伤口活性敷料是什么苏大严锋教授团队 AFM：皮肤温度触发的多功能自供电敷料促进伤口愈合

图1示意了热电装置的制备过程及其作为自供能可穿戴敷料在抗菌、抗炎和重塑EEF方面的应用，用于治疗耐药细菌感染的伤口。首先，在紫外光下将丙烯酰胺（AM）、2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸钠（AMPS-Na）及不同浓度（0、1、2 或 4 mg mL−1）的单宁酸（TA）聚合，制备出热电水凝胶PAATn（n = 0、1、2、4）。进一步地，以碳布和碳化无纺布作为集电体制备了PAAT₂，构建出一种用于自供能可穿戴敷料的热电装置PTED₂。该敷料能够利用感染伤口与外界环境之间的温差产生热电电位。

图1. TA负载的热电水凝胶器件(PTED_n)示意图。

热电电位的产生是由于在温度梯度下离子的定向迁移，这一现象被称为Soret效应或热泳。当水凝胶中存在温差时，内部的离子在驱动力作用下从高温区迁移到低温区。这种离子的定向运动主要由热扩散和热力学熵效应驱动。敷料应用于感染伤口后，能够重塑伤口的EEF，促进细胞增殖和迁移，杀灭细菌，抑制炎症反应，加速伤口愈合。

热电水凝胶的制备与表征

图2a展示了PAATn（n = 0、1、2、4）中离子和分子链的示意图，其化学结构通过傅里叶变换红外光谱进行研究。随着水凝胶中TA含量的增加，在769 cm−1处出现并增强了苯环C-H弯曲振动的特征峰。此外，采用扫描电子显微镜（SEM）表征了PAATn的微观结构。水凝胶中丰富的交联微孔有助于水的吸收和运输。加入TA后，由于大量氢键的形成诱导了致密的交联网络，水凝胶的微结构尺寸减小。当水凝胶中TA含量达到4 mg mL−1时，尽管孔径减少（< 20 µm），但仍存在连续孔隙。增加的TA分子可能作为新的交联点，形成致密的交联水凝胶网络。此外，PAAT₂具有粘附性能，有助于促进伤口闭合。

图2. a)水凝胶中离子和分子链的示意图。b) PAAT₂ (甲基橙染色)以不同角度粘附在弯曲的手指关节上以及粘附在c) 扭曲、折叠的猪皮上的照片和从手指上剥离的照片。d) 180°剥离试验，用于测量PAATn与猪皮的界面韧性。PAATn与皮肤之间的剥离粘附能随着TA浓度的增加而增大。e) 猪皮和PAATn之间的搭接剪切强度试验。结果表明，水凝胶对皮肤组织的粘附力随着水凝胶中TA含量的增多而增大。f) PAAT₂在30%和80%RH环境中的失水率。g) PAAT₂在25-37°C下的储能模量G′和损耗模量G′′。h) 拉伸应力-应变曲线和i) PAATn的杨氏模量。

将PAAT₂贴在指关节或猪皮上时，由于TA、Poly-AMPS−和皮肤组织之间形成氢键，在指关节弯曲或猪皮折叠时能够粘附在组织表面（图2b, c）。此外，当从手指上剥离水凝胶时，其粘附性不足以损伤组织。随后将PAATn压缩并粘附在猪皮表皮上，以量化其粘附能。随着TA浓度的增加，PAATn的粘附能增加，这可能是由于TA的负载在皮肤组织中诱导了更多氢键。PAAT₀、PAAT₁、PAAT₂和PAAT₄的剥离粘附能分别为767、872、1106和1732 J m−2（图2d）。此外，图2e结果显示，PAAT₀、PAAT₁、PAAT₂和PAAT₄的搭接拉伸强度分别为3、5、11和28 kPa。这些结果证实了水凝胶粘附于组织和皮肤的能力。

热电性能评估

PAATn是一种可将热能转化为电能的热电水凝胶，被用于构建热电装置。图3a显示了基于阳离子和阴离子在温度差（ΔT）作用下不同热扩散效应的热电装置的层状结构，可用作自供电的可穿戴敷料。热电优值（ZT）反映了热电材料的效率，其由塞贝克系数（S）、离子电导率（σ）和热导率（κ）决定。对合成水凝胶的热电参数（S、σ和κ）进行了研究。图3b中的电化学阻抗谱数据用于计算σ。在25 °C下，随着TA含量的增加，PAATn的σ从11.3 mS cm−1降低至6.1 mS cm−1。此外，利用温度控制装置和电压计测量合成水凝胶的S（图3c）。PAAT₀、PAAT₁、PAAT₂和PAAT₄水凝胶的S值分别为11.31、12.74、12.15和10.46 mV K−1。此外，PAATn的κ通过热扩散系数、比热容和密度（图3d）计算得出，分别为0.13、0.10、0.16和0.30 W m−1 K−1。如图3e所示，得出了合成水凝胶的ZT，其中PAAT2的ZT为2.01。

