18.6（圖3 G）。以上實驗結(jié)果表明，MESGel可以作為一種電子皮膚傳感器，用于運動損傷的實時監(jiān)測。

圖4 MESGel電子皮膚支架的生物相容性及促進細胞生長繁殖的性能

  為了驗證MESGel電子皮膚支架在電刺激作用下對細胞增殖的促進作用，在與倉鼠肺上皮細胞（CHL）的共培養(yǎng)實驗中，通過外加電源對MESGel電子皮膚支架進行電刺激。結(jié)果表明，CHL細胞在支架上生長均勻，電刺激5天之后，細胞死亡數(shù)量較少（圖4 F）。通過流式細胞儀檢測CHL細胞的細胞形態(tài)及增殖能力，實驗表明MESGel+電刺激組細胞的側(cè)向散射（SSC）值更高，即細胞內(nèi)的顆粒度更大。且前向散射（FSC）值也相似，因此細胞大小沒有差異（圖4 G）。較高的細胞增殖指數(shù)（CPI）意味著大多數(shù)細胞處于DNA復(fù)制期，進入G2期，并逐漸進入有絲分裂期（圖4 D）。也就是說，電刺激作用對CHL細胞增殖有顯著的正效應(yīng)。

圖5 SPF大鼠全層皮膚缺損模型及免疫分析

  采用SPF大鼠全層皮膚缺損模型對MESGel在電刺激作用下對傷口愈合影響進行評價（圖5 ）。結(jié)果表明，電刺激作用下電活性MESGel電子皮膚支架促進創(chuàng)面愈合作用更為明顯。進一步病理學(xué)結(jié)果表明，在MESGel+電刺激組治療的創(chuàng)面?zhèn)谇衅锌梢杂^察到豐富的新生毛囊和血管，較厚的新表皮層和較為完整的組織結(jié)構(gòu)，且PDGF和VEGF的表達更為顯著，表明電刺激作用下MESGel可加速成纖維細胞和角質(zhì)形成細胞增殖、肉芽組織形成和上皮化過程，從而促進傷口愈合。

  相關(guān)成果以“Skin-Inspired Gelatin-Based Flexible Bio-Electronic Hydrogel for Wound Healing Promotion and Motion Sensing”為題發(fā)表在Biomaterials（Biomaterials, 2021, 121026, DOI: 10.1016/j.biomaterials.2021.121026）上。陜西科技大學(xué)博士研究生鄭漫輝為本論文的第一作者，通訊作者為陜西科技大學(xué)王學(xué)川教授、劉新華副教授與四川大學(xué)郭俊凌教授。感謝國家自然科學(xué)基金（21808133，21804084）、咸陽市/溫州市科學(xué)技術(shù)項目（2018k02-28/2019Y1073）、國家“海外高層次人才”計劃、國家雙一流重點建設(shè)學(xué)科計劃、制革清潔技術(shù)國家工程中心（四川大學(xué)）對本工作的大力支持！

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2021.121026