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導(dǎo)     語(yǔ)

可生物降解的壓電器件在瞬時(shí)生物電子學(xué)中具有廣闊前景，四川大學(xué)團(tuán)隊(duì)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(fā)成柔性、生物可吸收的無(wú)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(shí)間并實(shí)現(xiàn)自我降解。這些結(jié)果為壓電生物膜的工程應(yīng)用和瞬時(shí)生物電子學(xué)的發(fā)展提供了可靠方法。相關(guān)研究成果發(fā)表在《Science Advances》期刊上。

1、研究背景

生物可降解器械的降解產(chǎn)物可被人體吸收或通過(guò)代謝過(guò)程排出體外，實(shí)現(xiàn)了植入式/可穿戴式醫(yī)療系統(tǒng)（IWMS）的完全集成，這些系統(tǒng)能夠進(jìn)行無(wú)線監(jiān)測(cè)、診斷和治療，包括動(dòng)脈脈搏感測(cè)、按需疼痛管理和加速傷口愈合過(guò)程。壓電材料的特性使其成為智能醫(yī)療設(shè)備的重要組成部分。然而，目前大多數(shù)壓電材料仍為無(wú)機(jī)體系，缺乏生物降解性，限制了其臨床應(yīng)用。因此，開發(fā)可生物降解的壓電材料和相關(guān)設(shè)備具有重要意義。

近年來(lái)，對(duì)可生物降解的壓電甘氨酸的研究引起了廣泛關(guān)注。雖然β-甘氨酸在環(huán)境中穩(wěn)定性較差，但具有與無(wú)機(jī)PZT相當(dāng)?shù)膲弘娦阅?。然而，現(xiàn)有的制備方法復(fù)雜且難以工業(yè)化。通過(guò)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(yōu)化晶體取向和深入研究γ-甘氨酸晶體的壓電性起源對(duì)于材料合成至關(guān)重要。

為了解決這些問(wèn)題，研究人員提出了一種優(yōu)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(duì)準(zhǔn)的壓電夾層γ-甘氨酸/PVA膜，進(jìn)一步將壓電生物膜發(fā)展成柔性、生物可吸收的無(wú)線壓電超聲電療裝置（b-WPUE）。

2、研究概述

無(wú)線壓電超聲電療裝置設(shè)計(jì)

該裝置由以下部分組成：

· 用于聲-電轉(zhuǎn)換的無(wú)線、無(wú)電池功率采集器：由鉬（Mo）-γ-甘氨酸/PVA膜（直徑10 mm）和兩個(gè)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(lì)下產(chǎn)生振動(dòng)并生成電能。

· 用于電刺激的瞬態(tài)電極：通過(guò)Si PIN二極管整流后，直流（DC）信號(hào)輸送到暴露的Mo電極，該電極由三個(gè)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(shè)計(jì)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(guò)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(shè)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(zhì)和柔性的設(shè)計(jì)使b- WPUE具有較低的模量，確保其在不規(guī)則組織和自然運(yùn)動(dòng)過(guò)程中適當(dāng)變形，最小化對(duì)使用者的刺激或傷害。

b-WPUE的結(jié)構(gòu)層，不同視角的視圖與其隨時(shí)間的降解（圖片來(lái)自論文）

小鼠加速傷口愈合的驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)設(shè)置了四個(gè)不同的組別：[對(duì)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(shí)驗(yàn)條件下。下圖顯示了四組小鼠在不同治療下的愈合進(jìn)展，結(jié)果表明，刺激組的傷口愈合顯著優(yōu)于對(duì)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(dú)使用b- WPUE并不會(huì)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(fù)。綜上所述，三個(gè)比較組在傷口愈合方面無(wú)顯著差異，而刺激組的傷口愈合顯著加速。

不同設(shè)備下小鼠傷口的愈合效果（圖片來(lái)自論文）

通過(guò)Masson三色染色評(píng)估了傷口中膠原蛋白的數(shù)量和質(zhì)量。與其他組相比，使用超聲誘導(dǎo)電刺激的傷口在染色后表現(xiàn)出最對(duì)齊的膠原和最有序的排列。此外，在第6天和第12天，通過(guò)CD31和α-平滑肌肌動(dòng)蛋白（α-SMA）的免疫熒光分析，評(píng)價(jià)了傷口處理后的新血管形成和成熟血管形成情況。結(jié)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(jìn)了血管的形成和皮膚組織的再生。

通過(guò)CD86和CD206的免疫熒光檢測(cè)，評(píng)估了M1和M2巨噬細(xì)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(xiàn)出最少的M1巨噬細(xì)胞和最多的M2巨噬細(xì)胞，表明電刺激可以有效促進(jìn)巨噬細(xì)胞的極化。促炎細(xì)胞因子白細(xì)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(yīng)，降低促炎細(xì)胞因子的表達(dá)，且隨著治療持續(xù)時(shí)間的增加，差異更為顯著。

總的來(lái)說(shuō)，這些發(fā)現(xiàn)表明，在超聲激發(fā)下，b-WPUE具有穩(wěn)定的電輸出，可以促進(jìn)肉芽組織發(fā)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(cè)結(jié)果（圖片來(lái)自論文）

體外和體內(nèi)生物相容性和生物降解性評(píng)估

使用活/死染色和細(xì)胞計(jì)數(shù)試劑盒（CCK-8）測(cè)定來(lái)評(píng)估其對(duì)HaCaT細(xì)胞的細(xì)胞毒性。在HaCaT細(xì)胞與PVA、甘氨酸、γ-甘氨酸/PVA和b-甘氨酸WPUE共孵育72小時(shí)后，大多數(shù)細(xì)胞呈現(xiàn)綠色，表明存活，而只有少數(shù)細(xì)胞呈現(xiàn)紅色，表明死亡，并且細(xì)胞活力超過(guò)90%。此外，從第1天到第3天，細(xì)胞數(shù)量增加了近六倍，CCK-8結(jié)果與活/死染色結(jié)果一致。HaCaT細(xì)胞的正常擴(kuò)散和增殖表明b-WPUE及其組分無(wú)毒，具有良好的生物相容性。

溶血實(shí)驗(yàn)表明，b-WPUE及其組分表現(xiàn)出良好的生物相容性，溶血率低于0.2%，符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO 10993-1994）<5%的標(biāo)準(zhǔn)。體內(nèi)生物可再吸收實(shí)驗(yàn)表明，無(wú)電極的b-WPUE從第1天到第10天逐漸被吸收，顯示出優(yōu)異的生物可降解性。

全血分析表明，在整個(gè)植入期間，所有結(jié)果均保持穩(wěn)定，并在正常范圍內(nèi)，無(wú)任何異常，表明b-WPUE的良好生物相容性和長(zhǎng)期生物安全性。

體外和體內(nèi)生物相容性和生物降解性評(píng)估（圖片來(lái)自論文）

3、研究意義

本研究通過(guò)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?jí)弘姳∧?，該薄膜具有高度晶向取向和?yōu)異的壓電性能。實(shí)驗(yàn)和計(jì)算表明，其壓電性能源于晶向的優(yōu)化和分子間氫鍵作用導(dǎo)致的壓縮/拉伸效應(yīng)。將其集成到b-WPUE中，可用于無(wú)線傷口電療，在臨床前模型中促進(jìn)傷口愈合并在功能壽命結(jié)束時(shí)自行降解。這種高性能、可生物降解的生物膜和超聲設(shè)備為無(wú)線電療提供了新的前景，并在瞬態(tài)生物電子學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生了重大影響。

文章來(lái)源：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn0260