慢性傷口愈合由于高發(fā)病率和相關負擔已成為一個全球性關注的健康問題,因此促進組織重塑并實現對傷口狀態(tài)的可視化監(jiān)測,具有重大意義。傳統(tǒng)治療手段如自體和異體皮膚移植,面臨著供體有限以及免疫排斥風險高的困境;臨床常用的紗布、繃帶等傷口敷料,功能單一,不僅需要頻繁消毒與更換,還可能對傷口造成二次傷害。此外,慢性傷口的愈合機制復雜,迫切需要能夠精準調控細胞類型與分子機制的新型多功能生物材料。組織工程支架憑借其三維多孔結構,為細胞黏附、增殖、分化提供了良好條件,且具有來源充足、可調節(jié)性高等優(yōu)勢;而電刺激也已被證明對傷口愈合過程具有實質性的影響,二者在慢性傷口治療領域均展現出廣闊的應用前景。然而,現有治療策略在同步實時監(jiān)測創(chuàng)面愈合狀態(tài)方面仍存在一定的不足。
鑒于此,福州大學楊黃浩教授、張進教授與福建醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院吳巧藝主任醫(yī)師合作,成功研制出一種新型三層結構電子皮膚貼片(TENG-gel)。TENG-gel通過將聚二甲基硅氧烷/聚四氟乙烯薄膜(PDMS/PTFE)、共晶鎵銦(E-GaIn)以及季銨鹽殼聚糖(QCS)/聚丙烯酰胺(PAAM)/海藻酸鈉(SA)@二硫化鉬(MoS2)納米片復合水凝膠(HQPS@MoS2)進行逐層整合,基于摩擦納米發(fā)電機的接觸-分離模式,實現了無線自供電功能。TENG-gel具備出色的多模式抗菌性能與炎癥控制能力,細菌抑制率高達96.2% ± 1.5%。同時,還能夠產生電刺激對傷口微環(huán)境進行精細調控,有效刺激細胞活性并推動組織重塑,為加速傷口再生創(chuàng)造有利條件。更為關鍵的是,溫度和應力作為慢性傷口愈合程度的重要評價指標,可基于該電子皮膚貼片在傷口愈合實時監(jiān)測過程中的電信號變化被間接讀取,從而精準反饋傷口愈合的階段性信息。此外,傷口一旦受到外部環(huán)境因素干擾,該皮膚貼片將及時發(fā)出警報。總之,這款含有納米酶的電子皮膚貼片為全球慢性傷口治療領域的發(fā)展注入全新活力,對于醫(yī)護人員長期高效管理和實時精準監(jiān)測傷口愈合進程具有重大意義。
圖1. 具有多模態(tài)抗菌、無線自供電和實時監(jiān)測特性的TENG-gel E-skin貼片用于慢性傷口修復
【PDMS/PTFE薄膜的物理和自供電性能】
為生成加速細胞遷移和增殖、促進傷口愈合的內源性電場(EF),研究人員成功制備了一種易于電子轉移的PDMS/PTFE復合薄膜。通過調整PDMS/PTFE的重量比為100:1、50:1、10:1和5:1,成功制備了4種性能各異的PDMS/PTFE薄膜。實驗結果表明,隨著PTFE添加量增加,PDMS/PTFE薄膜疏水性和力學性能提升。當重量比為 10:1時,電輸出最佳,綜合考慮多種性能,后續(xù)實驗采用此比例薄膜制備皮膚貼片材料。測試表明,PDMS薄膜的短路電流(ISC)僅為11.4 nA,而PDMS/PTFE薄膜的輸出電流升高了3.8倍(43.1 nA)(圖2F),這主要是由于PTFE的強電子親和力。具體來說,PTFE的螺旋C鏈骨架完全被F原子覆蓋,F原子具有很強的電負性,與金屬原子接觸時會吸引電子。此外,作為一種有效的摩擦負性材料,在PDMS微結構表面產生微米或亞微米大小的微小PTFE毛刺也有助于增強PDMS/PTFE薄膜的摩擦電效應,顯著提高其電輸出性能。與純PDMS薄膜相比,PDMS/PTFE薄膜表現出更好的自供電功能以形成內源性EF,從而加速慢性傷口的愈合。并且,摩擦電材料在不同的外力作用下展現出不同的輸出性能,包括開路電壓(VOC)和ISC。