Science Advances：一种可编程皮肤温度激活的机电协同敷料可有效愈合伤口

第一作者：Guang Yao

通讯作者：Guang Yao，Lin Huang，Yuan Lin

通讯单位：电子科技大学

皮肤伤口管理，尤其是极端外伤或慢性疾病导致愈合能力下降的伤口，是临床护理中的一个核心问题，也是公共卫生中一个值得注意的问题。根据世界卫生组织最近的一项全球调查，急性或慢性伤口问题困扰着全世界超过3.05亿人。由于长期的治疗过程和快速增长的全球经济负担，慢性伤口管理会导致长期的身心痛苦。而机械调节和电刺激在皮肤组织工程中控制伤口愈合有很大的应用前景。然而，设备操作和刺激实施的复杂性在临床应用中仍然是一个持续的挑战。

来自电子科技大学的姚光团队提出了一种可编程的、皮肤温度激活的机电协同创面敷料，它由用于伤口收缩的形状记忆合金机械超材料和用于产生电场的抗菌驻极体薄膜组成。这一策略在大鼠身上被成功应用，线形和圆形伤口分别在短短4天和8天内获得有效愈合，与空白对照组相比，伤口闭合率在统计学上显著提高了50%以上。优化设计的机电协同刺激可以调节创面微环境，加速愈合代谢，促进创面闭合，抑制感染。这项工作在可编程的温度响应型、无电池的机电协同生物医学设备的背景下提供了一种有效的伤口愈合策略。相关工作以题为“A programmable and skin temperature–activated electromechanical synergistic dressing for effective wound healing”的研究性文章在Science Advances上发表。

链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abl8379

EMSD的工作原理及特点

用于线性和环形伤口愈合的EMSD分别被定义为线性伤口的EMSD（EMSD-L）和环形伤口的EMSD（EMSD-C）。如图1A所示，柔性夹层结构的EMSD由四层组成：由皮肤温度触发以提供机械收缩力的SMA超材料层，产生静电场的极化聚四氟乙烯（PTFE）EEF，和两个灵活的Ecoflex封装层，它们可以无缝贴合非平面的皮肤表面。SMA超材料和EEF可设计为根据线性或圆形伤口进行收缩和并形成外部电场。将其可编程EMSD安装在一起，以加速伤口愈合（图1B）。EMSD-L由各向异性超材料网格和矩形EEF（矩形负极和矩形环正极）组成，而EMSD-C由各向同性超材料网格和圆形EEF（圆形负极和圆形环正极）组成。由于其机械设计，EMSD-L只能实现单轴拉伸特性，而EMSD-C可以在垂直和水平方向上进行双向拉伸。EMSD-L和EMSD-C在初始状态下的外形尺寸分别约为37×27×0.2 mm³和28×28×0.2 mm³（图1C，左图）。此外，EMSDs可能会受到非常大的变形，例如被扭曲多圈（图1C，中间）。图1C（右）显示了EMSD驱动的线性和环形切口愈合的实验装置。使用三维显微镜检查多层组件的均匀性和高度信息。顶视图和侧视图扫描图像如图1D所示。沿着一条扫描线获得的横截面高度剖面进一步量化了多层几何结构。EMSD的总厚度约为217 μm，PTFE驻极体膜、SMA网格和Ecoflex封装层的厚度分别为59、93和65μm（图1E）。为了确认包装好的EMSD的生物相容性，将小鼠成纤维细胞在封装好的设备表面和参考培养皿中培养3天，以检查和比较细胞附着、增殖和形态。两种培养基中的细胞密度和形态相似，荧光染色结果表明，两组细胞都能扩散并形成完整的细胞结构（图1F）。此外，包封材料上的细胞在3天内的相对存活率超过98%，与培养皿中培养的细胞相当（图1G）。这些结果证实，封装的EMSD是非细胞毒性和具有生物相容性的。

图1  EMSD的工作原理及特性 © 2022 The Authors

SMA超材料网格的设计与性能

线性缠绕（SMA-L）和环形缠绕（SMA-C）的SMA超材料网格的设计依赖于周期晶格拓扑中的网络结构。图2A-D展示了单细胞结构块、部分放大的块元素（粉色虚线框）以及SMA-L和SMA-C的各种设计。SMA超材料网格在一系列拉伸距离下的有限元分析和实验结果如图2E所示。超材料网格在0%和10%拉伸变形下的有限元分析结果表明，应变均匀分布在单细胞结构块上。当SMA超材料网格拉伸至10%变形时，机械网格承受的应变（3%）始终小于破坏应变（8%），表明其在设计变形范围内具有良好的拉伸性能。然后，在不同的环境温度（20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃和50℃）下，以0.02 mm/s的加载速率测试了各种设计SMA-L的单轴拉伸力（图2F）。因为具有双重对称性质的单细胞结构呈现各向异性，这意味着SMA-L可以沿x轴单向拉伸。对于50°、60°和70°SMA-L，x轴拉伸距离分别为0.3、4和4mm，而y轴拉伸距离分别为0.3、0.3和0.3mm。

