苏州大学严锋教授AFM：皮肤温度触发的多功能自供电敷料促进伤口愈合

内源性电场(Endogenous electric field, EEF)在细胞信号传导、细胞增殖和迁移以及神经再生等生理过程中起着至关重要的作用。皮肤受损后，EEF减弱会导致细胞迁移和增殖受阻，提供适当的电场有利于加速伤口愈合。然而，外部电刺激设备的复杂性阻碍了电疗的临床应用和日常使用。常规使用的直流电会引发伤口处的热损伤，交流电尽管降低了热效应的产生，但难以直接模拟伤口处内源性电场的方向性。新兴的摩擦电和压电等供电方式，需要外界触发且电压输出不稳定。因此，开发可用于修复受损内源电场、促进伤口愈合的稳定、便携的可穿戴自供电柔性器件至关重要。此外，细菌感染和氧化应激在创面中普遍存在，且导致血管生成受损和巨噬细胞功能障碍，进一步延缓伤口的愈合过程。因此，重塑伤口处的EEF和有效清除病原体是解决创面难以愈合的关键。

针对上述问题，苏州大学严锋教授团队开发了多功能自供电可穿戴柔性热电敷料，通过利用感染伤口和外部环境之间的天然温差产生电势，重塑伤口受损的EEF，并有效杀菌消炎促进伤口愈合。将丙烯酰胺(AM)和2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸钠盐(AMPS-Na)紫外光交联制备热电水凝胶，并在其中负载单宁酸(TA)，提供优异的广谱抗菌和抗氧化活性。利用该热电水凝胶构建可穿戴的自供电柔性敷料，该敷料可以提供稳定和持续的热电势来重塑伤口的EEF，同时释放TA发挥杀菌和抗炎作用。通过促进细胞增殖和迁移、血管生成和胶原蛋白沉积，协同加速了伤口愈合，为创面治疗提供了一种有前途的、简便的治疗策略。

图1. TA负载的热电水凝胶器件(PTEDn)示意图。PTEDn是一种自供电的可穿戴柔性敷料，可以在感染伤口与外部环境的天然温差下通过阴离子和阳离子的迁移差异产生稳定的电势，通过重塑EEF促进细胞迁移和释放TA发挥杀菌、抗炎的作用，协同促进伤口愈合。

图1展示了热电器件的制备及其作为兼具消除细菌、抗炎和EEF重塑性能的自供电可穿戴柔性敷料在治疗耐药细菌感染的伤口中的应用。AM、AMPS-Na和不同浓度的TA (0、1、2或4 mg mL -1)在紫外光下聚合为热电水凝胶PAAT n (n=0, 1, 2, 4)，进一步以碳布和碳化无纺布作为集流体制备自供电柔性可穿戴敷料。该敷料可以通过感染伤口和外部环境之间的温差产生热电势，应用于感染伤口后可以重塑伤口的EEF以促进细胞增殖和迁移，同时杀死细菌，抑制炎症反应，协同加速伤口愈合。

图2. a)水凝胶中离子和分子链的示意图。b) PAAT2 (甲基橙染色)以不同角度粘附在弯曲的手指关节上以及粘附在c) 扭曲、折叠的猪皮上的照片和从手指上剥离的照片。d) 180°剥离试验，用于测量PAATn与猪皮的界面韧性。PAATn与皮肤之间的剥离粘附能随着TA浓度的增加而增大。e) 猪皮和PAATn之间的搭接剪切强度试验。结果表明，水凝胶对皮肤组织的粘附力随着水凝胶中TA含量的增多而增大。f) PAAT2在30%和80%RH环境中的失水率。g) PAAT2在25-37°C下的储能模量G′和损耗模量G′′。h) 拉伸应力-应变曲线和i) PAATn的杨氏模量。

研究者对热电水凝胶进行了测试与表征。首先对水凝胶的物理性能进行了表征，证明了水凝胶在粘附和力学强度方面的性能满足使用要求(图2)。热电性能测试表明PTED n可以提供约170 mV稳定的的电势输出(图3)。图4中对水凝胶的抗菌和抗氧化性能进行表征，表明该水凝胶具有广谱的杀菌性能；同时TMB、DPPH•和DCFH-DA等多种表征表明该水凝胶可以有效清除ROS。