在5 Hz固定頻率下,當施加的外力從1 N增加到5 N時,ISC和VOC分別從22.4 nA增加到97.5 nA,從1.0 V增加到7.8 V(圖2G,H)。圖2I,J還顯示了PDMS/PTFE薄膜在不同工作頻率下輸出性能的變化。同樣,在固定5 N的作用力大小下,隨著工作頻率在1~5 Hz范圍內的變化,ISC值也呈現出逐漸增加的趨勢,而VOC值則無顯著差異。這是因為工作頻率的增加加速了電荷的感應或轉移速率,但在外電路內轉移的總電荷仍然保持不變。考慮到電輸出性能的穩(wěn)定性是生物電信號、離子轉移和細胞增殖的關鍵因素,將PDMS/PTFE薄膜浸泡在不同的溶液中或將其暴露在空氣中長達36天,展現了其電輸出性能的穩(wěn)定可靠性(圖2K?N)。
圖2. PDMS/PTFE薄膜的物理特性和電輸出性能
【HQPS@MoS?的物理性能、光熱性能、類過氧化物酶(POD)活性及抗菌性能】
二硫化鉬(MoS?)納米片通常展現出卓越的光熱性能、導電性能、催化活性以及機械強度。具體而言,MoS?納米片具有可調節(jié)帶隙,這使MoS?更適合在生物傳感和光學傳感等領域應用;此外,MoS?納米片獨特的S-Mo-S層狀結構與其催化活性相結合,有助于增強復合水凝膠的抗菌性能;更重要的是,MoS?納米片在水凝膠中的均勻分布賦予了其足夠的機械強度以維持水凝膠結構完整性并使其能夠承受周圍組織施加的壓力,從而提高傷口愈合效率。綜上所述,研究人員采用液相剝離法,以L-賴氨酸作為剝離劑合成了MoS?納米片,將其摻入水凝膠中以實現加速傷口愈合并實時監(jiān)測電信號的功能。
圖3. HQPS@MoS2水凝膠的物理、光熱、類POD活性和抗菌性能的表征
【TENG-gel皮膚貼片的結構穩(wěn)定性及雙溫度/應變傳感性能】
研究人員結合PDMS/PTFE薄膜和HQPS@MoS?水凝膠優(yōu)異的物理、自供電和抗菌性能,開發(fā)了一種新型電子皮膚貼片(TENG-gel)以促進慢性傷口愈合并實現實時監(jiān)測。在PDMS/PTFE薄膜上均勻沉積導電層E-GaIn,為電信號提供傳輸路徑,隨后進一步結合負責促進皮膚再生的HQPS@MoS?水凝膠層(圖4A)。值得注意的是,研究人員通過100次扭轉、彎曲甚至在水中搖晃等實驗均顯示出TENG -gel的三層界面的完整結合(圖4D?H)。這種界面粘附主要歸因于E-GaIn與PDMS/PTFE薄膜或HQPS@MoS?水凝膠之間形成的金屬配位鍵,實現了各層之間的穩(wěn)定連接。此外,Ga3?可能與水凝膠表面暴露的大量羧基/羥基交聯,主動與水凝膠形成緊密的界面并抑制E-GaIn液滴擴散到水凝膠內部。除了保持三層之間的緊密連接外,HQPS@MoS?水凝膠通過與多種底物形成豐富的氫鍵、配位鍵、共價鍵以及摩擦力表現出了有效粘附,為電信號傳輸到傷口提供了可靠的導電途徑,有利于促進細胞遷移、加速血管生成和微環(huán)境重塑(圖4G)。
圖4. TENG-gel皮膚貼片的結構穩(wěn)定性及溫度/應變雙傳感性能
【TENG誘導的電刺激電刺激對體外細胞遷移和鋪展的影響】
研究人員選用小鼠胚胎成纖維(NIH/3T3)細胞進行細胞毒性和細胞活力檢測,驗證了HQPS@MoS?水凝膠具有出色的細胞相容性(圖5A,E)。細胞劃痕實驗是模擬傷口愈合過程的代表性體外模型。他們比較了TENG誘導的電刺激(TENG(+))和無刺激(TENG(?))條件下的細胞遷移行為,結果表明電刺激對NIH/3T3細胞的遷移和增殖具有顯著影響(圖5B,F)。在電刺激下,NIH/3T3細胞的定向遷移產生收縮力使傷口更快閉合。另外,細胞骨架及其結合蛋白是細胞遷移的基礎,基于肌動蛋白的微絲決定了細胞的定向運動。如圖5C所示,與對照組和TENG(?)