图3. a) 自供电可穿戴敷料的分层结构，以及存在温差(ΔT=12 K，模拟体温与外部环境之间的温差)的情况下，基于阴离子和阳离子的热扩散效应的热电产生机制。b) 奈奎斯特散点图，c) 塞贝克系数和d）PAAT_n的热导率。e) 通过S、σ和κ计算PAAT_n的ZT值。f) PTED_n的热电势变化曲线，对应ΔT=12 K。g) PTED_n的实时电流密度变化。h) PTED_n的功率密度图。i) ΔT=12 K时PAAT₂的实时红外图像。

观察到的PAATn的塞贝克系数、ZT值及其他参数的变化可归因于氢键形成与TA在水凝胶中迁移的协同效应。TA的加入增加了PAATn中的氢键数量，通常会导致热性能的降低。相反，TA本身的迁移可以增强热性能。最初，随着TA含量的增加，TA的迁移是影响热性能的主要因素。然而，随着TA含量的进一步增加，氢键的形成变得更为显著，并最终主导整体效应。这种变化导致了塞贝克系数、ZT值及其他相关参数的降低。

体外抗菌和抗氧化活性评估

受到TA优异抗菌活性的启发，使用耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）和大肠杆菌（*E. coli*）作为细菌模型来评估PAATn的抗菌活性。如图3a所示，随着水凝胶中TA含量的增加，其抗菌性能提升，因为杀菌活性源于TA。PAAT₂抑制了MRSA的增殖，仅≈4%的MRSA仍然存活。PAAT₄几乎能够100%杀死MRSA菌株。对于PAAT₀，其抗菌性能（细菌存活率：61%）可能归因于PAAT₀的吸附作用和AMPS-Na的碱性。对*E. coli*的实验中观察到类似的杀菌活性，细菌存活率在与PAAT₀、PAAT₁、PAAT₂和PAAT₄共培养后，分别从100%降至63%、18%、11%和2.8%（图4b）。此外，抑菌圈测试显示，随着水凝胶中TA含量的增加，抑菌圈直径逐渐增大，证明了释放的TA在水凝胶中起到了重要的抗菌作用。值得注意的是，对*E. coli*和MRSA的杀菌效果差异可能归因于不同细菌种类细胞壁成分和结构的差异。

图4. 经PAAT_n处理后的a) MRSA和b) E. coli细菌存活率。c) 不同处理后MRSA和E. coli的活/死荧光染色图像(比例尺：20 μm)。d) PAAT_n释放TA消除细胞内ROS的示意图。e) 在37°C下，TA通过碳化无纺布从PAAT_n中释放到PBS缓冲液(pH=7.4)中的释放曲线。f) 通过TMB法测试PAAT_n的OH•消除效率。不同处理后的溶液照片(插图)。g) PAAT_n对DPPH•的清除率。h) DCFH-DA检测ROS的荧光曲线。i) DCFH-DA染色的不同处理后的L929细胞的荧光图像。比例尺：100 μm。注：*p<0.05、**p<0.01和***p<0.001。

体外生物相容性和抗炎效果

PAATn的生物相容性是影响其体内实际应用的关键因素，通过溶血和细胞毒性实验进行评估。如图5a所示，PAAT₀和PAAT₁水凝胶的溶血率约为0%，接近阴性对照组。PAAT₂和PAAT₄的溶血率分别为2.38%和3.41%，仍低于安全临界溶血率（5%），表明所制备的水凝胶不会对红细胞造成显著损害。此外，通过CCK-8法评估水凝胶对哺乳动物细胞的细胞毒性，选用L929细胞作为模型细胞。图5b显示，经过PAAT₀、PAAT₁、PAAT₂和PAAT₄处理后的L929细胞存活率分别为94.35%、86.69%、86.89%和80.57%，表明所合成的水凝胶未引起显著的细胞毒性。

图5. a) 用PAAT_n孵育4 h后红细胞的溶血活性。用PBS和Triton X-100溶液处理的红细胞分别用作阴性对照和阳性对照。b) 用PAAT_n处理24 h后L929细胞的存活率。PBS处理的L929细胞用作阴性对照。c) 对L929细胞施加不同的电场条件下细胞迁移的图像。d) 不同处理后用SYTO 9和DAPI染色的L929细胞24 h增殖的图像。使用Elisa试剂盒测量释放的促炎细胞因子e) IL-6和f) IL-1β。分别使用经LPS处理和未经LPS处理的细胞作为阳性对照和阴性对照。注：*p<0.05、**p<0.01和***p<0.001。

