Nanoenergy and Biosystem Lab
中国科学院北京纳米能源与系统研究所

[Advanced Material] 自供电敷料重塑伤口内源性电场促进创面修复

1、研究背景

据估计,全球每年约有5000万人遭受不同程度的皮肤损伤,其中相当一部分发展为慢性创面或过度增生性瘢痕,是公共卫生领域的重大挑战。负压创面治疗技术(NPWT)是控制急/慢性创面感染的核心技术;但遗憾的是,临床证据显示,NPWT并不能直接促进创面再上皮化的核心步骤-表皮迁移;深刻理解NPWT带来的病理生理变化,研发新的策略,对于急/慢性创面治疗技术的创新发展,显得尤为重要。

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2、文章概述

针对上述问题,中科院北京纳米能源与系统研究所李舟研究员和罗聃研究员联合陆军军医大学第一附属医院(西南医院)整形外科张家平主任,首次发现:传统NPWT使创缘电解质持续流失,导致创面内源性电场衰降,不利于创面再上皮化。有鉴于此,作者将摩擦纳米发电机(TENG)与NPWT相结合,开发出一种基于自供电敷料(EGD)的电场耦合负压一体化治疗新技术。在EGD治疗系统中,间歇负压带来的敷料机械形变驱动TENG产生高压/低电流特性脉冲电,为创面提供稳定和安全的补偿电势,不仅抵消NPWT的副作用,而且重塑和增强创面内源性电场。EGD产生的电场诱发表皮细胞强大的趋电性迁移反应,并且促进巨噬细胞向M2表型转化;采用急/慢性皮肤创面模型证实,EGD显著抑制炎症反应,促使创面更早地进入增殖期;通过诱导表皮细胞增殖和定向迁移,加速创面再上皮化;通过重建有序的细胞外基质和成熟的上皮微结构,提升重塑期新生皮肤愈合质量。EGD有效调控了创面修复的各个重要阶段,在加速创面修复和瘢痕预防方面取得重大突破,显示出诱人的临床转化前景。

该工作亦证明了基于自供电装置的电辅助剂可有效地与传统治疗策略联用,在新型医疗器件的开发上具有巨大前景。相关研究成果以“Reshaping the Endogenous Electric Field to Boost Wound Repair viaElectrogenerative Dressing”为题在线发表于Advanced Materials


3、图文导读

典型的EGD系统由两个核心部件组成:NPWT(包含负压控制装置(NCD)和聚氨酯泡沫敷料)和自供电电刺激系统(包括TENG、整流桥和柔性电极)。其中NCD可以控制间歇负压的模式,从而调控伤口引流所需的负压强度和TENG的工作频率;TENG可以将间歇负压驱动敷料规律形变产生的机械能转化为电能;整流桥可以将TENG产生的交流电转化为单向脉冲电;柔性电极将TENG输出的电信号施加至创面,从而重塑创面内源性电场。EGD系统的结构、原理和性能如图1所示。

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1 EGD-NCD系统的结构和工作原理


作者从创面内源性电场的角度,深入分析了NPWT抑制再上皮化的机制。采用巴马猪模型证实,NPWT的持续引流作用导致创缘电解质流失,创面内源性电场降低至初始值的 ~ 65%EGD可以在创缘形成稳定且安全的补偿电势,抵消NPWT的副作用,增强创面内源性电场,实现持久的生物电场治疗(图2)。

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2 NPWTEGD对创面电势的影响


在体外实验中,EGD产生的稳定电场触发上皮细胞强大的趋电反应,包括抑制钙黏蛋白表达、激活相关通路和促进细胞定向迁移;同时,促进巨噬细胞向M2表型极化,显示其具有加速创面炎症期向增殖期转变的潜力(图3)。

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3体外研究EGDHaCaT细胞和巨噬细胞的影响


通过大动物(巴马猪)实验进一步证实EGD通过重塑创面电场,有效调节了创面修复的各个重要阶段(图4)。EGD通过诱导上皮细胞的定向迁移和增殖,加速创面再上皮化,缩短创面愈合时间;通过重建有序的细胞外基质和成熟的上皮微结构缩短伤口愈合的重塑期。新生皮肤组织在表皮形态、真皮胶原成分和微纳结构上接近正常,具有更高的皮肤质量和强度以抵抗继发性损伤。


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4 EGD对创面修复的治疗效果


4、小结

通过将NPWTTENG整合,所构建的EGD可快速、高效、无创地促进创面修复并减少瘢痕。体外和体内实验证实了EGD疗法在治疗急/慢性皮肤缺损方面优于目前临床广泛应用的NPWT方案。EGD重塑的电场可作为一种“电辅助剂”调节多种细胞功能,以无创的方式调控整个创面愈合过程:它促进了炎症期向增殖期的过渡,在增殖期加速了再上皮化进程,在重塑期重建了高质量的表皮和真皮微结构。EGD不仅显著加速创面闭合,而且使修复的皮肤组织成熟度更高,没有明显瘢痕。更重要的是,将NPWT升级为EGD的费用仅为6.78美元,这使得患者通过可负担的支出可获得更好的预后。EGD的开发也将为自供电刺激医疗器件的发展提供新思路。

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5 EGD对大面积皮肤全层缺损创面的作用及机制

中科院北京纳米能源与系统研究所罗瑞增博士生,陆军军医大学第一附属医院(西南医院)梁懿博士、杨谨瑞博士生为论文共同第一作者;中科院北京纳米能源与系统研究所李舟研究员、罗聃研究员和陆军军医大学第一附属医院(西南医院)张家平主任为论文共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项、北京市自然科学基金和军队医学科技青年培养计划优秀项目的资助。

全文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202208395


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