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  近日，陜西科技大學(xué)生物質(zhì)與功能材料研究所王學(xué)川教授/劉新華副教授與四川大學(xué)郭俊凌教授聯(lián)合團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種多功能明膠基柔性導(dǎo)電皮膚支架，該材料兼具自修復(fù)、促進(jìn)組織愈合以及運(yùn)動(dòng)傳感性能等。相關(guān)研究成果發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊Biomaterials上。

圖1 多功能電子皮膚支架的構(gòu)建思路

  電刺激能夠顯著促進(jìn)組織再生，將其應(yīng)用于傷口治療過(guò)程能有效促進(jìn)傷口愈合。本文設(shè)計(jì)了一種具有一定機(jī)械強(qiáng)度、電活性和自修復(fù)性能的水凝膠支架（MESGel），可用于電刺激加速傷口愈合和運(yùn)動(dòng)傳感。MESGel具有優(yōu)異的生物相容性和多功能特性，包括柔韌性、自愈合性能、生物降解性和生物電活性。綜合生物實(shí)驗(yàn)證明，MESGel電子皮膚支架能通過(guò)電刺激作用，積極促進(jìn)倉(cāng)鼠肺上皮細(xì)胞的增殖，從而誘導(dǎo)皮膚創(chuàng)傷愈合，為全層皮膚缺損模型提供了一種有效的治療策略。此外，MESGel還可作為一種新型柔性電子皮膚傳感器實(shí)時(shí)記錄傷口愈合過(guò)程的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，有望實(shí)現(xiàn)傷口治療-實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)一體化。

圖2 MESGel電子皮膚支架的結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能表征

  自修復(fù)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，MESGel具有優(yōu)異的自修復(fù)性能，且主要原因是MESGel電子皮膚支架內(nèi)含有大量的氫鍵作用、靜電相互作用和π-π堆積作用（圖2 A）。從圖2 B可以看出，被切割后的MESGel可以在2分鐘內(nèi)自修復(fù)至60%，在10分鐘內(nèi)達(dá)到完全愈合。在交替應(yīng)變掃描試驗(yàn)中（圖2 E），通過(guò)儲(chǔ)能模量（G''）和損耗模量（G″）的測(cè)定，考察了MESGel的流變性能。在0.1 rad/s到100 rad/s的頻率范圍內(nèi)，G''占主導(dǎo)地位。其中，MESGel的G''最高，表明其機(jī)械強(qiáng)度最高。用高應(yīng)變（200%）破壞水凝膠分子鏈的纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并用低應(yīng)變（10%）研究凝膠的自修復(fù)性能。在三個(gè)斷裂和恢復(fù)循環(huán)中，MESGel斷裂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)能夠快速恢復(fù)（圖2 E）。這種特性對(duì)支架應(yīng)對(duì)細(xì)胞增殖過(guò)程中組織應(yīng)力引起的微裂紋至關(guān)重要。同時(shí)，MESGel支架具有良好的力學(xué)性能，能夠承受高達(dá)425%的拉伸應(yīng)變和71%的壓縮應(yīng)變。

圖3 MESGel電子皮膚支架的傳感性能表征

  圖3 闡明了MESGel電子皮膚支架傳感器的構(gòu)建方法及性能。通過(guò)對(duì)人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)，包括關(guān)節(jié)（圖3 B）、肘部（圖3 C）、手部（圖3 D）和手腕（圖3 E），結(jié)果表明MESGel電子皮膚支架傳感器的響應(yīng)時(shí)間（RT）僅為100 ms，具有較高靈敏度（圖3 C）。當(dāng)壓縮應(yīng)變從20%增加到80%時(shí)，相對(duì)電阻變化率（?R/R0）從14.8%增加至26.0%，GF為18.35（圖3 F）。當(dāng)拉伸應(yīng)變從120%增加到200%時(shí)，?R/R0從19.6%增加至33.7%，GF為18.6（圖3 G）。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MESGel可以作為一種電子皮膚傳感器，用于運(yùn)動(dòng)損傷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖4 MESGel電子皮膚支架的生物相容性及促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)繁殖的性能

  為了驗(yàn)證MESGel電子皮膚支架在電刺激作用下對(duì)細(xì)胞增殖的促進(jìn)作用，在與倉(cāng)鼠肺上皮細(xì)胞（CHL）的共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)外加電源對(duì)MESGel電子皮膚支架進(jìn)行電刺激。結(jié)果表明，CHL細(xì)胞在支架上生長(zhǎng)均勻，電刺激5天之后，細(xì)胞死亡數(shù)量較少（圖4 F）。通過(guò)流式細(xì)胞儀檢測(cè)CHL細(xì)胞的細(xì)胞形態(tài)及增殖能力，實(shí)驗(yàn)表明MESGel+電刺激組細(xì)胞的側(cè)向散射（SSC）值更高，即細(xì)胞內(nèi)的顆粒度更大。且前向散射（FSC）值也相似，因此細(xì)胞大小沒(méi)有差異（圖4 G）。較高的細(xì)胞增殖指數(shù)（CPI）意味著大多數(shù)細(xì)胞處于DNA復(fù)制期，進(jìn)入G2期，并逐漸進(jìn)入有絲分裂期（圖4 D）。也就是說(shuō)，電刺激作用對(duì)CHL細(xì)胞增殖有顯著的正效應(yīng)。

圖5 SPF大鼠全層皮膚缺損模型及免疫分析

  采用SPF大鼠全層皮膚缺損模型對(duì)MESGel在電刺激作用下對(duì)傷口愈合影響進(jìn)行評(píng)價(jià)（圖5 ）。結(jié)果表明，電刺激作用下電活性MESGel電子皮膚支架促進(jìn)創(chuàng)面愈合作用更為明顯。進(jìn)一步病理學(xué)結(jié)果表明，在MESGel+電刺激組治療的創(chuàng)面?zhèn)谇衅锌梢杂^察到豐富的新生毛囊和血管，較厚的新表皮層和較為完整的組織結(jié)構(gòu)，且PDGF和VEGF的表達(dá)更為顯著，表明電刺激作用下MESGel可加速成纖維細(xì)胞和角質(zhì)形成細(xì)胞增殖、肉芽組織形成和上皮化過(guò)程，從而促進(jìn)傷口愈合。

  相關(guān)成果以“Skin-Inspired Gelatin-Based Flexible Bio-Electronic Hydrogel for Wound Healing Promotion and Motion Sensing”為題發(fā)表在Biomaterials（Biomaterials, 2021, 121026, DOI: 10.1016/j.biomaterials.2021.121026）上。陜西科技大學(xué)博士研究生鄭漫輝為本論文的第一作者，通訊作者為陜西科技大學(xué)王學(xué)川教授、劉新華副教授與四川大學(xué)郭俊凌教授。感謝國(guó)家自然科學(xué)基金（21808133，21804084）、咸陽(yáng)市/溫州市科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目（2018k02-28/2019Y1073）、國(guó)家“海外高層次人才”計(jì)劃、國(guó)家雙一流重點(diǎn)建設(shè)學(xué)科計(jì)劃、制革清潔技術(shù)國(guó)家工程中心（四川大學(xué)）對(duì)本工作的大力支持！

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2021.121026