用于监测伤口愈合的高弹性和应变感应的玉米蛋白静电纺丝纤维

研究背景

最近，人们试图建立智能伤口敷料，以实现现场皮肤伤口传感。导电水凝胶、膜海绵、粗纤维或超细纤维与各种生物标志物 (如 pH 值、温度、尿酸、葡糖等)结合在一起，已被开发出来，以收集伤口状态数据或通过电刺激加速伤口愈合。目前大多数柔性电子器件仅作为伤口敷料，具有皮上或皮下电极或低灵敏度的应变运动跟踪功能。组织工程支架有望模仿ECMs 的物理结构和化学构成，ECMs 主要由胶原蛋白、弹性蛋白和50至500 nm左右的糖蛋白超细纤维组成。因此，基于蛋白质的超细纤维支架因其固有的生物相容性、生物降解性、生物活性、与ECMs 的结构和组成相似，以及高渗透性以促进氧气和营养物质的交换和代谢废物的清除而受到青睐。然而，蛋白质超细纤维智能支架的开发尚未见报道。主要有三个障碍：首先，在宽广的拉伸范围内，预计支架的湿态高弹性特征。尽管来自例如丝纤维素、明胶和玉米蛋白的蛋白质电纺垫是物理或化学交联的并显示出广泛的干态或湿态伸长率(高达 300%)，但这些垫子在湿态下的弹性和应变感应性能还没有得到证明。合成弹性体的混合也可以改善湿态的弹性，但对支架的生物降解性有不利影响。棚架的柔性特点可以保证保形接触，避免对有缺陷的组织造成摩擦或刺伤，而渗透性特点则需要支持细胞的浸润以及营养和代谢物的传输。因此，应避免设计刚性的无机电路和不渗透的电子包装。第三，智能支架中的信号通路必须达到比生理环境的值更高的传导性，并需要在足够长的时间内保持低电阻，以配合组织再生的速度。

研究成果

由于缺乏足够的弹性和应变感应能力,基于蛋白质的超细纤维组织工程支架虽然有利于皮肤修复，但难以实现愈合过程中的现场伤口监测。在此，东华大学蒋秋冉/上海交大崔文国教授等人设计了具有三层结构的高弹性玉米蛋白超细纤维智能支架，用于未包装状态下的运动跟踪。通过引入高活性的环氧树脂有效地建立了密集交联的蛋白质网络，并使纤维基材在湿润状态下具有大范围的伸展性(360%的伸展范围)和超高的弹性(99.91%的恢复率)。在聚多巴胺键合层的帮助下，在蛋白质纤维上建立了银导电传感层，并赋予了支架宽的应变传感范围 (264%)、高的灵敏度 (测量系数高达 210.55)、短的响应时间 (<70 ms)、可靠的循环稳定性和长效性(长达30天)。未包装的智能支架不仅可以支持细胞生长和加速伤口闭合，而且还可以跟踪皮肤和体内的运动，一旦伤口发生过度变形就会触发警报。这些特点不仅证实了这些智能支架在组织重建和伤口监测方面的巨大应用潜力，也证明了采用各种植物蛋白超细纤维作为柔性生物电子器件的可能性。相关研究以“Highly Elastic and Strain Sensing Corn Protein Electrospun Fibers for Monitoring of Wound Healing”为题发表在ACS Nano期刊上。

图文导读

Scheme 1. Schematic illustration of the preparation process of smart scaffolds.

Figure 1. Elasticity and cross-linking degree of the zein fibrous base scaffolds.

Figure 2. Effect of the DA modification duration on the morphology and conductivity of the PDA-coated and Ag-plated ZE/EGDE ultrafine fibrous scaffolds (ZE/EGDE-20-3).

Figure 3. Strain sensing performance of the Ag-PDA-ZE/EGDE smart scaffolds.

Figure 4. In vitro and in vivo motion tracking studies of the smart scaffold.

Figure 5. Effects of degradation on the performances of the smart scaffold.

Figure 6. Cytocompatibility of the smart scaffolds.

Figure 7. Evaluation of in vivo wound healing and histological analysis.

总结与展望

综上所述，为了避免或减少皮肤伤口愈合过程中因过度和急性变形造成的二次伤害，本研究开发了一种具有组织修复和现场伤口运动跟踪功能的玉米蛋白超细纤维智能支架。通过构建高度交联的蛋白质-EGDE网络，该智能支架具有较大的伸展性(360%的伸长率)、良好的弹性(99.91%的恢复率)、可调整的全降解性以及在水相中良好的生物相容性。此外，该智能支架还显示了广泛的应变感应范围(264%)，强大的灵敏度(GF 210.55)快速响应(<70 ms)，高循环稳定性和长效性(长达30天)。所开发的智能支架可以应用于皮肤和体内可靠的应变感应，也能够促进皮肤缺陷的恢复。该工作中的智能支架的成功建立可能会加速智能组织修复的发展，包括智能伤口诊断、智能伤口后监测和病人运动跟踪。建立合理的基于蛋白质的超细纤维的策略可以很好地作为一种通用技术来开发生物医学电子设备的更广泛的应用，例如，在智能电子皮肤，人类运动检测和训练，以及人机互动。

文献链接

Highly Elastic and Strain Sensing Corn Protein Electrospun Fibers for Monitoring of Wound Healing

https://doi.org/10.1021/acsnano.3c03087

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