福大杨黄浩教授/张进教授、福医大附一医院吴巧艺主任医师 AFM：氧化应激驱动的多模态抗菌电子皮肤贴片用于慢性伤口实时监测与治疗

2025-02-24 来源：高分子科技

慢性伤口愈合由于高发病率和相关负担已成为一个全球性关注的健康问题，因此促进组织重塑并实现对伤口状态的可视化监测，具有重大意义。传统治疗手段如自体和异体皮肤移植，面临着供体有限以及免疫排斥风险高的困境；临床常用的纱布、绷带等伤口敷料，功能单一，不仅需要频繁消毒与更换，还可能对伤口造成二次伤害。此外，慢性伤口的愈合机制复杂，迫切需要能够精准调控细胞类型与分子机制的新型多功能生物材料。组织工程支架凭借其三维多孔结构，为细胞黏附、增殖、分化提供了良好条件，且具有来源充足、可调节性高等优势；而电刺激也已被证明对伤口愈合过程具有实质性的影响，二者在慢性伤口治疗领域均展现出广阔的应用前景。然而，现有治疗策略在同步实时监测创面愈合状态方面仍存在一定的不足。

鉴于此，福州大学杨黄浩教授、张进教授与福建医科大学第一附属医院吴巧艺主任医师合作，成功研制出一种新型三层结构电子皮肤贴片（TENG-gel）。TENG-gel通过将聚二甲基硅氧烷/聚四氟乙烯薄膜（PDMS/PTFE）、共晶镓铟（E-GaIn）以及季铵盐壳聚糖（QCS）/聚丙烯酰胺（PAAM）/海藻酸钠（SA）@二硫化钼（MoS₂）纳米片复合水凝胶（H_QPS@MoS₂）进行逐层整合，基于摩擦纳米发电机的接触-分离模式，实现了无线自供电功能。TENG-gel具备出色的多模式抗菌性能与炎症控制能力，细菌抑制率高达96.2% ± 1.5%。同时，还能够产生电刺激对伤口微环境进行精细调控，有效刺激细胞活性并推动组织重塑，为加速伤口再生创造有利条件。更为关键的是，温度和应力作为慢性伤口愈合程度的重要评价指标，可基于该电子皮肤贴片在伤口愈合实时监测过程中的电信号变化被间接读取，从而精准反馈伤口愈合的阶段性信息。此外，伤口一旦受到外部环境因素干扰，该皮肤贴片将及时发出警报。总之，这款含有纳米酶的电子皮肤贴片为全球慢性伤口治疗领域的发展注入全新活力，对于医护人员长期高效管理和实时精准监测伤口愈合进程具有重大意义。

该研究近期以“Multi-Modal Antibacterial E-Skin Patch Driven by Oxidative Stress for Real-Time Wound-Status Monitoring and Integrated Treatment of Chronic Wounds”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。

