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东华大学游正伟、覃小红/上海市口腔医院潘杰团队《Nano Lett.》:无线远程式电疗策略

日期: 来源:高分子科技收集编辑:老酒高分子
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目前,电刺激作为一种有前景的组织修复手段正在受到越来越多的关注。然而,电刺激设备通常是复杂的并且需要邻近受伤组织,从而对电刺激的临床应用产生限制。为解决上述问题,本工作提出了一种通用策略,通过3D打印全柔性和生物可吸收的摩擦纳米发电机为基础的刺激器(TENG-ST),调制内源性电场,通过无线远程(约44毫米)电疗,促进组织修复,不需要额外的电子设备且具有类似于软组织的力学性能。此外,以皮肤及肌肉损伤模型为例,证实了利用该刺激器构建无线远程电治疗组织的可行性。

组织损伤是一种常见的生理现象。因此,组织或器官的移植对于严重组织损伤后恢复正常生理功能至关重要。然而,在许多损伤或疾病的情况下,刺激内源性组织修复可能是一个有吸引力的选择,因为它比组织或器官移植侵入性更小,也更便宜。此外,内源性电场作为生物电信号传导的基础,在创伤愈合、组织再生和胚胎发育中发挥着重要作用。然而,由于电疗设备的规模和复杂性,患者可能需要住院治疗而医生需要专业的培训,给临床应用带来极大的不便。

在本研究中,作者研究了完全柔性的、生物可吸收的摩擦电纳米发电机(TENG-ST)作为无线远程电疗的可行性。1)无线远程电疗可以释放创面空间,易于与其他临床治疗相结合,可以防止受伤组织可能的二次损伤。2)作者设计并制作了一种完全柔性、可生物吸收的TENG-ST。聚癸二酸甘油酯(Poly(glycerol sebacate),PGS)是一种生物可降解弹性体,具有类似于软组织的仿生模量,并能抵抗体内动态力学环境下的循环变形,被选为TENG-ST的基体。整个TENG-ST具有与人体软组织相匹配的模量。3)电疗可以使用一体式的TENG-ST进行,其设计使用天然组织作为电子组件,不需要外部电源和设备、额外的封装、电线或电极。此外,TENG-ST可以根据人体的自发活动产生电场,而不需要任何电子器件。
 

图1  TENG-STs的组织修复、制造和微观结构示意图。

该工作设计了一种完全柔性的、生物可吸收的摩擦电纳米发电机(TENG-ST),用于促进组织修复(图1A)。使用3D打印墨水制备了TENG-STs,其中包括聚(3,4-乙二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)与PGS基体(PPGS)以及NaCl颗粒(图1B)。用扫描电镜对TENG-STs的微观结构进行了表征。PEDOT:PSS部分暴露,其余部分嵌入PGS基质中。此外,从表面(图1C)、横切面(图1D)和纵切面(图1E)可以明显看出TENG-STs的分层结构。主要的多层结构(如拱形和空心圆柱体)和次要的纤维单元的图案排列是使用3D打印模型定制的。此外,三级结构由浸出NaCl颗粒形成的细丝中相互连通的微孔组成,这是保证TENG-STs整体功能正常的基础。
 

图2 TENG-STs的工作原理和性能。

如图2A所示,TENG-STs的工作原理是通过压缩变形实现的,压缩变形导致PGS与PEDOT:PSS接触分离。当微孔被压缩时,表面暴露的PEDOT:PSS与PGS基体接触,由于其捕获电子的能力较弱,而带正电荷。同样,PGS基质带上负电荷。此外,由于微孔具有良好的弹性,在力去除后,微孔逐渐恢复到原来的形状。PEDOT:PSS与组织接触时仍然携带正电荷,这导致阴离子在组织中积累,以平衡电位。同时,组织中的阳离子向远端移动,形成双电层。当微孔恢复原状时,PGS基体与PEDOT:PSS之间的分离距离达到最大,电荷达到平衡状态。然而,当微孔被重新压缩时,产生了一个相反方向的瞬时电流来平衡电位。

图2F比较了综合TENG-STs与软组织的模量。用PGS、1 wt%、5 wt%和10 wt% PPGS制备的TENG-STs的弹性模量分别为77.2±5.1 kPa、82.8±7.8 kPa、173±33 kPa和242±22 kPa。此外,这些值与皮肤(420-750 kPa)和肌肉组织(约170 kPa)等人体软组织的模量相似,可以避免植入后对周围组织的损伤。

TENG-STs在脂肪酶的作用下,9 h后的质量损失达到94.99±1.56%。酶降解过程中的电学输出性能如图2J所示。随着TENG-ST的质量损失,输出电压稳定下降。当质量损失达到60%左右时,TENG-ST仍有0.45V的峰值电压。
 

图3 TENG-STs在大鼠全层皮肤缺损模型中的应用。


建立大鼠全层缺损模型,验证无线远程电疗策略。正如预期的那样,用TENG-STs治疗的伤口在任何时候都比对照组愈合得更好。此外,三组之间也存在明显差异。创面面积定量分析显示,3天后,近端创面显著缩小至初始尺寸的51.30±3.14%,远端创面和对照组分别为22.71±7.87%和5.21±3.81%(图3C)。此外,创面近端组(885%)和远端组(336%)在第3天的修复效率显著高于对照组(100%)(图3D)。这里的修复效率是指实验组(伤口近端组和伤口远端组)相比对照组的修复效率提高的百分比。

血管生成、再上皮化和胶原合成在皮肤伤口愈合中发挥重要作用。作者使用血管化标记因子CD31和α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA)进行免疫荧光表征,以进一步监测伤口愈合过程中的新生血管。此外,采用组织化学荧光标记检测创面周围的新血管,进一步评价结合TENG-STs电疗对创面愈合的影响(图3H)。此外,与其他组相比,创面近端组新组织中α-SMA和CD31表达增加(图3I和3J),表明电刺激可以通过促进血管生成加速创面闭合。

该研究成果“Nonadjacent Wireless Electrotherapy for Tissue Repair by a 3D-Printed Bioresorbable Fully Soft Triboelectric Nanogenerator”近期发表在Nano Letters上,东华大学博士生罗彬和上海口腔医院周强强为论文共同第一作者,通讯作者为东华大学材料学院游正伟教授、东华大学纺织学院覃小红教授及上海市口腔医院潘杰


原文链接:

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c00300


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