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東南大學(xué)葛麗芹教授/劉玲教授《Small》:運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的層層自組裝“修理器”用于自供電刺激內(nèi)源性傷口愈合及生理環(huán)境響應(yīng)性抗炎
2021-12-19  來(lái)源:高分子科技

  眾所周知,傷后皮膚完整性、內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定和保護(hù)功能的恢復(fù)對(duì)人類(lèi)的生命健康至關(guān)重要。并且對(duì)于慢性或非愈合性傷口,由于損傷部位的氧化應(yīng)激過(guò)多嚴(yán)重阻礙了愈合,需要長(zhǎng)期的治療和護(hù)理。傷口處活性氧(Reactie oxygen species,ROS)的大量積聚會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的炎癥反應(yīng),降低內(nèi)源性干細(xì)胞和巨噬細(xì)胞對(duì)皮膚組織再生能力,抑制傷口的修復(fù)。此外,ROS會(huì)抑制新生血管的形成,導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞的功能障礙。因此,皮膚損傷和傷口感染產(chǎn)生的活性氧過(guò)多而未被及時(shí)清除,會(huì)阻礙傷口愈合的進(jìn)程。無(wú)論是改變封閉傷口的方法還是防止感染,傷口治療的目標(biāo)歸根結(jié)底都是實(shí)現(xiàn)有效和安全的閉合。到目前為止,主要的傷口修復(fù)手段包括壓迫繃帶,傷口敷料,高壓氧治療,負(fù)壓治療和超聲波等。然而,這些被動(dòng)治療方法很少參與內(nèi)源性組織修復(fù),且忽視了易感創(chuàng)面ROS的清除,因此不能有效地促進(jìn)創(chuàng)面愈合。盡管最近興起的生長(zhǎng)因子介導(dǎo)療法已成為另一種皮膚創(chuàng)傷愈合再生的有效途徑,但仍存在諸如降解快和生物活性易喪失的弊端。近年來(lái),電刺激作為一種極具特色的促進(jìn)傷口愈合的輔助方式備受研究者青睞。據(jù)報(bào)道,電刺激的組織修復(fù)機(jī)制類(lèi)似于內(nèi)源性電場(chǎng),而內(nèi)源性電場(chǎng)對(duì)于指導(dǎo)成纖維細(xì)胞增殖、表皮細(xì)胞遷移和刺激受體部位接受某些生長(zhǎng)因子以促進(jìn)有序的皮膚再生至關(guān)重要。盡管這種方式的治療效果顯著且不良反應(yīng)較少,但需要提供合適電場(chǎng)的大型體外儀器,當(dāng)電刺激被用于臨床時(shí),患者甚至需要住院治療。值得慶幸的是,便攜式和可穿戴式電子器件已快速興起,特別是應(yīng)用于更好更快的體外診斷測(cè)試和疾病的即時(shí)檢測(cè)。但是目前便攜式醫(yī)用傳感器件通常由外置電源或可充電電池供電,具有使用壽命有限、充放電效率低、存在潛在的二次污染等缺點(diǎn)。


  近日,東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院葛麗芹教授課題組和中大醫(yī)院重癥醫(yī)學(xué)科劉玲教授合作,設(shè)計(jì)具備環(huán)境友好型-可持續(xù)供電和有效清除ROS能力的新型智能醫(yī)療器械加快傷口愈合。該研究通過(guò)層層自組裝方法制備出了一種人體運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的自供電納米復(fù)合“修理器”,用于電刺激內(nèi)源性傷口愈合及生理環(huán)境響應(yīng)性清除活性氧,緩解體內(nèi)炎癥反應(yīng)(ToC圖)。與傳統(tǒng)的被動(dòng)治療方式相比,這種模式提供了一種集運(yùn)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)和pH響應(yīng)性層層自組裝薄膜于一體的有效愈合創(chuàng)面的新策略,無(wú)疑為患者帶了福音。


ToC 圖 運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的層層自組裝“修理器”,用于自供電刺激內(nèi)源性傷口愈合及生理環(huán)境響應(yīng)性抗炎的相關(guān)機(jī)制。