图1. 具有多模态抗菌、无线自供电和实时监测特性的TENG-gel E-skin贴片用于慢性伤口修复

【PDMS/PTFE薄膜的物理和自供电性能】

为生成加速细胞迁移和增殖、促进伤口愈合的内源性电场（EF），研究人员成功制备了一种易于电子转移的PDMS/PTFE复合薄膜。通过调整PDMS/PTFE的重量比为100:1、50:1、10:1和5:1，成功制备了4种性能各异的PDMS/PTFE薄膜。实验结果表明，随着PTFE添加量增加，PDMS/PTFE薄膜疏水性和力学性能提升。当重量比为 10:1时，电输出最佳，综合考虑多种性能，后续实验采用此比例薄膜制备皮肤贴片材料。测试表明，PDMS薄膜的短路电流（I_SC）仅为11.4 nA，而PDMS/PTFE薄膜的输出电流升高了3.8倍（43.1 nA）（图2F），这主要是由于PTFE的强电子亲和力。具体来说，PTFE的螺旋C链骨架完全被F原子覆盖，F原子具有很强的电负性，与金属原子接触时会吸引电子。此外，作为一种有效的摩擦负性材料，在PDMS微结构表面产生微米或亚微米大小的微小PTFE毛刺也有助于增强PDMS/PTFE薄膜的摩擦电效应，显著提高其电输出性能。与纯PDMS薄膜相比，PDMS/PTFE薄膜表现出更好的自供电功能以形成内源性EF，从而加速慢性伤口的愈合。并且，摩擦电材料在不同的外力作用下展现出不同的输出性能，包括开路电压（V_OC）和I_SC。在5 Hz固定频率下，当施加的外力从1 N增加到5 N时，I_SC和V_OC分别从22.4 nA增加到97.5 nA，从1.0 V增加到7.8 V（图2G，H）。图2I，J还显示了PDMS/PTFE薄膜在不同工作频率下输出性能的变化。同样，在固定5 N的作用力大小下，随着工作频率在1~5 Hz范围内的变化，I_SC值也呈现出逐渐增加的趋势，而V_OC值则无显著差异。这是因为工作频率的增加加速了电荷的感应或转移速率，但在外电路内转移的总电荷仍然保持不变。考虑到电输出性能的稳定性是生物电信号、离子转移和细胞增殖的关键因素，将PDMS/PTFE薄膜浸泡在不同的溶液中或将其暴露在空气中长达36天，展现了其电输出性能的稳定可靠性（图2K?N）。

PDMS/PTFE薄膜的摩擦电传感机制依赖接触起电，可以用重叠电子云（OEC）模型解释（图2O）。PDMS/PTFE薄膜（材料A）和E-GaIn（材料B）在原子尺度上接触之前，它们各自的电子云保持独立。电势将电子紧紧地束缚在特定的轨道上以防止电子的转移。当两种材料紧密接触时，它们的电子云重叠并形成键。一旦施加外力（如压力或摩擦力），键长缩短，导致从最初的单势阱过渡到不对称的双势阱。最终，电子云重叠削弱了原子之间的能量屏障，促进了电子从一个原子转移到另一个原子。根据OEC模型，PDMS/PTFE薄膜展现出了作为皮肤贴片自供电材料的巨大潜力。

图2. PDMS/PTFE薄膜的物理特性和电输出性能

【H_QPS@MoS?的物理性能、光热性能、类过氧化物酶（POD）活性及抗菌性能】

二硫化钼（MoS?）纳米片通常展现出卓越的光热性能、导电性能、催化活性以及机械强度。具体而言，MoS?纳米片具有可调节带隙，这使MoS?更适合在生物传感和光学传感等领域应用；此外，MoS?纳米片独特的S-Mo-S层状结构与其催化活性相结合，有助于增强复合水凝胶的抗菌性能；更重要的是，MoS?纳米片在水凝胶中的均匀分布赋予了其足够的机械强度以维持水凝胶结构完整性并使其能够承受周围组织施加的压力，从而提高伤口愈合效率。综上所述，研究人员采用液相剥离法，以L-赖氨酸作为剥离剂合成了MoS?纳米片，将其掺入水凝胶中以实现加速伤口愈合并实时监测电信号的功能。

