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嘉峪檢測網 2024-06-07 09:30
導 語
可生物降解的壓電器件在瞬時生物電子學中具有廣闊前景，四川大學團隊提出了一種基于密度泛函理論的超聲波輔助合成方法，制備出一種γ-甘氨酸/聚乙烯醇（γ-甘氨酸/PVA）壓電薄膜，該薄膜被開發成柔性、生物可吸收的無線壓電超聲電療裝置，在臨床前傷口模型中縮短約40%的傷口愈合時間并實現自我降解。這些結果為壓電生物膜的工程應用和瞬時生物電子學的發展提供了可靠方法。相關研究成果發表在《Science Advances》期刊上。
1、研究背景
生物可降解器械的降解產物可被人體吸收或通過代謝過程排出體外，實現了植入式/可穿戴式醫療系統（IWMS）的完全集成，這些系統能夠進行無線監測、診斷和治療，包括動脈脈搏感測、按需疼痛管理和加速傷口愈合過程。壓電材料的特性使其成為智能醫療設備的重要組成部分。然而，目前大多數壓電材料仍為無機體系，缺乏生物降解性，限制了其臨床應用。因此，開發可生物降解的壓電材料和相關設備具有重要意義。
近年來，對可生物降解的壓電甘氨酸的研究引起了廣泛關注。雖然β-甘氨酸在環境中穩定性較差，但具有與無機PZT相當的壓電性能。然而，現有的制備方法復雜且難以工業化。通過直接固化工藝制備的壓電甘氨酸膜顯示出潛力，但其壓電性仍有提升空間。優化晶體取向和深入研究γ-甘氨酸晶體的壓電性起源對于材料合成至關重要。
為了解決這些問題，研究人員提出了一種優化的材料制備和器件制造策略，制備了一種由PVA層包裹的-β取向的γ-甘氨酸的柔性、可生物降解和高度自對準的壓電夾層γ-甘氨酸/PVA膜，進一步將壓電生物膜發展成柔性、生物可吸收的無線壓電超聲電療裝置（b-WPUE）。
2、研究概述
無線壓電超聲電療裝置設計
該裝置由以下部分組成：
· 用于聲-電轉換的無線、無電池功率采集器：由鉬（Mo）-γ-甘氨酸/PVA膜（直徑10 mm）和兩個封裝在聚乳酸（PLA）膜（厚度50 μm）中的Si PIN二極管組成。壓電活性γ-甘氨酸/聚乙烯醇膜在超聲波激勵下產生振動并生成電能。
· 用于電刺激的瞬態電極：通過Si PIN二極管整流后，直流（DC）信號輸送到暴露的Mo電極，該電極由三個蛇形花狀同心圓組成，寬度為0.5 mm，厚度為50 μm，間距為1 mm。這種設計提供了一定程度的柔性和延展性，確保其能夠舒適地附著在傷口表面。
通過折疊采集器和電極，并使用PVA凝膠固定，最終完成了該裝置。由于其厚度約為270 μm，總重量約為58 mg，該設備具有薄且柔性的布局，使b-WPUE可以自由彎曲并舒適地附著在曲面上。輕質和柔性的設計使b- WPUE具有較低的模量，確保其在不規則組織和自然運動過程中適當變形，最小化對使用者的刺激或傷害。
b-WPUE的結構層，不同視角的視圖與其隨時間的降解（圖片來自論文）
小鼠加速傷口愈合的驗證
實驗設置了四個不同的組別：[對照組、US組、b-WPUE組和b- WPUE + US（刺激）組]，所有小鼠均處于相同的實驗條件下。下圖顯示了四組小鼠在不同治療下的愈合進展，結果表明，刺激組的傷口愈合顯著優于對照組，愈合速度加快約40%。在治療2天后，刺激組的傷口面積顯著減小。此外，b- WPUE組顯示，單獨使用b- WPUE并不會改變傷口愈合的速率。盡管所有組的傷口在15天后基本愈合，但刺激組的傷口在第10天最接近完全恢復。綜上所述，三個比較組在傷口愈合方面無顯著差異，而刺激組的傷口愈合顯著加速。
不同設備下小鼠傷口的愈合效果（圖片來自論文）
通過Masson三色染色評估了傷口中膠原蛋白的數量和質量。與其他組相比，使用超聲誘導電刺激的傷口在染色后表現出最對齊的膠原和最有序的排列。此外，在第6天和第12天，通過CD31和α-平滑肌肌動蛋白（α-SMA）的免疫熒光分析，評價了傷口處理后的新血管形成和成熟血管形成情況。結果表明，刺激組顯示出最高程度的血管生成，表明電刺激促進了血管的形成和皮膚組織的再生。
通過CD86和CD206的免疫熒光檢測，評估了M1和M2巨噬細胞在傷口中的分布。與其他三組相比，刺激組在第6天和第12天表現出最少的M1巨噬細胞和最多的M2巨噬細胞，表明電刺激可以有效促進巨噬細胞的極化。促炎細胞因子白細胞介素-1β（IL-1β）、IL-6和腫瘤壞死因子-α（TNF-α）的免疫熒光染色顯示，電刺激能夠有效減輕炎癥反應，降低促炎細胞因子的表達，且隨著治療持續時間的增加，差異更為顯著。
總的來說，這些發現表明，在超聲激發下，b-WPUE具有穩定的電輸出，可以促進肉芽組織發育、膠原沉積、血管生成和抗炎功能，從而在改善外科傷口愈合中起到重要作用。
小鼠傷口組織的檢測結果（圖片來自論文）
體外和體內生物相容性和生物降解性評估
使用活/死染色和細胞計數試劑盒（CCK-8）測定來評估其對HaCaT細胞的細胞毒性。在HaCaT細胞與PVA、甘氨酸、γ-甘氨酸/PVA和b-甘氨酸WPUE共孵育72小時后，大多數細胞呈現綠色，表明存活，而只有少數細胞呈現紅色，表明死亡，并且細胞活力超過90%。此外，從第1天到第3天，細胞數量增加了近六倍，CCK-8結果與活/死染色結果一致。HaCaT細胞的正常擴散和增殖表明b-WPUE及其組分無毒，具有良好的生物相容性。
溶血實驗表明，b-WPUE及其組分表現出良好的生物相容性，溶血率低于0.2%，符合國際標準化組織（ISO 10993-1994）<5%的標準。體內生物可再吸收實驗表明，無電極的b-WPUE從第1天到第10天逐漸被吸收，顯示出優異的生物可降解性。
全血分析表明，在整個植入期間，所有結果均保持穩定，并在正常范圍內，無任何異常，表明b-WPUE的良好生物相容性和長期生物安全性。
體外和體內生物相容性和生物降解性評估（圖片來自論文）
3、研究意義
本研究通過超聲輔助混合凝固法成功制備了一種柔性、可生物降解的、高壓電性能的γ-甘氨酸/聚乙烯醇壓電薄膜，該薄膜具有高度晶向取向和優異的壓電性能。實驗和計算表明，其壓電性能源于晶向的優化和分子間氫鍵作用導致的壓縮/拉伸效應。將其集成到b-WPUE中，可用于無線傷口電療，在臨床前模型中促進傷口愈合并在功能壽命結束時自行降解。這種高性能、可生物降解的生物膜和超聲設備為無線電療提供了新的前景，并在瞬態生物電子學領域產生了重大影響。
文章來源：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn0260
來源：Internet
