Advanced Healthcare Materials:加速糖尿病并发症等慢性伤口愈合的柔性超声贴片

近日,清华大学航天航空学院、柔性电子技术研究中心冯雪教授课题组报道了一种可加速糖尿病患者、过度肥胖人群、年老体弱者等慢性伤口愈合的柔性超声贴片。该贴片以柔性材料为基底,采用岛桥结构设计,如创口贴一样,可紧密贴附在皮肤表面,实现对慢性伤口的有效治疗,伤口愈合时间可缩短40%。这对于慢性伤口患者来说,具有很大的应用价值。该工作扩展了柔性声学电子技术在重大疾病治疗中的应用。

糖尿病是威胁人类生命健康的重大疾病之一,解决糖尿病带来的困扰,不仅仅是对血糖的控制,对糖尿病并发症的有效治疗也至关重要。其中,慢性伤口就是一种非常普遍的糖尿病并发症,由于糖尿病患者需要反复的扎手指测血糖,长期的注射胰岛素,更容易导致慢性伤口的形成,有时伤口反复发炎溃烂会造成截肢的严重后果。目前,对于慢性伤口的治疗多以控制炎症反应为主,只是缓解伤口的进一步发展,无法从细胞层面进行修复,伤口愈合显得十分困难。近年来的研究发现,超声波照射可以促进慢性伤口的愈合,但当前的超声器件尺寸大、材质硬、长时间固定困难,并且常常需要液体耦合剂的辅助等,不仅治疗效果不稳定还易诱发伤口的进一步感染。

针对于此问题,冯雪教授课题组设计并制备了一种可加速慢性伤口愈合的柔性超声波贴片,贴片中的压电陶瓷被离散成若干个线性排列的微小单元,通过岛桥结构设计,集成在柔性电路基底上。采用水凝胶薄片作为贴片的封装层和声耦合层,在确保超声波透射的同时避免了液体耦合剂的感染风险。该贴片柔软、轻便,可与皮肤共形贴附,适用于长时间的伤口治疗,解决了当前超声器件尺寸大、材质硬、固定困难、效果不稳定的应用瓶颈。

图2. 柔性超声贴片对慢性伤口的治疗实验

当柔性超声贴片贴附在慢性伤口表面,激励的超声波可促进伤口细胞中Ca2+与CaMKII的结合,进而激发诱导因子Tiam1,诱导因子可促使Rac1-GDP转化为Rac1-GTP。Rac1-GTP为Rac1的活跃状态,可逆转伤口处已经衰老的成纤维细胞,促进成纤维细胞的生长,从而加速慢性伤口的愈合。冯雪课题组研究人员通过免疫组化反应试验(IHC),在经过超声波照射的皮肤样品中检测到了Rac1-GTP的明显增加(图2c),并通过对糖尿病大鼠慢性伤口的治疗实验,证实了柔性超声贴片的有效性(图2d中,1-4为对照组,5-8为实验组),结果显示,伤口愈合时间可缩短40%左右。研究人员表示会进一步推进该研究进展,抓紧开展临床应用试验,争取早日解决慢性伤口给糖尿病患者带来的巨大困扰。

清华大学冯雪课题组长期致力于柔性电子技术研究,研究方向包括柔性芯片、柔性微系统、柔性光电器件、柔性声学器件、柔性生化器件、类皮肤传感器件等,相关成果应用于医疗健康、软体机器人、脑机接口、工业物联网等领域,近年来在Science AdvancesAdvanced MaterialsAdvanced Functional MaterialsJournal of Mechanics and Physics of Solids等期刊中发表了系列论文。该研究工作得到了国家自然科学基金(U20A6001, 11625207 和 11921002)的支持。

论文信息:

Flexible Ultrasonic Patch for Accelerating Chronic Wound Healing

Wenhan Lyu, Yinji Ma, Siyu Chen, Haibo Li, Peng Wang, Ying Chen, Xue Feng*

Advanced Healthcare Materials

DOI: 10.1002/adhm.202100785

原文链接:https://doi.org/10.1002/adhm.202100785