在808nm（1.5 W cm^?2）的近红外（NIR）照射下，H_QPS@MoS?水凝胶的光热响应显著增强，照射13 min后，H_QPS@MoS?水凝胶的温度升高（ΔT= 15.1°C）比H_QPS水凝胶（ΔT = 0.9°C）高出16倍，光热转换效率为44.38%（图3B）。通过3,3'',5,5''-四甲基联苯胺（TMB）比色法证实MoS?具有类过氧化物酶（POD）催化活性，将H?O?催化生成具有细胞毒性的羟基自由基（?OH）（图3D，E，I）。研究人员利用平板计数法进一步评估H_QPS@MoS?水凝胶的抗菌性能（图3F），相应的定量分析如图3G、H所示。有趣的是，MoS?纳米片的掺入显著增强了抗菌性能，对于H_QPS@MoS?组，大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率分别比H_QPS组提高了1.6倍和1.2倍，这主要归因于MoS?纳米片锋利边缘带来的纳米刀效应。MoS?纳米片超薄和独特的S-Mo-S层状结构使其能够在几秒钟内轻松插入细菌细胞膜中，破坏磷脂双分子层，从而导致细胞内物质泄漏，最终实现抗菌功能。此外，与H_QPS@MoS?组相比，H_QPS@MoS? + H?O?组对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌也表现出增强的抑菌能力。结果充分表明，MoS?纳米片催化低浓度H?O?生成具有强抗菌活性的细胞毒性?OH，从而在一定程度上表现出有效的抑菌行为。MoS?纳米片的锋利程度实际上是一个重要参数，可能会影响其纳米刀效应、催化活性和电刺激行为，并进一步影响皮肤贴片的抗菌和伤口愈合性能。研究人员在后续研究中将全面深入地研究MoS?纳米片锋利程度的变化，以提高TENG-gel的治疗效果，并实现其对不同严重程度组织损伤愈合的广谱适用性。如图3J所示，MoS?纳米片的物理形态和类POD活性在酸性感染部位破坏细菌膜、DNA和蛋白质，最终导致细菌失活。更重要的是，由于光热疗法在细菌附近产生的局部高温，通过诱导蛋白质变性和核酸降解进一步加剧了细菌损伤，从而破坏了细菌生物活性。总之，MoS?纳米片的物理破坏、催化活性和光热效应的协同作用提供了一种高效的抗菌机制，使H_QPS@MoS?水凝胶成为控制慢性伤口感染的有前途的候选材料。

图3. H_QPS@MoS₂水凝胶的物理、光热、类POD活性和抗菌性能的表征

【TENG-gel皮肤贴片的结构稳定性及双温度/应变传感性能】

研究人员结合PDMS/PTFE薄膜和H_QPS@MoS?水凝胶优异的物理、自供电和抗菌性能，开发了一种新型电子皮肤贴片（TENG-gel）以促进慢性伤口愈合并实现实时监测。在PDMS/PTFE薄膜上均匀沉积导电层E-GaIn，为电信号提供传输路径，随后进一步结合负责促进皮肤再生的H_QPS@MoS?水凝胶层（图4A）。值得注意的是，研究人员通过100次扭转、弯曲甚至在水中摇晃等实验均显示出TENG -gel的三层界面的完整结合（图4D?H）。这种界面粘附主要归因于E-GaIn与PDMS/PTFE薄膜或H_QPS@MoS?水凝胶之间形成的金属配位键，实现了各层之间的稳定连接。此外，Ga3?可能与水凝胶表面暴露的大量羧基/羟基交联，主动与水凝胶形成紧密的界面并抑制E-GaIn液滴扩散到水凝胶内部。除了保持三层之间的紧密连接外，H_QPS@MoS?水凝胶通过与多种底物形成丰富的氢键、配位键、共价键以及摩擦力表现出了有效粘附，为电信号传输到伤口提供了可靠的导电途径，有利于促进细胞迁移、加速血管生成和微环境重塑（图4G）。

鉴于慢性伤口复杂的病理生理性质，实时监测伤口愈合以评估健康状况对于制定临床长期管理策略至关重要。温度是伤口愈合过程中的一个关键参数，据报道，伤口愈合炎症阶段的温度变化在38至40°C之间。因此，研究人员设定了一个温度变化范围（35–45°C）来模拟炎症状态，并评估TENG-gel的温度传感性能。通过实时监测不同温度下的电阻变化率，展示了其输出信号的高重复性/稳定性以及及时响应特性，充分证实了其精确的温度传感功能（图4I?L）。电阻率随温度升高而增加，这种现象是由于E-GaIn层中热振动加剧和界面原子碰撞增强，通过增强电子散射和降低载流子迁移率来提高电阻率。在组织修复过程中，外力导致的伤口过度变形容易引发新组织损伤、血管损伤和水肿等并发症，严重影响患者的治疗效果。在此背景下，对伤口进行持续的现场监测并为患者特别是对于感知受损的患者提供过度变形的实时预警和及时治疗是必要的。研究人员在在循环拉伸和释放测试过程中发现，TNEG-gel的相对电阻变化（?R/R?）随施加应变从5%到150%而单调增加（图4M）。值得注意的是，该贴片在5%的小应变下具有高灵敏度、重复性和响应性（0.25 s）（图4N）。这种敏感的应力传感行为无疑归因于中间层E-GaIn。在应变作用下，E-GaIn层变薄并通过增加导电路径和缩短载流子的传输距离，有效地提高了电子传输效率。接着，研究人员将柔性、组织粘附性的TENG-gel贴附在不同的关节表面（食指、手腕等），通过实时变化的电信号来验证其对外力冲击的及时预警能力（图4O，P）。总体而言，这些结果充分证明了所制备的TENG-gel具有无线自供电特性，无需连接外部电源设备即可高效产生连续电信号。与有线供电设备相比，研究人员提出的TENG-gel具有更好的可操作性和便携性，在可穿戴设备、伤口愈合监测和损伤预防等领域具有巨大应用潜力。

