光老化主要是由于长时间、反复暴露于紫外线（UV）辐射下，导致真皮胶原纤维减少、变性以及弹性纤维的异常沉积。这会导致皮肤粗糙、皱纹、毛细血管扩张、色斑、毛孔增大和肤色暗沉。光老化的主要原因是由于紫外线辐射产生的活性氧物种（ROS）。ROS可以激活丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号通路，促进基质金属蛋白酶（MMP）和活化蛋白-1（AP-1）的表达，从而导致I型胶原（COL-1）和III型胶原（COL-3）的降解，以及弹性纤维的破坏。过度暴露于紫外线（UV）辐射是皮肤光老化皱纹形成的主要因素。虽然当前的治疗方法可以减缓光老化的进程，但很难完全逆转这一过程。
来自兰州大学的范增杰等团队
介绍了一种含有镁的双极电极的加仑电池微针（GCMN）贴片。这些贴片通过加仑电池机制运行，产生微电流并通过氧化还原反应释放氢气和镁离子。氢的抗氧化和抗炎特性、微电流诱导的细胞迁移刺激以及镁对血管生成和巨噬细胞M2抗炎极化的促进作用协同工作，以逆转光老化皱纹并使皮肤恢复活力。此外，本研究还探讨了GCMNs如何影响转化生长因子-β/Smad（TGF-β/Smad）通路。这种方法为医学美容领域的研究和开发提供了广阔的前景。相关工作以题为
“Galvanic Cell Bipolar Microneedle Patches for Reversing Photoaging Wrinkles”
的文章发表在2025年03月11日的期刊
《Advanced Materials》。
本文认识到氢和生物电的重要作用，创新性地将加仑电池和微针（MNs）集成到由导电阳极和阴极阵列组成的双极微针贴片中，创造了加仑电池微针（GCMNs）。这些GCMNs能够最小侵入性且无痛地穿透角质层，通过镁和水的反应实现氢和生物电的原位连续产生（图1）。通过利用氢和生物电的协同作用，微针可以有效清除活性氧（ROS）、加速细胞迁移并增强胶原蛋白合成，为修复紫外线辐射损伤的区域创造理想的微观环境，并最终消除光老化皱纹。此外，这种方法的高性价比、优异的生物相容性和用户友好性将克服传统方法的局限性，使其在治疗光老化皮肤损伤方面得到广泛应用。
图1 GCMNs的制备工艺和工作原理
【GCMNs的制备与表征】
GCMNs是使用模板法制备的，其中阴极和阳极通过3D打印的连接器模板互连，形成完整的双极MN结构。其基础的氧化还原反应作为原电池的基础，突出了成功加载镁的重要性。如图2A所示，扫描电子显微镜（SEM）图像展示了MNs的表面形貌。所有MNs都使用相同的模板制作，并排列成11×11的阵列。每个MN的基底直径为200微米，高度为600微米。能谱分析（EDS）映射确认了MNs内镁元素的均匀分布。含有罗丹明（RhB）的MNs的显微镜图像显示了锥形尖端，在阳极处可见明显的镁颗粒。
【GCMNs的机械性能】
在纯PLA MNs中添加PEG旨在减轻脆性和断裂问题。使用万能试验机评估了不同PLA/PEG比例的PLA/PEG MNs的机械性能。测试结果表明，在450微米位移下，所有三种PLA/PEG比例所需的压力均呈现出先增加后减少的趋势（图2D、E）。在测试的比例中，4:1的PLA/PEG MNs表现出最高的机械强度，确保有效穿透皮肤的角质层。这一结果通过石蜡膜穿刺试验和动物穿刺实验得到了验证，在大鼠的皮肤表面观察到均匀分布且大小一致的针孔。应用60分钟后，针孔消失，证实了MNs的非侵入性。
图2 GCMNs的特性和机械性能
【氢气和微电流生成】
已证明镁与水反应生成氢气具有抗氧化性能，且不会干扰正常的代谢氧化或细胞信号传导途径，从而有助于修复光老化皱纹。为了评估阳极的氢气产生情况，本文将阳极MNs浸泡在PBS缓冲液中，并定期捕捉显微镜图像。图3A所示结果表明，氢气释放持续可见长达12小时。本文采用滴定法，通过计算
Mg
2+
的变化来量化累积的氢气释放量，如图3B所示。48小时内累积的氢气释放量达到62.6 mmol，表明开发的MNs具有持久的抗炎潜力。而且，本文观察到镁MNs的累积氢气释放量几乎是元素镁的两倍。这种差异可能是由于元素镁直接与水反应，并在表面形成一层氢氧化镁，从而阻碍了内部镁的进一步反应。
氧化还原反应的发生可以产生微电流，这些微电流具有抗炎特性，并能够增强细胞迁移能力，这对于修复光老化皱纹至关重要。本文进一步使用精确的台式数字万用表，在体内和体外评估了MNs产生微电流的能力。如图3C所示，当MNs浸泡在PBS中时，迅速产生了一个2.68 µA的峰电流，持续时间短暂，随后逐渐随时间下降，持续长达24小时。在图3D中，将MNs插入小鼠背部皮肤后，观察到了一个2.55 µA的峰电流，也逐渐减弱，但持续时间比体外设置更长。这种体内延长的持续时间可以归因于与体外条件相比，体内液体体积较小。由于在任何给定时间内参与反应的液体较少，电流可以维持较长时间，这表明体内电流释放的效果可能超过体外观察到的效果。
图3 GCMNs产生氢气和显著的抗氧化能力
【细胞增殖、迁移和血管生成】
MNs对细胞活力和增殖的影响通过3-[4,5-二甲基噻唑-2-基]-2,5-二苯基四氮唑溴化物（MTT）法进行评估。如图4A所示，所有实验组的细胞存活率在整个实验过程中均持续超过85%，高于对照组。这表明DA-PPy和镁的加入促进了细胞增殖。图4B中的活/死双染色实验结果支持并加强了这一发现，得出了相似的结论。此外，还使用了鬼笔环肽进行细胞骨架染色。图4C清晰地表明，与MNs共培养3天后，细胞骨架形态没有显著差异。具体来说，所有细胞均呈现纺锤形或平星形形态，细胞核结构正常，无染色质凝聚现象。细胞骨架自然伸展，有序且稳定，微管束没有缩短或紊乱，间接表明该材料具有优异的生物相容性。
随后，本文通过划痕实验评估了MNs的细胞迁移能力。与MNs共培养48小时后，Mg MNs组和双极MNs组的伤口闭合率分别达到了49.31±4.44%和38.58±1.24%，分别是对照组的1.44倍和1.84倍。单纯使用ES的细胞结果与Mg MNs组相当，但不如双极MNs组。这表明，尽管ES对细胞迁移有显著影响，但通过与镁离子的协同作用可以增强其效果。图4D、E中的结果强调了ES在促进体外细胞增殖和迁移方面的重要作用，这与现有文献中的发现一致。