圖 1 生物力學(xué)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)自供電LBL納米復(fù)合“修理器”用于傷口愈合。(a) HAP/SN是由多層薄膜(HAP)和自供電納米發(fā)電機(jī)(SN)組成的;(b)受傷人員行走時(shí)佩戴HAP/SN醫(yī)療器件,插圖:自供電刺激和納米顆粒的響應(yīng)性釋放協(xié)同促進(jìn)受損組織的有效愈合示意圖;(c) SN 系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)的激活下電刺激使受損皮膚康復(fù);(d)HAP層層自組裝薄膜用于pH-響應(yīng)性清除ROS使成纖維細(xì)胞恢復(fù)到正常的生長(zhǎng)狀態(tài)。


  在這項(xiàng)工作中,該課題組致力于設(shè)計(jì)一種基于摩擦電納米發(fā)電機(jī)和治療性納米顆粒響應(yīng)性釋放模型的便攜式自供電納米復(fù)合傷口“修理器”。將逐層涂覆2-羥丙基三甲基氯化銨-殼聚糖(HTCC)、海藻酸鈉(ALG)和聚多巴胺/Fe3+納米顆粒(PFNs)組裝的膜與通過(guò)生物力學(xué)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的自供電納米發(fā)電機(jī)(SN)組合到納米復(fù)合修復(fù)器(HAP/SN-NR)中(圖1a,b)。這個(gè)位于HAP/SN-NR頂層的SN系統(tǒng)可以提供適當(dāng)?shù)碾妶?chǎng)強(qiáng)度,刺激表皮再生,有利于血管生成和皮膚的快速主動(dòng)愈合(圖1c)。更重要的是,受基于摩擦帶電的接觸分離型納米發(fā)電機(jī)的啟發(fā),他們已經(jīng)證明SN作為一種可持續(xù)的可穿戴傳感器可以將人體運(yùn)動(dòng)的生物力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。由運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的SN系統(tǒng)產(chǎn)生的電場(chǎng)對(duì)傷口康復(fù)有積極作用。另一方面,在HAP/SN-NR的底層負(fù)載PFNs在體內(nèi)外均能快速響應(yīng)pH去除ROS。值得注意的是,當(dāng)正常皮膚組織受損產(chǎn)生炎癥時(shí)pH值會(huì)發(fā)生明顯變化(趨于從中性向弱酸性轉(zhuǎn)變),HAP膜上的PFNs可敏感性地釋放聚多巴胺納米粒到損傷部位,清除體內(nèi)ROS,消除炎癥(圖1d)。實(shí)驗(yàn)表明HAP/SN-NR的HAP膜除了具有pH響應(yīng)清除活性氧性能外,還具有高的組織自粘附性,緊密地封閉傷口;優(yōu)異的自修復(fù)性,以增強(qiáng)其耐久性;良好的生物降解性,降低了傷口閉合后二次剝離造成損傷和感染的風(fēng)險(xiǎn)。并且在動(dòng)物傷口模型實(shí)驗(yàn)中,他們的HAP/SN-NR不僅通過(guò)其綠色可持續(xù)的電刺激促進(jìn)了成纖維細(xì)胞的體外增殖和遷移,而且促進(jìn)了新生血管的形成,與商用的TegadermTM film相比,有效促進(jìn)了傷口的修復(fù),且沒(méi)有明顯的炎癥反應(yīng)。


  本研究的目的是提供一種新型有效的傷口愈合策略,以一種便攜式智能敷貼的形式,即生理環(huán)境性響應(yīng)性清除ROS,無(wú)需電池,將人體運(yùn)動(dòng)與臨床康復(fù)護(hù)理有機(jī)結(jié)合,其應(yīng)用方式簡(jiǎn)便、治療效果顯著。


  該研究論文以“Biomechanical motion-activated endogenous wound healing through LBL self-powered nanocomposite repairer with pH-responsive anti-inflammatory effect”為題于2021年10月在期刊《Small》上在線發(fā)表,東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院為本研究第一完成單位,博士生苑仁強(qiáng)為第一作者,葛麗芹教授劉玲教授為該論文共同通訊作者。


  原文鏈接:Renqiang Yuan,Ling Liu,Liqin Ge,et al. Biomechanical Motion-Activated Endogenous Wound Healing through LBL Self-Powered Nanocomposite Repairer with pH-Responsive Anti-Inflammatory Effect. Small, e2103997 (2021).

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202103997

  DOI: 10.1002/smll.202103997

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