一款自供电的锌单键钚水凝胶CTM蓄电池贴片，用于协同电化学伤口愈合
发布时间：2026-07-20 17:35:09 点击： 次
目前集成伤口监测和电刺激的智能伤口敷料主要依赖由多个传感器和外部电源组成的灵活电子系统。然而，其临床转化受到不稳定能量输出和生物电子设备与生物组织之间高界面阻抗的严重阻碍，这些因素共同破坏了细胞的稳定长期相互作用，并影响治疗效果。本文提出一种基于极简、自供电伤口贴片的新型电治疗策略，将刺激生成与传递统一在单一集成平台中。该系统采用基于Zn
Mo水凝胶的电池（E-PGA），自主提供持续的低压直流电，同时释放生物活性锌离子，从而协同调节伤口微环境。这种双模式作用强效增强成纤维细胞功能——包括增殖、迁移和生长因子分泌——并通过抑制促炎细胞因子（如TNF-α、IL-1β）推动巨噬细胞极化，朝促进再生的表型发展。体内研究显示，伤口闭合加速且稳健，组织再生能力有所改善。通过消除外部电源需求并最小化界面复杂性，该方法为下一代电活性创伤护理提供了可扩展、生物兼容且临床转化的范式。此外，它提供了一个多功能平台，研究电信号调控组织修复过程中细胞行为的基本机制。
皮肤是人体最大的器官，约占总体重的10%，并承担着多种重要的生理功能。它作为防护屏障，抵御有害化学物质、紫外线和致病微生物;合成维生素D;调节体温;并防止过度水分流失[1]。从结构上看，皮肤由三层相互连接的层组成——表皮、真皮和皮下组织，分布从表浅到深层[2]。物理、化学或生物损伤破坏其正常结构和功能可能导致伤口形成。伤口愈合过程通常经历四个重叠阶段：止血（凝血）、炎症、增生和重塑[3]。系统性或局部因素可能扰乱伤口微环境，从而削弱修复级联反应，可能导致愈合延迟或慢性且无法愈合的伤口。传统的创口管理策略——包括清创、抗菌敷料、高压氧治疗和负压伤口治疗——往往无法直接调节伤口部位内源细胞的活性，限制了其疗效和组织再生速度。随着对伤口修复分子和细胞机制的深入理解，治疗重点已从被动干预如清创和局部覆盖转向更为先进、针对微环境的慢性伤口治疗方法。
近年来，电刺激作为物理治疗中积极干预伤口愈合的手段，越来越受到关注。这一方法源自德国生理学家埃米尔·杜波依斯-雷蒙的开创性观察，他首次记录了伤口中存在内源性电流[4]。这些生物电信号来自离子通道、离子泵以及细胞膜中的电耦合细胞间连接处，在协调组织修复过程中的细胞行为中起着关键作用。Ghadamali等人的后续研究表明，急性皮肤伤口中内源性电场（EFs）的强度与伤口表面积呈正相关[5]。越来越多的证据表明，这类EFs有效调节角质细胞、成纤维细胞和内皮细胞的增殖和迁移，从而加速再上皮化、胶原沉积和血管生成[6]。
基于这一生理基础，电刺激疗法通过外部施加电流模拟或放大伤口部位自然产生的电场来发挥作用[7]。在伤口周围施加电刺激不仅能缓解水肿，还能增强趋化性免疫细胞的招募，并引导细胞增殖、迁移和分化。值得注意的是，巨噬细胞、淋巴细胞和中性粒细胞均被证明在内源性EFs的影响下会向伤口迁移[8]。此外，Seren等人报告称经皮电神经刺激（TENS）显著抑制皮肤中促炎细胞因子的表达——包括肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白介素-6（IL-6）和白介素-1β（IL-1β）——从而减轻炎症并缩短整体愈合时间[9]。综合来看，这些发现强调了电刺激调节伤口微环境的多维机制，并凸显了其在再生伤口护理中临床转化的巨大潜力。
柔性电子设备的快速进步为自供电、可穿戴的电刺激贴片铺平了道路，为慢性伤口管理提供了有前景的替代方案。在现有能源中，生物电池因其高能量密度、卓越的电化学稳定性以及与人体组织的固有生物相容性而脱颖而出——在降低免疫风险的同时，确保长时间内稳定的功率输出。这些特性使生物电池特别适合为伤口护理中的长期治疗设备供能。因此，生物电池驱动的电刺激贴片是一种有效策略，旨在克服慢性创伤治疗的现有局限，从而实现更有效且用户友好的治疗方式。一种主流设计范式是将自供电模块直接集成到医疗敷料中，以创建自主电子皮肤系统[10]、[11]、[12]。在此背景下，基于金属的微型电池因其能够通过自发电化学反应产生持续电刺激而备受关注，无需外部电源或控制电路。值得注意的是，镁（Mg）和锌（Zn）等可生物降解金属已被广泛应用于微电池集成敷料的开发[13]、[14]。
