全自動化診療平臺是一種及實時監(jiān)測和及時治療的閉環(huán)系統(tǒng)，它能夠?qū)崟r、精確診斷病情并同步進行治療，而且在治療過程中能夠監(jiān)控療效并隨時調(diào)整給藥方案，有利于達到最佳治療效果，并減少毒副作用和藥物耐藥性。其中，響應(yīng)外界刺激而釋放藥物的開關(guān)是實現(xiàn)精準治療的關(guān)鍵步驟。具有獨特刺激-響應(yīng)機制的“智能型”藥物載體，可在外源型或人體自身環(huán)境因素的刺激下做出相關(guān)理化性質(zhì)改變的響應(yīng)調(diào)節(jié)，在實現(xiàn)藥物靶向釋放的同時，自動調(diào)節(jié)藥物釋放速率。傳統(tǒng)的智能響應(yīng)系統(tǒng)，如pH響應(yīng)，溫度響應(yīng)，電場和光響應(yīng)等藥物載體雖具有智能響應(yīng)藥物釋放的特點，但由于抗生素藥物的親水性，在施加刺激初期，存在爆發(fā)式釋放現(xiàn)象，造成藥物毒性，在不施加刺激條件時仍會受濃度梯度影響而釋放，造成耐藥性問題。因此，如何實現(xiàn)藥物遞送系統(tǒng)的精準控釋是亟需解決的醫(yī)學瓶頸。
近日，西安理工大學湯玉斐教授團隊和空軍軍醫(yī)大學吳子祥副教授團隊聯(lián)合攻關(guān)，設(shè)計了一種基于“Lock-ON/OFF”電場（EF）驅(qū)動藥物釋放聯(lián)合電刺激（ES）治療PCVE自供電傷口敷料用于加速感染性創(chuàng)面修復(fù)（示意圖1），并重點研究了的不同孔隙結(jié)構(gòu)和不同刺激條件下的藥物釋放性能及釋藥機制。本研究以壓電材料聚偏氟乙烯（PVDF）作為自供電體系，以負載鹽酸萬古霉素的羧基化碳納米管（c-MWCNTs-VAN）作為電場響應(yīng)藥物釋放系統(tǒng)構(gòu)建了PCVE電場響應(yīng)藥物釋放聯(lián)合電刺激治療的自供電傷口敷料用于慢性感染傷口修復(fù)。此外，考慮到PVDF為疏水材料，藥物易被載體封鎖在體系內(nèi)，存在導致藥物釋放困難的問題。聚氧化乙烯（PEO）被當作軟模板，通過水洗處理構(gòu)建多孔結(jié)構(gòu)，為藥物釋放提供通道的同時，提高材料壓電響應(yīng)面面積，促進抗菌藥物的高效釋放。PCVE電場響應(yīng)藥物釋放耦合電刺激治療的自供電傷口敷料可以在人體活動產(chǎn)生的機械應(yīng)力作用下形成壓電電場。該電場，可作為藥物釋放的開關(guān)，釋放鹽酸萬古霉素殺死細菌，調(diào)控炎癥趨化因子（IL-6, IL-1, TNF-ɑ）下調(diào)。同時，還可重塑創(chuàng)面內(nèi)源性電場，作為生物電刺激信號，調(diào)控血管再生，膠原沉積，再上皮化及相關(guān)生長因子的表達，加快傷口愈合周期。體外藥物釋放結(jié)果表明，在 EF 的作用下，藥物的累積釋放率為 88.57%，是沒有 EF 作用下（0%）的約 89 倍，實現(xiàn)了藥物的精準釋放。此外， SD 大鼠皮膚缺損感染模型治療結(jié)果表明，在"Lock-ON/OFF"電場驅(qū)動藥物釋放聯(lián)合電刺激（ES）治療下的傷口愈合率是單獨 ES 的 1.26 倍，表明 IL-6 下調(diào)和 ɑ-SMA 上調(diào)具有促進創(chuàng)面修復(fù)的作用。因此，本研究所提出的自供電電場響應(yīng)藥物釋放聯(lián)合電刺激治療的自供電傷口敷料將有望推動遠程診斷，無線治療及按需精準醫(yī)療的發(fā)展。
示意圖1、 用于加速感染性創(chuàng)面修復(fù)的基于“Lock-ON/OFF”EF驅(qū)動藥物釋放聯(lián)合電刺激治療PCVE自供電傷口敷料的制備及應(yīng)用示意圖
圖1、PCVE自供電傷口敷料的理化特性(a)添加3wt%的PEO并結(jié)合去離子水洗處理對PVDF表面形態(tài)的影響，加入c-MWCNTs-VAN后，PEO含量對自供電傷口敷料表面形態(tài)的影響，(b)PCV、(c)PCVE0.01、(d)PCVE0.02和(e)PCVE0.03掃描電鏡圖像，PEO含量為0、1、2和3wt%的傷口敷料分別命名為PCV、PCVE0.01、PCVE0.02和PCVE0.03。(f)PCVE0.03的TEM圖像，PCVE0.03多孔壓電纖維中嵌入的c-MWCNTs-VAN用紅色箭頭表示。(g）水洗后 PCVE0.03 的傅立葉變換紅外光譜。(h) PEO 含量對自供電傷口敷料親水性能的影響。PCVE0.03的PFM圖像(i)振幅圖，(j)相圖，(k)振幅蝶形環(huán)和(l)相位滯后環(huán)。