图4. TENG-gel皮肤贴片的结构稳定性及温度/应变双传感性能

【TENG诱导的电刺激电刺激对体外细胞迁移和铺展的影响】

研究人员选用小鼠胚胎成纤维（NIH/3T3）细胞进行细胞毒性和细胞活力检测，验证了H_QPS@MoS?水凝胶具有出色的细胞相容性（图5A，E）。细胞划痕实验是模拟伤口愈合过程的代表性体外模型。他们比较了TENG诱导的电刺激（TENG（+））和无刺激（TENG（?））条件下的细胞迁移行为，结果表明电刺激对NIH/3T3细胞的迁移和增殖具有显著影响（图5B，F）。在电刺激下，NIH/3T3细胞的定向迁移产生收缩力使伤口更快闭合。另外，细胞骨架及其结合蛋白是细胞迁移的基础，基于肌动蛋白的微丝决定了细胞的定向运动。如图5C所示，与对照组和TENG（?）组相比，TENG（+）组在两个不同时间点均表现出更丰富的由肌动蛋白聚合形成的片状伪足和丝状伪足（红色箭头），以及更宽且更密集的细胞骨架结构（图5C，G，H）。图5D展示了电刺激诱导三维细胞外基质内的胶原纤维排列为成纤维细胞的形态调整提供接触导向作用。此外，电刺激改变了细胞骨架肌动蛋白的重组，导致伪足形成，并通过在细胞膜周围产生牵引力来促进细胞迁移。其次，电刺激可能通过影响细胞周期、调节离子通道和信号通路（如细胞内钙离子、MAPK/ERK以及PI3K/Akt）来影响细胞的增殖和分化行为。

为了进一步阐明电刺激的潜在作用机制，研究人员对NIH/3T3细胞进行转录组分析以检测TENG（?）组和TENG（+）组间的差异表达基因（DEGs）。使用P≤0.05的阈值和FC≥1.2对数据集进行标准化，随后对处理后的差异表达基因进行层次聚类。主成分分析图和层次聚类树状图表明两组具有不同的基因表达模式（图5I、J）。随后确定了差异表达基因，TENG（+）组显示了1356个基因上调（橙色）和1748个基因下调（蓝色），突出了TENG产生的电刺激在调节细胞行为中起着重要的作用（图5K?M）。值得注意的是，含Mamdc4和Snapc2的上调与细胞信号传导、粘附和细胞周期调节密切相关，为促进细胞增殖和分化奠定了坚实基础。同时，PPI网络图共涉及紧密相连的57个节点和85条边，表明这些靶点可能是电刺激有效诱导成纤维细胞增殖或迁移的核心靶蛋白。此外，功能富集分析为受电刺激影响的分子通路提供了更深入的见解。如图5N所示，电刺激处理影响了11个分子功能、20个生物过程和4个细胞成分。生物过程分析表明这些差异表达基因主要参与细胞过程、生物调节和代谢，直接调节了细胞增殖和迁移。图5O中的KEGG通路分析显示电刺激处理细胞的差异表达基因主要涉及TGF-β、Wnt、MAPK、PI3K-Akt、Hippo、Hedgehog和Toll样受体信号通路，表明电刺激通过激活这些信号通路增强了NIH/3T3细胞的增殖、迁移和细胞骨架铺展，有效调控了动态微环境并加速了伤口愈合。

