北航常凌乾团队，最新Nature Electronics：重新定义“绷带”！

因为肠道结构独特并且环境复杂，肠道伤口愈合是一个复杂的医学挑战。传统的缝合手术是主要的治疗方法，但可能导致恢复时间长和肠功能不全，以及其他副作用如肠增生和梗阻。手术钉和压迫吻合环是替代方案，但可能导致更多组织损伤。成功的愈合需要促进关键细胞如上皮细胞的增殖。生物可吸收缝合线、组织密封剂和携带愈合因子的水凝胶可能加速愈合，但不能直接调节基因表达。电刺激已用于促进皮肤和其他表层组织的愈合，但其在肠道愈合中的效果不明确，且面临技术挑战，如需要可降解的可植入电源。因此，人们一直在寻找能够有效促进伤口愈合的替代策略或装置。

在此，北京航空航天大学常凌乾教授、王柳助理教授联合宾夕法尼亚州立大学余存江副教授共同报告了一种由可生物降解的柔软材料制成的自供电电子绷带（E绷带），它能加速肠道伤口愈合。该装置利用双重电刺激促进伤口愈合：脉冲电刺激诱导上皮细胞电转染，促进愈合因子（如上皮生长因子）的表达；直流电刺激增强转染细胞愈合因子的分泌。该电子绷带在体外对肠上皮细胞具有很高的转染效率和细胞存活率，从而在术中促进上皮生长因子的表达。镁钼微电极对产生的自供电振荡电池促进了愈伤因子的外渗出。对小鼠进行的体外和体内研究表明，与传统的缝合疗法和单一电刺激的电子绷带相比，肠道愈合速度更快。相关成果以“Accelerated intestinal wound healing via dual electrostimulation from a soft and biodegradable electronic bandage”为题发表在《Nature Electronics》上，第一作者为吴晗,王玉琼, 李虎和Yongyan Hu为共同一作。

E-绷带的设计

E绷带整合了电转染（ET）和电刺激（ES），可加速自由活动动物肠道缺损的伤口愈合（图 1a）。该装置由三层组成（图 1b）。最外层是 PCL 层（厚度为 30 μm），作为柔性基底和生物可吸收封装层，以延长 E-绷带的使用寿命。中间层是用于提供一次性 ET 和多日ES的趾间微电极对。最内层是直接接触肠道组织的 GelMA 壳聚糖水凝胶层（厚度为 100 μm）。由于 GelMA-壳聚糖水凝胶溶液的表面张力低、粘度适应性强，它可以渗透到电纺 PCL 薄膜的微小纤维间隙中，从而在光固化后形成牢固的机械互锁。图 1e、f 展示了 E绷带对肠道伤口的双重电刺激（即 ET 和 ES）。术中，在镁/钼微电极对之间施加脉冲电场，使局部上皮细胞电穿孔并转染预载的 DNA 质粒。随后，镁/钼电极和体液形成一个电化细胞，在阳极和阴极之间自主产生直流电场，从而向局部上皮细胞输送连续的 ES。

图 1 用于肠道伤口愈合的完全植入式、可生物降解、自供电双电刺激电子绷带

用于体外 ET 和 ES 的双电刺激 E绷带

为了评估E绷带在促进伤口愈合方面的效果，作者在体外测试了其电转染（ET）功能，使用Caco-2细胞系和碘化丙啶作为模型，并采用了常用的脉冲电场参数进行优化。研究证实，30V的电压能安全地进行细胞电穿孔，且不损伤周围组织。E绷带能高效地将Egf编码的DNA质粒传递到关键细胞类型，包括肠上皮细胞，平滑肌细胞和血管内皮细胞，并证实了基因的有效转录和翻译。通过ET操作后，E绷带使用内置电池执行电刺激（ES），其性能取决于电极材料和电解质的电阻。作者还展示了E绷带的双重电刺激（ET和ES）在体外显著促进上皮细胞增殖的效果，与单独使用ET或ES相比，细胞增长显著。对照组实验显示，电极材料本身对细胞增殖无影响，而电刺激至关重要；双重电刺激的E绷带在促进细胞增殖方面最为有效。

图 2 | 用于体外 ET 和/或 ES 的双电刺激 E 带

E绷带的双重电刺激协同作用

作者探索了双重电刺激处理（E绷带）在促进细胞增殖中高效作用的潜在机制。研究发现，电转染（ET）模式能有效传输并维持Egf基因的表达，与此同时，电刺激（ES）模式显著增强了细胞外Egf的分泌。与单一ET或ES处理相比，双重处理显著提高了细胞增殖率。进一步分析显示，ES处理能持续引起细胞内Ca 2+水平的上升，与ET引起的瞬时Ca 2+流入形成对比。这种持续的Ca 2+升高可能促进了CaMKK2的磷酸化，从而加强了蛋白质（如生长因子）的外吞和分泌。实验结果表明，E绷带的双重刺激模式充分利用了ET促进基因表达和ES促进蛋白质分泌的优势，从而显著促进了上皮细胞的增殖，这对肠道伤口愈合至关重要。