組相比,TENG(+)組在兩個不同時間點均表現出更豐富的由肌動蛋白聚合形成的片狀偽足和絲狀偽足(紅色箭頭),以及更寬且更密集的細胞骨架結構(圖5C,G,H)。圖5D展示了電刺激誘導三維細胞外基質內的膠原纖維排列為成纖維細胞的形態(tài)調整提供接觸導向作用。此外,電刺激改變了細胞骨架肌動蛋白的重組,導致偽足形成,并通過在細胞膜周圍產生牽引力來促進細胞遷移。其次,電刺激可能通過影響細胞周期、調節(jié)離子通道和信號通路(如細胞內鈣離子、MAPK/ERK以及PI3K/Akt)來影響細胞的增殖和分化行為。
圖5. TENG對細胞活力的影響
【體內皮膚再生性能】
鑒于TENG-gel在體外具有出色的抗菌活性、無線自供電能力和雙傳感性能,研究人員在小鼠全層皮膚缺損模型(缺損直徑為7 mm)中評估其皮膚再生性能。在最初的3天,分別使用對照組、商品敷料組、商品敷料 + NIR組、TENG-gel組和TENG-gel + NIR組進行處理,隨后在第0、3、6、9、1和14天觀察傷口愈合狀態(tài)。體內的代表性照片、傷口閉合痕跡和傷口收縮面積(圖6A?C)顯示,處理3天后,對照組和商品敷料組出現嚴重炎癥和化膿現象。由于一定程度的感染,除TENG-gel + NIR組外,其他組在術后第9天出現明顯的疤痕和結痂現象。一方面,由于HQPS@MoS?水凝膠具有卓越的吸水性能,TENG-gel的內層有效地吸收分泌物,降低局部傷口張力并保持傷口表面干燥。另一方面,PDMS/PTFE薄膜理想的疏水特性使其對任何表面物質的粘附力極低,從而確保了防污性能,有效地保護傷口免受外部污染物的侵害。
圖6. TENG-gel電子皮膚貼片在體內促進傷口愈合的作用
【體內組織學、免疫組織化學及生物安全性分析】
為了仔細研究傷口部位促炎細胞因子或生長因子的表達水平,研究人員對傷口組織進行了免疫組化分析,進一步探究傷口愈合的潛在機制。值得注意的是,傷口感染的嚴重程度通常與典型促炎因子如白細胞介素-6(IL-6)和腫瘤壞死因子-α(TNF-α)水平的升高相關,這些是細菌感染臨床診斷的敏感指標。如圖7A所示,在對照組的傷口部位可以清楚地觀察到大量促炎細胞因子標志物(棕色)。特別是IL-6的表達,第7天時TENG-gel + NIR處理組與對照組相比降低了約8.9倍,這表明所制備的TENG-gel皮膚貼片通過減少感染有效地促進了傷口恢復(圖7C,D)。具體而言,在傷口愈合的初始階段,電刺激激活了ERK/P13K信號通路,促進離子通道上調和Ca2?內流。特別是巨噬細胞中類似TRPV2的Ca2?內流,調節(jié)免疫細胞活性并增強細菌吞噬作用,減輕嚴重炎癥。而在隨后的增殖階段,電刺激通過激活ERK1/2/p38絲裂原活化蛋白激酶信號通路進一步抑制IL-6的表達,有助于形成抗炎微環(huán)境。
圖7. 體內不同組別傷口組織的組織學、免疫組化和生物安全性分析
【體內傷口愈合的實時信號監(jiān)測與精準反饋】
圖8. TENG-gel皮膚貼片實時監(jiān)測的體內評價
論文共同第一作者為福州大學化學學院研究生劉婉玲以及福建醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院研究生葉君成。通訊作者為福州大學化工學院張進教授、化學學院楊黃浩教授,以及福建醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院吳巧藝主任醫(yī)師。
原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202424698
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