图5. TENG对细胞活力的影响

【体内皮肤再生性能】

鉴于TENG-gel在体外具有出色的抗菌活性、无线自供电能力和双传感性能，研究人员在小鼠全层皮肤缺损模型（缺损直径为7 mm）中评估其皮肤再生性能。在最初的3天，分别使用对照组、商品敷料组、商品敷料 + NIR组、TENG-gel组和TENG-gel + NIR组进行处理，随后在第0、3、6、9、1和14天观察伤口愈合状态。体内的代表性照片、伤口闭合痕迹和伤口收缩面积（图6A?C）显示，处理3天后，对照组和商品敷料组出现严重炎症和化脓现象。由于一定程度的感染，除TENG-gel + NIR组外，其他组在术后第9天出现明显的疤痕和结痂现象。一方面，由于H_QPS@MoS?水凝胶具有卓越的吸水性能，TENG-gel的内层有效地吸收分泌物，降低局部伤口张力并保持伤口表面干燥。另一方面，PDMS/PTFE薄膜理想的疏水特性使其对任何表面物质的粘附力极低，从而确保了防污性能，有效地保护伤口免受外部污染物的侵害。

在第7天和第14天进一步进行H&E和Masson染色，以评估伤口愈合过程中的组织学变化。肉芽组织由成纤维细胞、巨噬细胞、基质蛋白和新生血管组成，在伤口愈合的早期阶段起着至关重要的保护作用，与周围组织的整合是评估组织再生的关键指标。随着受损组织的大量恢复，第14天TENG-gel组和TENG-gel + NIR组与正常皮肤组织的整合程度最高（图6E，G）。此外，重新上皮化（黄色箭头）作为一种功能性屏障，负责防止伤口感染和水分流失。TENG-gel + NIR组呈现出与正常皮肤非常相似的新形成的表皮。而对照组由于缺乏抗菌成分导致大量中性粒细胞出现，显示出分布不均匀的肥厚性疤痕。更重要的是，TENG-gel + NIR组在第14天新形成的毛囊和皮脂腺的比例比第7天显著增加了1.6倍，展示了其卓越的组织再生能力（图6E，H，I）。真皮中的胶原蛋白沉积在提高组织强度、加速组织重塑以及为细胞增殖创造有利的微环境方面也起着重要作用。Masson染色显示各组之间的胶原蛋白含量存在显著差异。在第14天的TENG-gel + NIR组中显示出更多的胶原蛋白沉积，胶原纤维排列更密集，与对照组相比增加了约2.4倍（图6F，J）。

图6. TENG-gel电子皮肤贴片在体内促进伤口愈合的作用

【体内组织学、免疫组织化学及生物安全性分析】

为了仔细研究伤口部位促炎细胞因子或生长因子的表达水平，研究人员对伤口组织进行了免疫组化分析，进一步探究伤口愈合的潜在机制。值得注意的是，伤口感染的严重程度通常与典型促炎因子如白细胞介素-6（IL-6）和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）水平的升高相关，这些是细菌感染临床诊断的敏感指标。如图7A所示，在对照组的伤口部位可以清楚地观察到大量促炎细胞因子标志物（棕色）。特别是IL-6的表达，第7天时TENG-gel + NIR处理组与对照组相比降低了约8.9倍，这表明所制备的TENG-gel皮肤贴片通过减少感染有效地促进了伤口恢复（图7C，D）。具体而言，在伤口愈合的初始阶段，电刺激激活了ERK/P13K信号通路，促进离子通道上调和Ca2?内流。特别是巨噬细胞中类似TRPV2的Ca2?内流，调节免疫细胞活性并增强细菌吞噬作用，减轻严重炎症。而在随后的增殖阶段，电刺激通过激活ERK1/2/p38丝裂原活化蛋白激酶信号通路进一步抑制IL-6的表达，有助于形成抗炎微环境。