图 3：E-绷带双重电刺激促进表皮生长因子表达和分泌机制的体外研究

体内肠道 ET 和 ES

为评估E绷带在体内促进肠道伤口愈合的能力，作者在小鼠上建立了肠道损伤模型，并用E绷带覆盖伤口进行了治疗。通过电转染（ET）技术，Egf编码的DNA被成功传递到肠上皮细胞，随后通过自供电电刺激（ES）促进了伤口周围组织的愈合。实验结果显示，E绷带与肠道紧密结合，且能长期稳固附着。转染效率约为30%，且在伤口处的EGF和GFP蛋白表达显著增加。为了支持ES功能，镁/钼电池在体内连续提供了三天的直流电场，证明了其对细胞分泌功能的促进作用。此外，E绷带处理组在蛋白质外渗和细胞外EGF浓度上表现出优于单一处理组的效果，显示了双重电刺激的协同效应。通过改进设计，如采用多层电极对和增加电极厚度，E绷带的放电持续时间得以延长至六天，且在三天内保持稳定电压。最后，E绷带显示出良好的生物降解性和生物相容性，无明显系统性炎症反应，验证了其在体内应用的安全性和有效性。

图 4 E绷带 用于体内损伤肠道的定向基因 ET 和 ES

肠道伤口愈合

研究比较了使用双电刺激E绷带处理与传统缝合手术在肠道伤口愈合效果上的差异，发现E绷带显著减少了术后增生和梗阻的风险。在第7天和第14天的评估中，与缝合手术相比，E绷带在减少增生和防止肠梗阻方面表现出色。此外，传统手术组的小鼠在手术后体重大幅下降，而E绷带处理组的小鼠体重恢复更快，第7天已达到手术前的106%，表明了双电刺激疗法在抑制手术后并发症方面的优势。整体来看，E绷带通过电刺激的协同作用，在增生、梗阻及体重恢复等方面的综合评分远高于传统手术方法，显示了其在促进肠道伤口愈合中的潜力和低侵入性。

图 5：双电刺激电子绷带在促进肠道伤口愈合方面的疗效

为评估E绷带在促进肠道伤口愈合的效果，作者通过免疫组化、H&E染色和Masson's trichrome染色等方法对治疗后两周的小鼠肠道进行了分析。结果显示，E绷带处理组的EGF表达水平显著高于其他组，平滑肌和成纤维细胞增殖也更为显著，这证明了E绷带能有效促进局部细胞增殖。组织学评分表明，E绷带组在粘膜和肌肉连续性、肉芽组织形成方面的伤口愈合效果最好，胶原网络也更加完整和密集，指示伤口重塑和愈合过程加速。此外，E绷带处理还显著改善了肠道微生物群构成，增加了益生菌如Akkermansia muciniphila、Lachnospiraceae_NK4A136和乳酸杆菌属的相对丰度，促进了肠道健康和平衡。相比之下，传统手术组的益生菌丰度显著低于E绷带处理组。功能性聚类分析进一步证实，E绷带通过双重电刺激促进的肠道微生物多样性和活力，在恢复肠道功能方面超越了单一电刺激方法。这些发现共同强调了E绷带在促进肠道伤口愈合和恢复肠道正常功能方面的高效性和潜力。

图 6 通过E绷带治疗愈合的肠道的组织学和功能评估

小结

本文介绍了一种新型的柔性可生物降解电子绷带，通过双重电刺激策略显著加速肠道伤口的愈合过程。该电子绷带的脉冲电刺激显著增强了肠上皮细胞中表皮生长因子（EGF）的表达，达到约30%的电转染（ET）效率。此外，其内置的振荡电池生成的电场为局部细胞持续提供直流电刺激，进一步促进了EGF的外泌。在小鼠模型中，E-绷带有效减少了术后并发症，如增生、梗阻和体重下降，并改善了愈合肠段的组织结构，同时增加了益生菌的相对数量。本研究还展示了利用可生物降解材料（镁和钼）构建的电流电池，为自供电可生物降解医用植入物开辟了新途径。此双重电刺激策略为加快伤口愈合过程提供了新的视角，虽然本研究聚焦于肠道伤口，但相似的策略也可适用于促进神经系统、皮肤、肌肉等其他器官和组织的愈合，展现了广泛的应用潜力。

来源：高分子科学前沿

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