用于伤口愈合监测的高弹传感玉米蛋白电纺纤维

以下文章来源于高分子科学前沿 ，作者高分子科学前沿

突发或渐进式伤口过量变形会引起继发性损伤，如若发现不及时可能引起感染等伤口恶化情况，甚至造成死亡。在此，东华大学蒋秋冉团队探讨了一种能够实现组织修复与原位应变监控功能一体化的伤口修复监测技术。该团队通过将对活泼氢具有高反应活性的乙二醇二缩水甘油醚（EGDE）和富有活泼氢结构的玉米醇溶蛋白（ZE）结合，赋予蛋白超细纤维基底高弹特性，并在保留超细纤维结构的基础上，于纤维表面建立结合层和传感层，最终实现无封装结构传感支架的创制。该传感支架具有与天然细胞外基质相似的化学组成与结构，超细纤维结构在无封装设计下得以保留，实现支架可渗透性，从而促进组织修复，同时该支架可实现宽幅、高灵敏、快速响应、稳定长效的创口应变监测，提供伤口的修复监测与预警，从而有效降低继发性损伤带来的二次伤害。本研究所建立的蛋白传感支架构筑技术具有更广阔的应用潜力，可用于开发其他对生物相适性具有要求的蛋白超细纤维电子器件，如智能电子皮肤、运动监测与训练器件、人机交互部件等。该论文以“Highly Elastic and Strain Sensing Corn Protein Electrospun Fibers for Monitoring of Wound Healing”为题发表在ACS Nano期刊上。

传感支架的设计与制备

该研究利用高反应活性的EGDE对富有活泼氢的ZE进行改性，通过调控复合比例、纺丝液浓度与处理参数，建立高度交联蛋白网络，而后在蛋白超细纤维表面聚合多巴胺（DA），通过调控处理时间，形成不同结构聚多巴胺（PDA）结合层，用于固定后续原位还原的银（Ag）传感层，并维持还原性微环境，减弱传感层的氧化，实现传感稳定性（图1）。

图1 传感支架设计与制备

图2 玉米蛋白纤维基底的弹性与交联度

改性后的蛋白超细纤维基底，形成稳定的高交联网络，可在生理盐水中维持稳定的形态，基底的湿态拉伸强度和模量分别为1.93 MPa和250.66KPa，伸长率可达360%。由图2可见在200%变形后可快速恢复原形态。进一步研究发现，PDA结合层的构建可显著提升支架的导电性能，这是因为PDA具有黏附性，同时为纤维提供了更粗糙的表面，有利于更多的Ag沉积在纤维表面。此外，随着PDA含量的增加，还原效果增强，原位生成的Ag可作为催化中心进一步生长。

传感支架应变传感性能及体外运动检测性能

随后，本研究进而探索传感支架在PBS中不同模式下的应变传感性能。在单轴拉伸的情况下，支架的相对电阻变化（ΔR/R0）呈指数级上升趋势（图3a），并具有宽幅响应特性（最高264%），这主要是因为拉伸过程中基底纤维取向变化与纤维表面导电层裂纹衍生行为的协同作用（图3b）。支架工作范围和灵敏度可通过DA处理时间的调控，主要原因是不同处理时长形成的PDA结合层结构不同，从而影响导电通路的连通性（图3ac）。此外该类传感支架还具有较高的灵敏度（<70ms, 图3d）、稳定的信号输出（图3e）、长效的服务期（>30天），以及对弯曲及弯曲方向监测的功能（图3fg）。

图3 传感支架的应变传感性能

本研究所构建的传感支架可以监测手指、手腕和肘部在不同弯曲度（30°至90°）下的周期性变化，并提供同步、稳定和重复性高的信号（ΔR/R0）（图3a-c）。值得注意的是，传感支架的信号强度（90%-350%）约是多数应变传感器报告强度的100倍（通常在0.2%至60%）。为了验证传感支架对伤口形变的监测能力，本研究探索了植入大鼠背部的传感支架对静息和规律应变刺激下的监控行为（图4d）。植入第1天和第14天，大鼠静止时可监测出由呼吸等行为引起的微弱信号（约10%），而外部应变刺激下，信号强度显著提升。监测信号在14天内保持稳定，证明了该种传感支架在组织修复期可长期稳定监测形变的应用潜力。

图4 应变传感支架的体内外运动跟踪研究与过度形变预警

传感支架在伤口愈合中的应用

传感支架除了可以监测伤口状态外，还具有加速皮肤组织重建的作用。相比于医用纱布敷料，传感支架辅助组的伤口闭合率显然更高，可与商用银离子敷料相媲美 (图5)。传感支架组的伤口闭合率在修复3天和7天后比纱布组分别高8.96% 和13.94%。在第14天后，传感支架组可以实现86.32%的闭合率，同时可观察到大量的毛囊。此外，传感支架上的导电层可以作为脉冲电流的路径施加电刺激，具有进一步加速伤口愈合的潜在功能。

图5 应变传感支架的伤口愈合评估和组织学分析

人物简介：

通讯作者：蒋秋冉，东华大学纺织学院高技术纺织品系，副教授，浦江学者，中国纺织工程学会、中国纺织工业联合会、中国产业用纺织品行业协会会员，任《现代纺织技术》青年编委。主持包括国家自然科学基金（青年基金）、教育部留学回国人员科研启动基金、浦江人才计划等项目。主要研究微纳米功能纺织材料，获得中国循环经济协会科学技术奖、中国纺织工业联合会科学技术奖、中国商业联合会科学技术奖，在包括Trends Biotechnol., Acta Biomater., Nanoscale, Sep. Purif. Technol., Compos. Pt. B-Eng., Compos. Sci. Technol., Macromolecules等期刊上，发表SCI论文55篇，总引用2001次，单篇最高引用367次，参与撰写1部英文专著。

联系邮箱：jj@dhu.edu.cn

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