Science Advances：一種可編程皮膚溫度激活的機電協同敷料可有效愈合傷口

第一作者：Guang Yao

通訊作者：Guang Yao，Lin Huang，Yuan Lin

通訊單位：電子科技大學

皮膚傷口管理，尤其是極端外傷或慢性疾病導致愈合能力下降的傷口，是臨床護理中的一個核心問題，也是公共衛生中一個值得注意的問題。根據世界衛生組織最近的一項全球調查，急性或慢性傷口問題困擾著全世界超過3.05億人。由于長期的治療過程和快速增長的全球經濟負擔，慢性傷口管理會導致長期的身心痛苦。而機械調節和電刺激在皮膚組織工程中控制傷口愈合有很大的應用前景。然而，設備操作和刺激實施的復雜性在臨床應用中仍然是一個持續的挑戰。

來自電子科技大學的姚光團隊提出了一種可編程的、皮膚溫度激活的機電協同創面敷料，它由用于傷口收縮的形狀記憶合金機械超材料和用于產生電場的抗菌駐極體薄膜組成。這一策略在大鼠身上被成功應用，線形和圓形傷口分別在短短4天和8天內獲得有效愈合，與空白對照組相比，傷口閉合率在統計學上顯著提高了50%以上。優化設計的機電協同刺激可以調節創面微環境，加速愈合代謝，促進創面閉合，抑制感染。這項工作在可編程的溫度響應型、無電池的機電協同生物醫學設備的背景下提供了一種有效的傷口愈合策略。相關工作以題為“A programmable and skin temperature–activated electromechanical synergistic dressing for effective wound healing”的研究性文章在Science Advances上發表。

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

EMSD的工作原理及特點

用于線性和環形傷口愈合的EMSD分別被定義為線性傷口的EMSD（EMSD-L）和環形傷口的EMSD（EMSD-C）。如圖1A所示，柔性夾層結構的EMSD由四層組成：由皮膚溫度觸發以提供機械收縮力的SMA超材料層，產生靜電場的極化聚四氟乙烯（PTFE）EEF，和兩個靈活的Ecoflex封裝層，它們可以無縫貼合非平面的皮膚表面。SMA超材料和EEF可設計為根據線性或圓形傷口進行收縮和并形成外部電場。將其可編程EMSD安裝在一起，以加速傷口愈合（圖1B）。EMSD-L由各向異性超材料網格和矩形EEF（矩形負極和矩形環正極）組成，而EMSD-C由各向同性超材料網格和圓形EEF（圓形負極和圓形環正極）組成。由于其機械設計，EMSD-L只能實現單軸拉伸特性，而EMSD-C可以在垂直和水平方向上進行雙向拉伸。EMSD-L和EMSD-C在初始狀態下的外形尺寸分別約為37×27×0.2 mm³和28×28×0.2 mm³（圖1C，左圖）。此外，EMSDs可能會受到非常大的變形，例如被扭曲多圈（圖1C，中間）。圖1C（右）顯示了EMSD驅動的線性和環形切口愈合的實驗裝置。使用三維顯微鏡檢查多層組件的均勻性和高度信息。頂視圖和側視圖掃描圖像如圖1D所示。沿著一條掃描線獲得的橫截面高度剖面進一步量化了多層幾何結構。EMSD的總厚度約為217 μm，PTFE駐極體膜、SMA網格和Ecoflex封裝層的厚度分別為59、93和65μm（圖1E）。為了確認包裝好的EMSD的生物相容性，將小鼠成纖維細胞在封裝好的設備表面和參考培養皿中培養3天，以檢查和比較細胞附著、增殖和形態。兩種培養基中的細胞密度和形態相似，熒光染色結果表明，兩組細胞都能擴散并形成完整的細胞結構（圖1F）。此外，包封材料上的細胞在3天內的相對存活率超過98%，與培養皿中培養的細胞相當（圖1G）。這些結果證實，封裝的EMSD是非細胞毒性和具有生物相容性的。

圖1 ?EMSD的工作原理及特性 ? 2022 The Authors

SMA超材料網格的設計與性能

線性纏繞（SMA-L）和環形纏繞（SMA-C）的SMA超材料網格的設計依賴于周期晶格拓撲中的網絡結構。圖2A-D展示了單細胞結構塊、部分放大的塊元素（粉色虛線框）以及SMA-L和SMA-C的各種設計。SMA超材料網格在一系列拉伸距離下的有限元分析和實驗結果如圖2E所示。超材料網格在0%和10%拉伸變形下的有限元分析結果表明，應變均勻分布在單細胞結構塊上。當SMA超材料網格拉伸至10%變形時，機械網格承受的應變（3%）始終小于破壞應變（8%），表明其在設計變形范圍內具有良好的拉伸性能。然后，在不同的環境溫度（20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃和50℃）下，以0.02 mm/s的加載速率測試了各種設計SMA-L的單軸拉伸力（圖2F）。因為具有雙重對稱性質的單細胞結構呈現各向異性，這意味著SMA-L可以沿x軸單向拉伸。對于50°、60°和70°SMA-L，x軸拉伸距離分別為0.3、4和4mm，而y軸拉伸距離分別為0.3、0.3和0.3mm。

