用于加速伤口愈合的柔性抗菌导电水凝胶电子贴片

寺崎研究所的一个团队开发了一种智能柔性电子贴片 (ePatch)。

图片:寺崎研究所

人们可以通过多种方式体验身体创伤——从轻微的擦伤和擦伤到手术、重伤、烧伤和其他重大创伤的影响。这些伤口的愈合过程也因人而异,并且可能受到血管功能不全、糖尿病、肥胖和高龄等潜在健康状况的不利影响。在严重的情况下,异常的伤口愈合过程会导致慢性伤口,这种情况会极大地影响行动能力、生活质量和医疗保健成本。

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正常的伤口愈合过程涉及一系列复杂的四个重叠但不同的步骤。在最初的步骤中,血液中的血小板通过发出蛋白质基质栓的形成信号来控制出血;它们还会产生会收缩血管并将其他类型的细胞动员到该部位的分子。这些额外的细胞会杀死伤口区域的病原体,并引发伤口愈合和血管形成。在后面的步骤中,蛋白质基质、血管生长和连接得到进一步发展,皮肤和其他表面细胞开始迁移到该部位。皮肤和蛋白质基质一起形成肉芽组织来修复和闭合伤口。在最后一步,血管形成逐渐变细,肉芽组织继续发育,直到最终变成疤痕, 报告寺崎研究所.

现有的伤口愈合疗法包括敷料、负压绷带、基于生长因子和抗炎药物、清创术和超声治疗。但即使在最好的条件下,使用这些方法,伤口完全闭合的平均时间也为 12 周。

最近正在探索的一种疗法是电场 (EF) 刺激;这种方法可以加速伤口愈合,而且副作用有限。在伤口部位施用 EF 刺激可激活皮肤和其他肉芽细胞向该部位的迁移,诱导血管形成并控制过度炎症。因此,已经设计出可穿戴的 EF 刺激装置,这些装置已显示出伤口愈合时间的改善。然而,传统电极的笨重和不灵活导致与伤口的构象不相容,这增加了炎症和延长愈合的可能性。这些电极的制造也需要专门的技术。

Terasaki 生物医学创新研究所的一个协作团队开发了一种“智能”柔性电贴片 (ePatch),它完全解决了现有 EF 刺激设备带来的挑战,并提供了许多独特的优势功能。

该团队首先选择了银纳米线作为电极,它不仅具有抗菌性能,而且在应变下也具有高导电性。接下来,他们选择将电极嵌入海藻酸盐中,海藻酸盐是一种凝胶状物质,可保持良好的水分含量和生物相容性,目前用于吸收性手术敷料。

图片:寺崎研究所

通过对海藻酸盐进行化学改性并添加钙,他们能够生产出一种可以提高电极稳定性和功能的材料。通过进一步调整银纳米线/改性海藻酸盐的比例,他们能够获得灵活、可精确印刷的凝胶或生物墨水,从而生产出可定制贴片,以适应各种伤口形状和大小。此外,添加到混合物中的钙会诱导细胞增殖并迁移到伤口部位,从而促进血管形成。

为了制造 e-Patch,将模板层叠在硅胶片上,然后将生物墨水沉积在模板上。在生物墨水凝固后,模板被移除。

TIBI 研究员 Han-Jun Kim 说:“通过仔细选择材料和优化我们的凝胶配方,我们能够开发出一种多功能、易于制作且具有成本效益的电子贴片,这将极大地促进和加速伤口愈合。” ,博士,DVM。

TIBI 团队开发的 e-Patch 的有益品质已通过几组实验得到验证。机械测试表明,e-Patch 的电极稳定性和导电性得到改善,应变测试结果显示出良好的耐受性,达到正常皮肤变形所需的水平。

对在 e-Patch 上培养的细胞进行的测试表明,用 EF 刺激脉冲的 e-Patch 表现出明显更快的细胞增殖、迁移、聚集和排列,以及生长因子分泌增加——所有这些因素都有助于加快伤口愈合。

对有开放性伤口的大鼠进行了动物模型研究,结果表明使用 e-Patch 可显着加速伤口愈合。 EF 刺激的 e-Patch 不仅表现出更快的伤口愈合步骤进展,而且还有一个更具方向性的愈合过程,导致最小的疤痕、正常皮肤层的沉积和伤口闭合后的毛发生长。

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其他实验证实了 e-Patches 中使用的银纳米线电极的抗菌特性,并且该特性被证明与施加的 EF 刺激量无关。

还有其他实验测试了细胞对 e-Patch 硅树脂成分的粘附,发现硅树脂为细胞提供了一个有效的不粘表面。此功能有助于确保减少皮肤损伤和过度疤痕。

“我们的 ePatch 提供了前所未有的最佳功能组合,可加速伤口愈合,”TIBI 董事兼首席执行官 Ali Khademhosseini 博士说。 “这是我们在个性化生物材料平台上所做工作的众多优秀例子之一。”

山姆·德雷珀
2022 年 5 月 9 日

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