甘油酸（GA）是一种天然存在的三萜类皂苷，具有多种药理特性，如抗氧化、抗炎、抗菌和抗病毒活性。尽管有这些益处，其临床效用受限于水溶性有限、口服生物利用度低、高剂量时细胞毒性以及明显溶血活性等因素。因此，将甘草酸整合进水凝胶基质，制成具有更好抗炎能力的水凝胶敷料，是提升伤口愈合效果的有前景策略。本文报告E-PGA的开发，这是一种完全可生物降解、自供电的生物电子贴片，能够无缝整合低压电刺激与内在抗炎治疗。该系统无需外部电源或辅助设备自主运行，在整个愈合过程中提供稳定的低压直流（LVDC），同时消除高压输入带来的热损伤风险[15]。关键是，整个结构具有生理可吸收性：聚L-乳酸（PLLA）纳米纤维支架水解成乳酸，明胶甲基丙烯酰（GelMA）水凝胶基质通过酶促降解为氨基酸和肽，锌（Zn）/钼（Mo）电化学偶对腐蚀成生物相容性副产物，从而免去二次去除程序[16]， [17]。
E-PGA生物电子贴片的制造过程在图1中以示意图示示。该贴片采用同心结构设计，旨在复现伤口内源性电场的空间方向。底层由电纺PLLA纳米纤维膜组成，提供机械支撑并延长功能耐久性。核心内嵌有含GA的GelMA水凝胶基质，内含同心锌和钚电极;该配置产生与自然创伤场对齐的外源电场，同时持续提供LVDC刺激。此外，甘草酸固有的抗炎特性为敷料提供了显著的抗炎功效。进行了全面的体外评估，评估关键标志物的生物相容性、成纤维细胞迁移、血管生成潜能及表达水平——包括I型胶原蛋白（Col I）、CD31和α平滑肌肌动蛋白（α-SMA）——同时也进行了全身皮肤损伤模型的体内研究[18]。结果表明，E-PGA敷料通过模拟内源性电场动态，显著促进成纤维细胞迁移、胶原沉积和新生血管形成，最终加速伤口闭合。综合来看，这些发现凸显了该生物电子贴片在慢性伤口治疗中的巨大转化潜力。
Mo水凝胶的电池（E-PGA），自主提供持续的低压直流电，同时释放生物活性锌离子，从而协同调节伤口微环境。这种双模式作用强效增强成纤维细胞功能——包括增殖、迁移和生长因子分泌——并通过抑制促炎细胞因子（如TNF-α、IL-1β）推动巨噬细胞极化，朝促进再生的表型发展。体内研究显示，伤口闭合加速且稳健，组织再生能力有所改善。通过消除外部电源需求并最小化界面复杂性，该方法为下一代电活性创伤护理提供了可扩展、生物兼容且临床转化的范式。此外，它提供了一个多功能平台，研究电信号调控组织修复过程中细胞行为的基本机制。皮肤是人体最大的器官，约占总体重的10%，并承担着多种重要的生理功能。它作为防护屏障，抵御有害化学物质、紫外线和致病微生物;合成维生素D;调节体温;并防止过度水分流失[1]。从结构上看，皮肤由三层相互连接的层组成——表皮、真皮和皮下组织，分布从表浅到深层[2]。物理、化学或生物损伤破坏其正常结构和功能可能导致伤口形成。伤口愈合过程通常经历四个重叠阶段：止血（凝血）、炎症、增生和重塑[3]。系统性或局部因素可能扰乱伤口微环境，从而削弱修复级联反应，可能导致愈合延迟或慢性且无法愈合的伤口。传统的创口管理策略——包括清创、抗菌敷料、高压氧治疗和负压伤口治疗——往往无法直接调节伤口部位内源细胞的活性，限制了其疗效和组织再生速度。随着对伤口修复分子和细胞机制的深入理解，治疗重点已从被动干预如清创和局部覆盖转向更为先进、针对微环境的慢性伤口治疗方法。
