以下文章来源于EngineeringForLife ，作者EFL
组织粘合剂和密封剂为创伤提供了更大的便利性和更少的手术并发症，但其粘附性能通常受到湿润的组织表面和外部设备(如紫外线、加热器)的限制。此外，电刺激是一种强有力的伤口护理策略，因为它模仿了内源性电场(E-fields)的自然愈合机制。
基于此，来自韩国成均馆大学的Sang-Woo Kim团队在提出了一种新型生物粘合剂TENG (BA-TENG)，它由柔性和生物相容性TENG组成，通过生物粘合剂层牢固地粘附在湿组织上（图1A）。BA-TENG作为一种急救救援，能够牢固、完整地粘附在急性出血伤口上，快速止血封闭伤口。当超声在皮肤上或皮下驱动时，BA-TENG可以产生强电场，帮助细胞增殖和迁移，加速伤口愈合。
相关研究成果以“Ultrasound-Driven Bioadhesive Triboelectric Nanogenerator for Instant Wound Sealing and Electrically Accelerated Healing in Emergencies”为题于2022年12月27日发表在《Adv. Mater.》上。
1. BA-TENG装置的设计概述
BA-TENG是一种便携式医用贴片，用于实现皮肤或器官急性创面的快速恢复，特别是大出血和大面积创伤的创面。图1A展示了BATENG的总体概念，当皮肤、肠道切口等严重出血损伤发生时，由于其生物黏附特性，BA-TENG可立即实现伤口封闭止血。接下来在BA-TENG上应用超声波允许最上层膜的振动，从而产生一个连续的电场，可以通过加速细胞迁移和增殖来促进伤口愈合过程。
在这项工作中，作者制备了一种基于聚己内酯的聚氨酯(PCL-r-PU)，表现出优异的力学性能，并包括自主功能聚氨酯(−NH−(C=O)−O−)基团，这些基团具有丰富的电子，可以显著影响分子链之间的电子分布。图1B显示了BA-TENG作为单电极模式TENG与生物粘合剂的器件结构:上膜PCL-r-PU作为摩擦电和包封层，聚(3,4-乙烯二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)作为摩擦电电极粘附在PCL-r-PU薄膜上，PAV作为生物粘合剂，Mo作为电极提供湿伤电子场。
2. BA-TENG的超声输出性能
之后，作者研究了高频振动BA-TENG以收集频率为20 kHz和功率密度为1 W cm-2的超声波能量。为了进行表征，BA-TENG被放置在水下，距离直径为3厘米的超声探头5毫米(图2A)。声学和力学的初步模拟表明，超声不能穿过该装置，但可以在上下移动的多种模式下诱导PCL-r-PU薄膜发生微尺度位移(图2B)。利用KPFM测量进一步研究了PCL-r-PU薄膜，通过与PEDOT:PSS电极接触前后表面电位的变化来证明电荷转移能力(图2C)。此外，利用密度泛函理论(DFT)计算，在原子水平上分析了PCL-r-PU的摩擦起电过程(图2D)。
3. BA-TENG的创面闭合及止血控制
接着，作者将BA-TENG应用于湿分离的直径为5 mm缺陷的猪结肠(图3A)。约5 s后，与结肠组织形成保形附着，难以从湿润表面剥离。当接触湿组织时，PAV首先去除界面水，并立即通过水合作用使表面干燥。其次，PAV的NHS酯和羧酸基团分别通过共价交联的酰胺键和物理交联的氢键在组织上形成了强而稳定的粘附(图3B)。通过界面韧性和剪切强度进一步定量评价了生物粘结性能。如图3D和图3E所示，BA-TENG装置具有约150 J m-2的强界面韧性和约40 kPa的抗剪强度。
