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北航常凌乾等《Adv. Mater.》:表贴式生物电子支架 - 增强大创口愈合空间均匀度
2024-08-27  来源:高分子科技

  临床上,当皮肤创面超过6平方厘米时,其修复速度将显著慢于小创口,且易引起并发症,如伤口感染等。传统治疗皮肤创伤的方法,主要基于敷料、表皮移植和细胞外基质支架。这些方法在伤口愈合过程中,主要经历三个关键过程:1)结痂形成,建立止血和防外环境的屏障;2)结痂下的表皮细胞增殖和迁移,导致创面闭合;3)表皮下的成纤维细胞和内皮细胞增殖、迁移和功能化,实现真皮重塑。


  然而,对于大面积创伤,这些方法很难控制这三个过程的转变,尤其是表皮与真皮再生方面,面临着巨大挑战,最终导致再生皮肤在创面处结构紊乱和功能丧失。


  针对这一问题,北京航空航天大学常凌乾联合团队设计了一种表贴式生物电子器件,称为E-TASHI,可以精确控制三个阶段的过渡,为大面积皮肤伤口提供加速和空间均衡愈合。相关成果以“A Degradable Bioelectronic Scaffold for Localized Cell Transfection toward Enhancing Wound Healing in a 3D Space”为题,发表在《Advanced Materials》上。论文通讯作者还包括北京航空航天大学牟玮教授、香港城市大学于欣格教授、中国中医科学院王毅研究员、国家卫生健康委科学技术研究所尹德东研究员。论文第一作者包括博士研究生肖傲蒋欣然,北大第一医院胡永艳博士,香港城市大学李虎博士和焦艳丽


  研究团队设计的可降解-细胞电转生物电子支架(E-TASHI),质量约为8克,由两个功能模块组成:1)质粒电转染模块,该模块携带供电系统,可在短时间(<1分钟)启动脉冲电场,实现伤口边缘细胞电穿孔,并递送质粒(编码促细胞增殖和迁移的基因质粒)进入细胞,促进细胞的快速增值和迁移到支架模块的孔隙内。2)细胞支架模块,由可生物降解的水凝胶组成的多孔状结构,在短时间内可降解为氨基酸为生物体利用。支架的孔状结构类似细胞外基质,为细胞生长和迁移提供微环境和力学支撑。在伤口修复过程中,有利于真皮层细胞在伤口垂直深度内的分布和生长分化,从而实现表皮(平面)和真皮(空间)修复的同步推进,最终创面重建完整皮肤结构,形成的愈合皮肤与健康皮肤高度相似(图1)。



1.E-TASHI器件利用支架和电转染双重功效,实现大创口的空间均衡愈合和修复。


  为了评估E-TASHI在创面的伤口修复能力,研究者们建立了大鼠创伤模型。将E-TASHI植入创面,执行电转染操作。通过检测与创面愈合相关指标在7,1428天的变化,发现细胞数量、血管数量等指标在7天时达到峰值,创面修复进入高峰期;在14天细胞与血管数量减少,创面修复接近尾声,且与健康状态下的细胞与血管数量无显著差距。胶原沉积分数和胶原排列方向也在14天时与健康状态下无显著差异。在28天时创面皮肤切面与健康皮肤高度相似(图2)。



2. E-TASHI治疗大鼠创面,创口处与愈合相关的指标变化。


  最后,研究团队在巴马猪模型上进一步验证了E-TASHI在创面的伤口修复能力。与大鼠创面修复结果类似,E-TASHI28天时创面愈合面积几乎完成,细胞数量、血管数量和胶原沉积分数等指标也与健康组无显著性差异(图3)。



3. 巴马猪创面修复模型,创面修复相关指标变化。


  该电子器件中细胞支架部分在完成细胞增殖和皮肤愈合后,完全降解,无需二次取出;同时,研究团队从大创口中不同层细胞增殖速度不同,导致愈合不均衡这一科学问题出发,设计了原位自供电转染微纳器件,为大创面空间均衡修复提供了一种另辟蹊径的高效修复途径。


  文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202404534

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(责任编辑:xu)
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