创面体内治疗效果

基于热电器件开发的敷料能够克服传统动力敷料的缺点，如需要外部电源或触发因素、稳定性差、疗效单一等。利用外部环境和创面之间的自然温差产生热电势，并结合抗菌和抗氧化能力，开发的热电敷料有望成为创面电刺激治疗的新型敷料。考虑到PAAT₂优异的体外抗菌活性、抗氧化活性和良好的生物相容性，以及PTED₂持续稳定的电压供应性能，选择PTED₂作为热电敷料对MRSA感染的创面进行体内治疗效果评价（图6a）。如图6b所示，PTED₂重塑创面的电场并释放TA，加速了创面愈合。在应用于创面后，监测了皮肤上水凝胶的温差（图6c），温度随接触时间而变化。将直径为6 mm的MRSA感染全层创面接种107 CFU mL−1的细菌悬液20分钟后，进行不同处理。未感染细菌且覆盖纱布的小鼠作为阴性对照组。正对照组和PAAT₀组在2天后观察到创面有严重的炎症反应和明显的化脓现象（图6d，e）。由于感染严重，这些创面在8天后仍存在明显的疤痕和结痂，残余创面面积分别为原创面的54.22%和56.25%。在阴性对照组中，未观察到感染，创面在前2天愈合较慢，随后愈合加速，8天后创面面积为18.43%，表明愈合良好。PTED₀处理组在创面初期存在一定的炎症反应，但随着电场的重塑和修复，创面愈合情况优于正对照组和PAAT₀组。对于PTED₂处理的感染创面，由于释放的TA的抗菌和抗炎活性及创面电场的重塑和修复，2天后未见明显的炎症和细菌感染。PTED₂组创面逐渐愈合，8天后残余创面面积为13.65%，显著小于其他组，表明PTED₂具有卓越的促进创面愈合作用。

图6. a) PTED_n在MRSA感染伤口中的应用示意图。b) PTED₂的图片以及EEF重塑和TA释放的机制示意图。c) 伤口上PTED₂的热成像图。d) 跟踪伤口闭合10天的代表性图像(比例尺：6 mm)，以及e) 伤口愈合过程中伤口区域的尺寸变化图。f) 小鼠伤口部位的热电势监测，并应用g) PTED₀和h) PTED₂(不同颜色的点表示平行伤口的测试数据)。i) 实时监测PTED₂产生的热电势。j) 不同处理后第2天从小鼠伤口组织分离的细菌菌落统计。仅用纱布覆盖的未感染伤口作为阴性对照组，用纱布治疗的MRSA感染小鼠用作阳性对照组。

为了进一步评估创面愈合过程，对治疗后第2天和第11天的组织切片进行了H&E染色分析。如图7a、b所示，在正对照组、PAAT₀组和PTED₀组中观察到更多的炎症细胞，表明存在显著的炎症反应；而在阴性对照组和PTED₂处理组中观察到的炎症细胞明显减少，尤其是PTED₂处理组，表明PTED₂具有更强的抗炎能力。在第2天和第11天，PTED₂处理组的炎症细胞数量显著减少，且表皮和真皮组织完整，组织结构相对均匀，显示出促进创面愈合的有效性。

此外，通过评估胶原沉积、促炎细胞因子释放、血管生成和表皮形成来分析PTED₂对创面愈合过程的影响。胶原沉积在创面愈合过程中起重要作用，通过Masson三色染色进行研究。染色后，胶原呈现蓝色，而肌纤维呈现红色。如图7a、c所示，在PAAT0组、PTED0组和正对照组中观察到类似的胶原沉积。然而，在PTED₂处理组中，第2天和第11天观察到明显的胶原形成和沉积，提示PTED₂促进了胶原沉积。在创面组织的IL-6和IL-1β染色中，炎症细胞呈红色染色。与其他组相比，PTED₂处理组的红色荧光较少，提示炎症较轻，这与H&E染色的炎症反应趋势一致。

图7. a) 不同处理后第2天的伤口组织的苏木精-伊红(H&E)染色、Masson染色、IL-6、IL-1β和CD-31免疫染色以及CK-13染色图片。b) 根据小鼠的H&E图像对炎性细胞进行统计分析。c) 通过Masson染色测定的胶原沉积和d) 来自小鼠CD-31图像微血管密度。

该研究展示了一种通过消除伤口耐药细菌感染、抗炎和修复内源性电场损失的治疗细菌感染伤口的综合疗法。该可穿戴自供电敷料兼具抗菌、抗氧化和产电的功能，有望成为动物和人类创面感染治疗策略的候选材料，在相关生物医学领域具有广阔的应用前景。

原文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202415085

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