进一步，作者在出血的肝损伤处按压BA-TENG，评估止血时间和出血量(图3F)。图3G显示，按压约5 s后，伤口没有明显的血液流出，甚至在试图脱离肝脏表面的同时，还牢牢地停留在肝脏上。图3H和3I显示，BA-TENG处理组在约5 s后可诱导伤口快速闭合，显著减少失血。由此，BA-TENG具有良好的生物黏附性能，可快速封闭伤口，有效止血，在紧急情况下具有很高的自助潜力。
4. BA-TENG在大鼠急性损伤治疗中的体内实验研究
然后，作者使用BA-TENG治疗大鼠皮肤切口出血，评估其在急性创面管理方面的表现，包括即时止血控制和超声刺激电加速创面愈合过程(图4A)。将皮肤损伤模拟急性出血伤口，同时将BA-TENG的锯齿状Mo电极简化成一根线连接示波器进行测试，并在超声下显示其输出性能。将BA-TENG直接贴在出血的切口上约(5~10)s, BA-TENG在湿润的组织上有很强的粘附力(图4B)，实现了瞬间的创面封闭和止血控制(视频1)。
在超声刺激(20 kHz, 1.0 W cm-2)下，BA-TENG产生与水下相似的交流输出，电压输出为1.42 V(图4C)，电流输出为22.0 µA(图4D)。基于上述超声刺激电压输出，通过FEM模拟预测BA-TENG可以通过锯齿状Mo电极提供高达0.86 kV m-1的电子场，显示出相当大的伤口愈合潜力。因此，大鼠皮肤损伤被分为四组(n = 3):未治疗(对照组)、缝合、仅使用PAV生物胶粘剂和BA-TENG治疗(图4E)。治疗仅3天，伤口愈合进展有明显差异。结果发现，BA-TENG治疗组的愈合速度最快。体内实验表明，BA-TENG具有瞬间伤口闭合和止血的能力，并能通过超声产生高效的电力供应，加速伤口愈合。
5. BA-TENG电加速伤口愈合的机制
最后，作者进行体外成纤维细胞实验，以更好地了解BA-TENG电加速伤口愈合的机制，通过设计成纤维细胞增殖和迁移的体外试验，研究了产生的电子场作为加速伤口愈合的可能强化的作用。在BA-TENG中，外部底部Mo电极如图5A所示，由两个互补的锯齿状Mo电极组成，其中一个与摩擦导电层PEDOT:PSS电连接。在超声作用下，向接触损伤部位的底部电极之一提供连续稳定的交流输出，并将对应的Mo电极接地到损伤部位;因此，在两个Mo电极之间的区域形成一个交流电子场。通过有限元模拟，分析了电子场的分布规律以及采用锯齿形设计的重要性。
为了证明电子场对细胞迁移的影响，成纤维细胞被培养在三个不同的环境中:1)不加电压的线性电极(对照)，2)有电压的线性电极(线性电极)，3)有电压的锯齿电极(锯齿电极)，用20 kHz交流电压监测培养细胞的迁移情况。结果表明，电极及其模式的存在显著影响细胞行为(图5B)。原始相对创面面积约为31%，但16 h后，由于分层强化效应，锯齿电极组的细胞迁移速度最快，创面覆盖率约为12%，而线性电极组为19%。没有电刺激的对照组相对创面面积最大，约为23%(图5D)。结果表明，电场刺激对细胞迁移有显著影响，其中锯齿状E场的迁移率最高。
综上，本文开发了一种易于使用的BA-TENG，通过即时伤口密封和电场辅助快速伤口愈合来治疗严重急性损伤。与现有的组织粘合剂和密封剂相比，这种BA-TENG在潮湿表面上表现出更快(~5秒)和更强的粘附性和高界面韧性。在超声驱动下，BA-TENG能提供均匀而显著的电场用于电加速伤口愈合，这归因于电场促进细胞增殖和迁移。此外，BA-TENG由生物相容性和可生物降解材料制成，可以安全地应用于活体大鼠，无需二次手术切除。本研究扩展了TENG的应用范围，为便携式医疗设备，特别是在紧急情况下，引入了一个全新的概念。
文章来源：
https://doi.org/10.1002/adma.202209054
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