吉林大学卢革宇团队AM：生物电池伤口愈合贴片

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-10-06 07:50

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生物电子贴片为患者伤口愈合提供了舒适且简化的临床操作。目前，它们在与目标细胞和组织建立长期有效的电子界面方面面临着重大挑战，这主要是因为能量输出不一致和高的生物界面阻抗。近期，吉林大学卢革宇教授团队孙鹏教授、贾晓腾副教授等提出了一种高效的电化学刺激伤口愈合贴片。该贴片集成了有效产生和传递刺激的能力。这是通过使用水凝胶生物电子界面作为集成电源（镁电池）的活性成分来实现的。镁电池增强了成纤维细胞的功能（增殖、迁移和生长因子分泌），并通过提供电场和通过化学释放控制细胞微环境的能力，调节了巨噬细胞的表型（促进再生极化和下调促炎细胞因子），从而加速了伤口愈合。这种生物电子贴片通过引导上皮细胞迁移、调节免疫反应和促进血管生成，显示出了有效和加速的伤口愈合的能力。这种新的电化学介导疗法可能为友好伤口管理和细胞电刺激机制的研究提供了新的途径。该工作以“A Mg Battery-Integrated Bioelectronic Patch Provides Eﬃcient Electrochemical Stimulations for Wound Healing”为题发表在《Advanced Materials》上。

该贴片的一个显著优点是它们能够提供稳定、连续的能量供应，并具有出色的生物相容性，以实现在复杂伤口环境中的高效治疗。此外，镁电池放电还提供电化学刺激效果（图1），除了模拟内源性电场外，还通过任何诱导的电化学反应产生的产品，持续调节伤口微环境（例如，局部pH值、离子浓度以及氢气水平）。

图1. 集成了镁电池的生物电子贴片的示意图。 (A)该贴片的设备结构和照片。 (B)在伤口愈合过程中对炎症阶段和增殖阶段的电化学刺激效果。 (C)有效生物-电子界面的集成刺激阴极的设计原理。

该团队通过电化学建模，模拟了耦合电池、直流电源和耦合电池在DMEM电解质中的电场分布,同时体外测试验证了通过电化学刺激可以增加生长因子的水平并有效促进细胞的增殖和迁移，并通过Western blotting确定巨噬细胞中p-ERK1/2、p-Akt和p-PI3k的蛋白表达水平验证了细胞增殖/迁移的机制（图2）。

图2. 电化学刺激调控细胞行为的示意图。

经过14天的电化学刺激后，电池处理的伤口几乎完全恢复（图5）。这些结果证实了在电极-组织界面注入的电荷诱导了单向的细胞迁移，朝向伤口中心，从而沿着电场方向增强了伤口闭合。这表明电化学刺激在加速伤口愈合中起到了积极作用。电化学刺激不仅促进了伤口的重新上皮化，还增强了胶原蛋白的沉积和排列，这对于伤口愈合过程中的组织修复和功能恢复至关重要。