近年来，电刺激作为物理治疗中积极干预伤口愈合的手段，越来越受到关注。这一方法源自德国生理学家埃米尔·杜波依斯-雷蒙的开创性观察，他首次记录了伤口中存在内源性电流[4]。这些生物电信号来自离子通道、离子泵以及细胞膜中的电耦合细胞间连接处，在协调组织修复过程中的细胞行为中起着关键作用。Ghadamali等人的后续研究表明，急性皮肤伤口中内源性电场（EFs）的强度与伤口表面积呈正相关[5]。越来越多的证据表明，这类EFs有效调节角质细胞、成纤维细胞和内皮细胞的增殖和迁移，从而加速再上皮化、胶原沉积和血管生成[6]。
基于这一生理基础，电刺激疗法通过外部施加电流模拟或放大伤口部位自然产生的电场来发挥作用[7]。在伤口周围施加电刺激不仅能缓解水肿，还能增强趋化性免疫细胞的招募，并引导细胞增殖、迁移和分化。值得注意的是，巨噬细胞、淋巴细胞和中性粒细胞均被证明在内源性EFs的影响下会向伤口迁移[8]。此外，Seren等人报告称经皮电神经刺激（TENS）显著抑制皮肤中促炎细胞因子的表达——包括肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白介素-6（IL-6）和白介素-1β（IL-1β）——从而减轻炎症并缩短整体愈合时间[9]。综合来看，这些发现强调了电刺激调节伤口微环境的多维机制，并凸显了其在再生伤口护理中临床转化的巨大潜力。
柔性电子设备的快速进步为自供电、可穿戴的电刺激贴片铺平了道路，为慢性伤口管理提供了有前景的替代方案。在现有能源中，生物电池因其高能量密度、卓越的电化学稳定性以及与人体组织的固有生物相容性而脱颖而出——在降低免疫风险的同时，确保长时间内稳定的功率输出。这些特性使生物电池特别适合为伤口护理中的长期治疗设备供能。因此，生物电池驱动的电刺激贴片是一种有效策略，旨在克服慢性创伤治疗的现有局限，从而实现更有效且用户友好的治疗方式。一种主流设计范式是将自供电模块直接集成到医疗敷料中，以创建自主电子皮肤系统[10]、[11]、[12]。在此背景下，基于金属的微型电池因其能够通过自发电化学反应产生持续电刺激而备受关注，无需外部电源或控制电路。值得注意的是，镁（Mg）和锌（Zn）等可生物降解金属已被广泛应用于微电池集成敷料的开发[13]、[14]。
甘油酸（GA）是一种天然存在的三萜类皂苷，具有多种药理特性，如抗氧化、抗炎、抗菌和抗病毒活性。尽管有这些益处，其临床效用受限于水溶性有限、口服生物利用度低、高剂量时细胞毒性以及明显溶血活性等因素。因此，将甘草酸整合进水凝胶基质，制成具有更好抗炎能力的水凝胶敷料，是提升伤口愈合效果的有前景策略。本文报告E-PGA的开发，这是一种完全可生物降解、自供电的生物电子贴片，能够无缝整合低压电刺激与内在抗炎治疗。该系统无需外部电源或辅助设备自主运行，在整个愈合过程中提供稳定的低压直流（LVDC），同时消除高压输入带来的热损伤风险[15]。关键是，整个结构具有生理可吸收性：聚L-乳酸（PLLA）纳米纤维支架水解成乳酸，明胶甲基丙烯酰（GelMA）水凝胶基质通过酶促降解为氨基酸和肽，锌（Zn）/钼（Mo）电化学偶对腐蚀成生物相容性副产物，从而免去二次去除程序[16]， [17]。
E-PGA生物电子贴片的制造过程在图1中以示意图示示。该贴片采用同心结构设计，旨在复现伤口内源性电场的空间方向。底层由电纺PLLA纳米纤维膜组成，提供机械支撑并延长功能耐久性。核心内嵌有含GA的GelMA水凝胶基质，内含同心锌和钚电极;该配置产生与自然创伤场对齐的外源电场，同时持续提供LVDC刺激。此外，甘草酸固有的抗炎特性为敷料提供了显著的抗炎功效。进行了全面的体外评估，评估关键标志物的生物相容性、成纤维细胞迁移、血管生成潜能及表达水平——包括I型胶原蛋白（Col I）、CD31和α平滑肌肌动蛋白（α-SMA）——同时也进行了全身皮肤损伤模型的体内研究[18]。结果表明，E-PGA敷料通过模拟内源性电场动态，显著促进成纤维细胞迁移、胶原沉积和新生血管形成，最终加速伤口闭合。综合来看，这些发现凸显了该生物电子贴片在慢性伤口治疗中的巨大转化潜力。