复旦大学丁建东教授AM：皮肤生物材料最新进展！

近日，复旦大学丁建东教授团队系统总结了皮肤相关生物材料在伤口愈合、医学美容、柔性电子及人工智能等领域的最新进展。随着材料科学与医学的深度融合，生物材料已从传统的被动修复功能，发展为能够动态响应皮肤生理需求的智能系统。然而，复杂皮肤微环境的动态调控、材料的生物相容性与功能性之间的平衡、以及从实验室到临床的转化效率，仍是当前面临的主要挑战。相关论文以“Skin Relevant Biomaterials from Wound Healing, Medical Aesthetics, Flexible Electronics to Artificial Intelligence and Beyond”为题，发表在

Advanced Materials

文章指出，天然、合成及复合生物材料在皮肤治疗与相关医疗器械中展现出广泛应用前景。随着人工智能的引入，材料设计正从传统的“试错”模式转向数据驱动的高通量开发，显著提升了材料设计的效率与精准度。此外，对材料与细胞间相互作用的深入理解，进一步推动了皮肤再生与功能恢复的机制研究。

在材料类型方面，天然生物材料如蛋白质、多糖和脂质因其优异的生物相容性和仿生特性，被广泛用于伤口敷料、抗衰老制剂和屏障修复。例如，胶原蛋白和角质蛋白可促进细胞增殖与迁移，而壳聚糖和透明质酸则显示出优异的组织再生与保湿能力。然而，天然材料存在批次差异大、机械性能差等问题。合成生物材料则通过可调控的物理化学性质，实现了药物的可控释放与材料的动态响应。例如，热敏水凝胶可在体温下发生溶胶-凝胶转变，实现药物的持续释放；导电聚合物与纳米材料的结合，则推动了电子皮肤的发展，使其具备感知压力、温度等多重信号的能力。尽管如此，合成材料的生物活性不足和潜在的免疫反应仍是其临床应用的主要障碍。

为克服单一材料的局限性，复合生物材料融合了天然与合成组分的优势，通过仿生结构与功能化设计，实现了对皮肤微环境的多层次模拟。例如，具有“砖-泥”结构的仿贝壳材料兼具高强度与韧性，适用于柔性电子皮肤；而负载抗菌纳米粒子的多孔水凝胶则能在抑制感染的同时促进细胞迁移。智能复合材料更集成了感应、自愈合等功能，为慢性伤口管理和实时健康监测提供了全新解决方案。

在机制研究层面，生物材料通过调控细胞微环境、激活关键信号通路（如TGF-β/Smad、PI3K/Akt等），直接影响细胞迁移、增殖与免疫行为。例如，不同交联密度的水凝胶可引导巨噬细胞向修复型极化，从而调控纤维化与再生之间的平衡。这些发现为下一代智能材料的理性设计提供了理论依据。

人工智能的融入进一步加速了皮肤生物材料的开发进程。机器学习算法能够从高通量实验数据中提取结构-性能关系，预测材料打印性、力学行为乃至免疫调控效果。例如，通过AI辅助设计的离子化脂质纳米颗粒，显著提高了mRNA递送效率；而集成传感与AI决策的电子皮肤系统，则实现了对生理信号的实时分析与反馈，展现出在机器人与远程医疗中的巨大潜力。

展望未来，作者提出六大发展方向：开发新型动态仿生材料、构建响应式精准治疗系统、推动材料与细胞治疗的融合、深化材料生物学机制研究、加强跨学科合作，以及拓展人工智能在材料研发与临床应用中的深度整合。随着材料学、生物学、工程学与临床医学的深度融合，皮肤生物材料有望实现从“替代”到“再生”、从“静态”到“智能”的根本转变，为人类皮肤健康管理带来革命性突破。

图1： 皮肤生物材料的来源与应用示意图，展示了天然、合成与复合材料的分类及其在伤口愈合、组织工程、药物递送、医学美容、传感监测等领域的应用。图中强调了人工智能与生物机制理解在推动下一代材料开发中的核心作用。

图2： 多糖基生物材料用于促进毛发生长的机制图。通过酶控降解葡甘露聚糖获得具有特异性免疫调节功能的六糖片段（OG6），揭示了结构明确的聚糖在调控细胞行为与促进再生方面的潜力。

图3： 可注射热凝胶用于改善皮肤外观的示意图。该聚合物溶液经微针注入真皮层后，在体温下迅速形成物理凝胶，随后在降解过程中持续释放乳酸，刺激纤维细胞活性并促进胶原再生。

图4： 基于纳米材料的抗瘢痕形成策略示意图，展示了纳米材料在预防和减少瘢痕形成中的应用。

图5： 复合生物材料在生物电子设备中的应用示意图。A）展示活体生物电子设备在信息采集、疾病诊断与治疗递送方面的能力；B）揭示了生物电子、水凝胶与细菌在三个维度上的相互作用机制；C）对比了传统生物电子界面与活体集成电子设备在生物电、生物力学与生物源功能方面的整合能力。

图6： 用于伤口愈合的生物材料分类图。A）材料类型；B）关键物理性能；C）材料功能；D）治疗方法。图中系统归纳了各类材料在慢性伤口愈合中的应用及其性能要求。

图7： 用于药物递送的热凝胶系统示意图。该体系利用环境与皮肤之间的温度差形成不对称结构，实现药物在皮肤表面的稳定滞留与加速释放，适用于光动力疗法等局部治疗。

图8： 用于皮肤病治疗的生物材料示意图。A）针对特应性皮炎设计的水凝胶敷料，通过清除活性氧并抑制FAK磷酸化以缓解炎症；B）用于银屑病治疗的阳离子硅颗粒，通过清除细胞游离DNA以抑制局部炎症。

图9： 用于医学美容与化妆品的生物材料示意图。A）聚左旋乳酸微粒作为面部填充剂及其通过异物反应诱导胶原再生的机制；B）基于环保热凝胶的可喷涂智能面膜在首次临床研究中的应用展示。

图10： 用于皮肤传感与监测的生物材料示意图。A）基于拓扑超分子网络的可拉伸有机电子设备，实现与皮肤组织的无缝集成与多模态信号交互；B）基于3D液体二极管概念的透汗可穿戴电子系统，显著提升了设备在出汗条件下的透气性、信号稳定性与佩戴舒适度。

图11： 生物材料与细胞微环境的相互作用示意图。水凝胶交联密度调控巨噬细胞与纤维细胞的行为及其通讯，影响皮肤组织再生结局。

图12： 生物材料激活生物通路的机制图。一种原位自收缩生物活性微胶系统通过激活机械转导与生物化学信号通路，增强糖尿病皮肤伤口的愈合能力。

图13： 纳米图案对细胞黏附与迁移的影响示意图。A）RGD纳米间距对细胞迁移行为的非单调性影响及其与细胞黏附的关系；B）梯度RGD纳米间距诱导内皮细胞与平滑肌细胞的定向迁移与取向行为。

图14： 皮肤生物材料与人工智能的融合示意图。A）组合方法、高通量筛选与AI驱动设计三种材料开发范式的比较；B）基于脂质筛选数据的机器学习算法训练与预测流程示意图。

图15： 人工智能在皮肤生物材料开发中的应用实例。A）基于全打印软体人机交互界面的AI驱动多模态机器人传感系统；B）支持无线测量与智能分析的拉伸式喉部传感平台。

图16： 皮肤生物材料未来研发的六大关键趋势示意图，包括新型材料、智能治疗系统、材料与细胞治疗结合、生物机制研究、跨学科合作与AI应用的深化。

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！