圖2 形狀記憶合金超材料格柵的設計和性能 ?? 2022 The Authors

EEF的設計和性能

當上皮層受損且跨上皮電位被破壞時，內源性傷口電場可促進上皮細胞開始定向遷移以進行再上皮化。在傷口愈合的默認方向施加外部電場被認為是一種有希望的方法，可以增強內源性電場并提高愈合率（圖3A）。圖3B和C分別顯示了線性和圓形切口傷口的光學圖像以及EEF驅動傷口愈合的實驗裝置。負EEF電極(?1 kV）直接放置在傷口上方，并放置正EEF電極（+1 kV）以包圍損傷。在皮膚再生過程完成之前，這種電勢一直保持。為了評估電場穿透的有效性，使用Ansys Maxwell有限元解算器（AMFES）估算傷口處的電場強度。AMFES模擬結果表明，圖案化電極可以在其覆蓋區域內產生均勻的電場（圖3D和E）。電場在進入皮膚的前2 mm內迅速衰減，并在表皮和真皮內10 mm深度處緩慢衰減至約0.2 V/cm的低值（圖3F），這足以增加上皮細胞向傷口遷移的速度。

圖3 EEF的設計和性能 ?? 2022 The Authors

EMSD對傷口愈合的干預及機制研究

如圖4A所示，皮膚對損傷的反應發生在三個重疊但不同的階段：（i）炎癥階段，（ii）組織形成階段和（iii）重塑階段。本文建立大鼠背部作為創傷模型。然后在相同條件下對四組動物的線性傷口愈合性能進行了研究。如圖4B（左）示意圖所示，EMSD-L組的大鼠受到機電協同裝置的刺激。單獨使用基于SMA的機械敷料（MD）和基于EEF的電敷料（ED）刺激線性傷口愈合的大鼠分別被分為MD-L和ED-L組。此外，沒有可穿戴設備的空白控制（BC）組被定義為BC-L組。所有組均接受相同的線性創傷手術程序，并將大鼠標記為EMSD-L_n、MD-L_n、ED-L_n和BC-L_n（n=1,2,3,4）。大鼠手術后和安樂死前，傷口愈合過程每2天記錄一次，并更換EEF（圖4B，右圖）。在干預后第6天收集不同組線性切口部位的皮膚，通過蘇木精-伊紅（H&E）染色進一步分析顯微鏡下的愈合效果（圖4C）。EMSD-L組的傷口實現了再上皮化形成，并處于重塑階段，而MD-L和ED-L組的傷口部位出現肉芽組織。相比之下，BC-L組的表皮完全缺失。另一方面，為了量化閉合率并探索EMSD-C干預下的生物學機制，進一步探索圓形（直徑0.8 cm）全層皮膚傷口的傷口愈合性能。與線性傷口的治療分組類似，大鼠被分為四組：EMSD-C、MD-C、ED-C和BC-C（圖5A，左圖）。所有組均接受相同的環形傷口手術。大鼠被標記為EMSD-C_n、MD-C_n、ED-C_n和BC-C_n（n=1、2和3），傷口愈合過程每2天記錄一次（圖5A）。量化傷口閉合率隨時間變化如圖5B所示，所有組在第2天沒有顯著差異。不同組的最終傷口閉合率如圖5C所示。在干預后第8天收集不同組圓形切口部位的皮膚，通過H&E染色進行組織學檢查（圖5D）。組織學分析顯示，EMSD-C組的傷口在使用EMSD-C治療的傷口中心實現了再上皮化，呈現出與下方肉芽組織緊密連接的完整新表皮。

圖4 傷口修復和線性切口愈合的級聯階段?? 2022 The Authors

圖5 環形切口愈合及其生物學機制?? 2022 The Authors

結語

本文提出了一種機電協同系統作為一種有效的治療策略用于加速線性和環形傷口愈合。柔性和非侵入性的EMSD可以通過可編程的SMA超材料（由皮膚溫度觸發）進行適當的收縮，并通過有圖案的抗菌EEF增強內源性電場。通過優化EMSD的幾何結構，無縫連接的設備可以提供約10%的收縮應變，并在10 mm深度的組織中提供足夠的電場干預。對接受創傷手術并在相同條件下喂養的EMSD、ED、MD和空白組大鼠的傷口愈合性能進行檢查和比較。體內研究表明，線性和環形傷口分別在短短4天和8天內有效愈合，與非干預對照組相比，傷口閉合率在統計學上顯著提高約50%。這種杰出的傷口治療效果超過了大多數其他報道的非藥理學方法。

本文由SSC供稿。