圖2、PCV、PCVE0.01、PCVE0.02和PCVE0.03在動態(tài)和靜態(tài)負載下的EF驅(qū)動藥物釋放性能和釋放動力學分析。(a)PCV、PCVE0.01、PCVE0.02和PCVE0.03在不同負載條件下VAN的累積釋放率和(b)累積釋放濃度。(c)在循環(huán)動態(tài)加載下，PCV和PCVE0.03的VAN釋放率，(d)累積釋放率。不同數(shù)學模型擬合下的釋放動力學分析(e)零級方程、(f)一級方程、(g)Higuchi方程和(h)Korsmeyer-Peppas方程。(i)c-MWCNTs-VAN納米粒子在施加5V電刺激和無電刺激下的藥物累積釋放曲線。(j)施加ES前后VAN、c-MWCNTs、c-MWCNTs-VAN納米粒子的Zeta電位。(k)自供電電場作用下的藥物釋放機制示意圖。
圖3、自供電傷口敷料的體外抗菌活性評估。瓊脂平板上的(a,e)S.aureus和(b,f)MRSA與吸附藥物溶液的濾紙片共存24小時后的圖像和定量數(shù)據(jù)。上述藥物溶液分別是PCVE0.03(S)和PCVE0.03(D)在第1、4和7天釋放的藥物溶液。(c)S.aureus和(d)MRSA與吸附藥物溶液的濾紙片共存24小時后的AO/EB雙熒光染色熒光顯微鏡圖像。(綠色：活菌；紅色：死菌）。(g)鹽酸萬古霉素的抑菌機制示意圖。(n=3，mean ±SD，*p＜0.05，**p＜0.01，***p＜0.001）。
圖4、體外細胞毒性、細胞粘附、增殖和遷移活性。(a)細胞毒性，(b)細胞活力。(c)動態(tài)加載下的細胞劃痕實驗示意圖。(d)各組成纖維細胞粘附和增殖的熒光圖像(紅色表示細胞質(zhì)，藍色表示細胞核），（d1）第1、3和5天的細胞覆蓋率，（d2）第1和3天的細胞長徑比。（e）不同組電刺激作用下成纖維細胞的增殖和遷移活性，（e1）細胞遷移距離，（e2）細胞遷移面積，（e3），成纖維細胞在不同組電刺激作用下生長形態(tài)的熒光圖像。（i：對照組；ii：PVDF；iii：PCVE0.03(S)；iv：PCVE0.03(D)）。(n=3，mean ±SD，*p＜0.05，**p＜0.01，***p＜0.001）。
圖5、自供電傷口敷料對感染性傷口的體內(nèi)治療效果評價。(a)SD大鼠感染性傷口模型的構(gòu)建及治療流程圖。(b)第0、4、7和10天不同治療方式下傷口的代表性照片，(c)傷口愈合過程示意圖，(d)傷口愈合率。(e)PCVE0.03(D)的傷口愈合率與近期類似傷口敷料報道的傷口愈合率對比圖。(n=3，mean ±SD，*p＜0.05，**p＜0.01，***p＜0.001）。
圖6、第7和10天不同治療方式治療后創(chuàng)面組織的病理學分析。對照組、PVDF組、PCVE0.03(S)組和PCVE0.03(D)組在第7天和第10天的(a)H&E和(b)Masson染色傷口組織顯微照片。
圖7、第7天不同組傷口組織中IL-6和ɑ-SMA的免疫熒光染色顯微照片（a）和定量數(shù)據(jù)（b,c）。(d）基于“Lock-ON/OFF”電場驅(qū)動藥物釋放聯(lián)合電刺激療自供電傷口敷料用于加入感染性創(chuàng)面修復(fù)的愈合機制示意圖。(n=3，mean ±SD，*p＜0.05，**p＜0.01，***p＜0.001）。
相關(guān)研究成果以“A Self-Powered Wound Dressing Based on “Lock-ON/OFF” Drug Release Combined Electric Stimulus Therapy for Accelerated Infected Wound Healing”為題發(fā)表在國際著名期刊《Advanced Functional Materials》（IF：19.0，中科院TOP期刊）上。西安理工大學孫雅妮博士為論文第一作者，西安理工大學湯玉斐教授、空軍軍醫(yī)大學西京醫(yī)院吳子祥副教授為論文共同通訊作者，合作者還包括西安理工大學趙康教授和嚴富學副教授。該工作得到國家自然科學基金和陜西省自然科學基礎(chǔ)研究計劃的資助與支持。
論文信息：
Yani Sun, Yufei Tang,* Yuxuan He, Lei Chen, Cong Wu, Bo Zhang, Fuxue Yan, Kang Zhao, and Zixiang Wu*. A Self-Powered Wound Dressing Based on “Lock-ON/OFF” Drug Release Combined Electric Stimulus Therapy for Accelerated Infected Wound Healing. Adv. Funct. Mater, 2024, 2315086.
https://doi.org/10.1002/adfm.202315086