此外，生长因子对促进伤口愈合有很大影响。例如，血小板内皮细胞粘附分子-1（CD31）是一种在早期血管生成中表达的跨膜蛋白，主要用作免疫组化染色标记物（棕色），以证明内皮组织的存在并评估血管生成水平；血管内皮生长因子（VEGF）和转化生长因子-β（TGF-β）分别是具有促进血管生成和诱导细胞外基质形成能力的细胞产生的蛋白质。与对照组的CD31标志物的半定量结果相比，商品敷料 + NIR组和TENG-gel + NIR组的微血管密度显著增加，这表明具有光热疗法特性的TENG-gel通过改善血液循环和缓解局部缺氧促进了伤口部位的微血管生成（图7B，E）。TENG-gel + NIR组的VEGF指标在第7天和第14天分别比对照组高约3.0倍和2.5倍，且TGF-β的表达在第14天的TENG-gel + NIR组中达到峰值，为22.8% ± 1.9%（图7B，F，G）。这些免疫染色结果表明，TENG-gel + NIR组有效上调了对血管生成和组织重建至关重要的生长因子。除了评估伤口愈合效果外，研究人员还对植入样品14天后小鼠的器官（心、肝、脾、肺和肾）进行组织学分析和血液生化指标评估，表明了TENG-gel在体内具有出色的生物相容性（图7H?K）。值得注意的是，由于小鼠和人类之间的生理反应不同，在小鼠模型实验中获得的理想生物安全性结论是否适用于人体，未来需要使用大型动物模型进一步全面研究。

图7. 体内不同组别伤口组织的组织学、免疫组化和生物安全性分析

【体内伤口愈合的实时信号监测与精准反馈】

基于前期大量的体外实验，研究人员已证实TENG-gel皮肤贴片具备精确的温度/应变双传感功能，为后续在动物实验中对伤口愈合过程进行实时监测奠定了坚实的理论基础。图8A展示了小鼠全层皮肤缺损模型中不同伤口愈合阶段的电信号监测时间轴以及伤口微环境的示意图。根据相关文献报道，皮肤伤口愈合过程中的温度波动可分为以下三个阶段（图8B）：第1天至第5天的初始升温阶段（低于39°C），此阶段对应炎症期；第5天至第9天的稳定阶段（39?40°C），反映了血管生成情况；第9天至第14天的降温阶段（约38°C），表明进入组织重塑期。研究人员对TENG-gel在伤口愈合过程中的电输出进行实时监测，结果显示其呈现出与温度趋势相符的三阶段变化（图8C，D）。然而在第三阶段，研究人员观察到与温度变化相反的趋势，第11天电压显著上升至1.38 V，这种电位上升可能归因于温度以外的因素。具体而言，细胞迁移产生的牵引力、伤口愈合过程中的皮肤组织张力以及小鼠活动所产生的外力，在宏观或微观层面共同对电信号输出的放大起到了重要作用（图8E）。总之，这些研究结果表明，伤口愈合过程中的电压变化与温度及机械应力的变化相关，为评估愈合阶段提供了一种直观的方法，从而精准反馈伤口过程中的阶段性信息，有助于临床医生优化治疗策略以加速康复进程。在复杂的组织重建过程中，对组织缺损部位的冲击或摩擦可能会导致新生组织受损、皮下毛细血管破裂、局部充血以及水肿，进而减缓伤口愈合进程。为模拟现实场景，研究人员将意外撞击、水流冲击、极寒和高温环境等外部刺激施加于伤口部位的TENG-gel上，深入分析了这些条件下的电信号变化（图8G?J）。当施加不同刺激时，电信号变化能被迅速读取，这种及时的警报有望指导患者采取适当的防护措施或调整治疗方案。综上所述，TENG-gel电子皮肤贴片在推进伤口修复技术方面迈出了重要一步，同步实现了对伤口愈合进程的加速作用和可视化功能。

图8. TENG-gel皮肤贴片实时监测的体内评价

论文共同第一作者为福州大学化学学院研究生刘婉玲以及福建医科大学第一附属医院研究生叶君成。通讯作者为福州大学化工学院张进教授、化学学院杨黄浩教授，以及福建医科大学第一附属医院吴巧艺主任医师。

该工作得到科技部国家重点研发计划青年科学家项目、新基石研究员项目、中国科协青年人才托举工程、国家自然科学基金、福建省雏鹰计划青年拔尖人才项目、福建省卫健委科技计划医药创新项目、福建省卫生科技项目、福建省泉州市高层次人才创新创业计划等基金的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202424698

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（责任编辑：xu）

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