图3. a) 自供电可穿戴敷料的分层结构，以及存在温差(ΔT=12 K，模拟体温与外部环境之间的温差)的情况下，基于阴离子和阳离子的热扩散效应的热电产生机制。b) 奈奎斯特散点图，c) 塞贝克系数和d）PAATn的热导率。e) 通过S、σ和κ计算PAATn的ZT值。f) PTEDn的热电势变化曲线，对应ΔT=12 K。g) PTEDn的实时电流密度变化。h) PTEDn的功率密度图。i) ΔT=12 K时PAAT2的实时红外图像。

图4. 经PAATn处理后的a) MRSA和b) E. coli细菌存活率。c) 不同处理后MRSA和E. coli的活/死荧光染色图像(比例尺：20 μm)。d) PAATn释放TA消除细胞内ROS的示意图。e) 在37°C下，TA通过碳化无纺布从PAATn中释放到PBS缓冲液(pH=7.4)中的释放曲线。f) 通过TMB法测试PAATn的OH•消除效率。不同处理后的溶液照片(插图)。g) PAATn对DPPH•的清除率。h) DCFH-DA检测ROS的荧光曲线。i) DCFH-DA染色的不同处理后的L929细胞的荧光图像。比例尺：100 μm。注：*p<0.05、**p<0.01和***p<0.001。

生物材料的生物相容性是影响其在体内实际应用的关键因素。因此，研究者们通过溶血和细胞毒性实验测试了PAAT n的生物相容性。同时，通过体外细胞迁移实验证实了该器件的促进细胞增殖和迁移的效果，并且对TA的细胞水平的抗炎效果进行了表征(图5)。基于该器件优异的体外抗菌及抗氧化活性、稳定的内源性电场重塑、良好的生物相容性和使用便携性，研究者进一步研究了其对体内MRSA感染创面的治疗效果，分析其在促进伤口愈合方面的应用潜力。

图5. a) 用PAATn孵育4 h后红细胞的溶血活性。用PBS和Triton X-100溶液处理的红细胞分别用作阴性对照和阳性对照。b) 用PAATn处理24 h后L929细胞的存活率。PBS处理的L929细胞用作阴性对照。c) 对L929细胞施加不同的电场条件下细胞迁移的图像。d) 不同处理后用SYTO 9和DAPI染色的L929细胞24 h增殖的图像。使用Elisa试剂盒测量释放的促炎细胞因子e) IL-6和f) IL-1β。分别使用经LPS处理和未经LPS处理的细胞作为阳性对照和阴性对照。注：*p<0.05、**p<0.01和***p<0.001。

图6. a) PTEDn在MRSA感染伤口中的应用示意图。b) PTED2的图片以及EEF重塑和TA释放的机制示意图。c) 伤口上PTED2的热成像图。d) 跟踪伤口闭合10天的代表性图像(比例尺：6 mm)，以及e) 伤口愈合过程中伤口区域的尺寸变化图。f) 小鼠伤口部位的热电势监测，并应用g) PTED0和h) PTED2(不同颜色的点表示平行伤口的测试数据)。i) 实时监测PTED2产生的热电势。j) 不同处理后第2天从小鼠伤口组织分离的细菌菌落统计。仅用纱布覆盖的未感染伤口作为阴性对照组，用纱布治疗的MRSA感染小鼠用作阳性对照组。

图7. a) 不同处理后第2天的伤口组织的苏木精-伊红(H&E)染色、Masson染色、IL-6、IL-1β和CD-31免疫染色以及CK-13染色图片。b) 根据小鼠的H&E图像对炎性细胞进行统计分析。c) 通过Masson染色测定的胶原沉积和d) 来自小鼠CD-31图像的微血管密度。

该研究展示了一种通过消除伤口耐药细菌感染、抗炎和修复内源性电场损失的治疗细菌感染伤口的综合疗法。该可穿戴自供电敷料兼具抗菌、抗氧化和产电的功能，有望成为动物和人类创面感染治疗策略的候选材料，在相关生物医学领域具有广阔的应用前景。相关成果以" Skin Temperature-Activated Multifunctional Thermoelectric Dressing for Bacterial Infected Wound Treatment"为题发表于 Advanced Functional Materials上。文章的第一作者为高淑娜，通讯作者为郭江娜副教授和严锋教授。

来源：高分子科学前沿

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