图2 形状记忆合金超材料格栅的设计和性能  © 2022 The Authors

EEF的设计和性能

当上皮层受损且跨上皮电位被破坏时，内源性伤口电场可促进上皮细胞开始定向迁移以进行再上皮化。在伤口愈合的默认方向施加外部电场被认为是一种有希望的方法，可以增强内源性电场并提高愈合率（图3A）。图3B和C分别显示了线性和圆形切口伤口的光学图像以及EEF驱动伤口愈合的实验装置。负EEF电极(−1 kV）直接放置在伤口上方，并放置正EEF电极（+1 kV）以包围损伤。在皮肤再生过程完成之前，这种电势一直保持。为了评估电场穿透的有效性，使用Ansys Maxwell有限元解算器（AMFES）估算伤口处的电场强度。AMFES模拟结果表明，图案化电极可以在其覆盖区域内产生均匀的电场（图3D和E）。电场在进入皮肤的前2 mm内迅速衰减，并在表皮和真皮内10 mm深度处缓慢衰减至约0.2 V/cm的低值（图3F），这足以增加上皮细胞向伤口迁移的速度。

图3 EEF的设计和性能  © 2022 The Authors

EMSD对伤口愈合的干预及机制研究

如图4A所示，皮肤对损伤的反应发生在三个重叠但不同的阶段：（i）炎症阶段，（ii）组织形成阶段和（iii）重塑阶段。本文建立大鼠背部作为创伤模型。然后在相同条件下对四组动物的线性伤口愈合性能进行了研究。如图4B（左）示意图所示，EMSD-L组的大鼠受到机电协同装置的刺激。单独使用基于SMA的机械敷料（MD）和基于EEF的电敷料（ED）刺激线性伤口愈合的大鼠分别被分为MD-L和ED-L组。此外，没有可穿戴设备的空白控制（BC）组被定义为BC-L组。所有组均接受相同的线性创伤手术程序，并将大鼠标记为EMSD-L_n、MD-L_n、ED-L_n和BC-L_n（n=1,2,3,4）。大鼠手术后和安乐死前，伤口愈合过程每2天记录一次，并更换EEF（图4B，右图）。在干预后第6天收集不同组线性切口部位的皮肤，通过苏木精-伊红（H&E）染色进一步分析显微镜下的愈合效果（图4C）。EMSD-L组的伤口实现了再上皮化形成，并处于重塑阶段，而MD-L和ED-L组的伤口部位出现肉芽组织。相比之下，BC-L组的表皮完全缺失。另一方面，为了量化闭合率并探索EMSD-C干预下的生物学机制，进一步探索圆形（直径0.8 cm）全层皮肤伤口的伤口愈合性能。与线性伤口的治疗分组类似，大鼠被分为四组：EMSD-C、MD-C、ED-C和BC-C（图5A，左图）。所有组均接受相同的环形伤口手术。大鼠被标记为EMSD-C_n、MD-C_n、ED-C_n和BC-C_n（n=1、2和3），伤口愈合过程每2天记录一次（图5A）。量化伤口闭合率随时间变化如图5B所示，所有组在第2天没有显著差异。不同组的最终伤口闭合率如图5C所示。在干预后第8天收集不同组圆形切口部位的皮肤，通过H&E染色进行组织学检查（图5D）。组织学分析显示，EMSD-C组的伤口在使用EMSD-C治疗的伤口中心实现了再上皮化，呈现出与下方肉芽组织紧密连接的完整新表皮。

图4 伤口修复和线性切口愈合的级联阶段 © 2022 The Authors

图5 环形切口愈合及其生物学机制 © 2022 The Authors

结语

本文提出了一种机电协同系统作为一种有效的治疗策略用于加速线性和环形伤口愈合。柔性和非侵入性的EMSD可以通过可编程的SMA超材料（由皮肤温度触发）进行适当的收缩，并通过有图案的抗菌EEF增强内源性电场。通过优化EMSD的几何结构，无缝连接的设备可以提供约10%的收缩应变，并在10 mm深度的组织中提供足够的电场干预。对接受创伤手术并在相同条件下喂养的EMSD、ED、MD和空白组大鼠的伤口愈合性能进行检查和比较。体内研究表明，线性和环形伤口分别在短短4天和8天内有效愈合，与非干预对照组相比，伤口闭合率在统计学上显著提高约50%。这种杰出的伤口治疗效果超过了大多数其他报道的非药理学方法。

本文由SSC供稿。