一种用于加速伤口愈合的热激活力电协同敷料及制备方法
阅读说明：本技术 一种用于加速伤口愈合的热激活力电协同敷料及制备方法 (Heat-activation-electricity cooperative dressing for accelerating wound healing and preparation method thereof ) 是由 姚光 尹晨晖 莫小艺 娄文豪 黄思荣 毛琳娜 潘泰松 高敏 林媛 于 2021-09-15 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种用于加速伤口愈合的热激活力电协同敷料及制备方法,属于生物材料技术领域。该敷料选用相变温度低于人体体表温度的形状记忆合金超结构作为敷料骨架,同时与静电驻极体相结合,通过力电协同多场刺激,可有效促进纤维细胞生长因子、转化生长因子、血管内皮生长因子等相关典型生长因子的分泌,同时静电驻极体提供的静电场可以杀菌,从而调节创面微环境,促进创面闭合、代谢,抑制结痂形成,实现了体温下力电协同加速伤口愈合的功能。(The invention provides a thermal-activation electric synergistic dressing for accelerating wound healing and a preparation method thereof, belonging to the technical field of biological materials. The dressing adopts a shape memory alloy superstructure with the phase transition temperature lower than the body surface temperature of a human body as a dressing framework, is combined with the electrostatic electret, can effectively promote the secretion of relevant typical growth factors such as fibroblast growth factors, transforming growth factors, vascular endothelial growth factors and the like through the force-electricity synergistic multi-field stimulation, and can sterilize by the electrostatic field provided by the electrostatic electret, thereby regulating the microenvironment of the wound surface, promoting the closure and metabolism of the wound surface, inhibiting the formation of scabs, and realizing the function of accelerating the healing of the wound under the body temperature through the force-electricity synergistic action.)
技术领域
本发明属于生物材料技术领域，具体涉及一种用于加速伤口愈合的热激活力电协同敷料及其制备方法。
背景技术
皮肤创口是由极端外部因素导致的组织完整性被破坏的结果，目前已经成为公共卫生中的一个重要问题。随着现代生物医学技术的巨大进步，基于药物(炎症抑制药物、生长因子介导等)和非药理性创口治疗策略(例如创口敷料、加压绷带、负压疗法、电刺激治疗等)均得到了快速发展。目前主流的创口愈合方案是以药理治疗为主，采用涂抹的方式进行治疗，但是药理性疗方式有着药物快速降解和活性容易丧失的问题。对于非药理性创口治疗策略，尽管加压绷带、负压疗法、电刺激治疗等大多数非侵入性物理干预治疗策略是创口护理中有吸引力的治疗手段，但其设备操作和刺激实施的复杂性极大地限制了临床应用。创口敷料因其使用方便，是目前处理创口的常见方式。
在基于力电干预的非侵入性物理治疗方面，有研究表明，电刺激能够模拟内源性电场的自然创口愈合机制进而促进皮肤生长，而机械加压调节能够调控创口愈合方向并促进血管再生。如：Long等人制备了运动能量驱动供电的电场刺激绷带，电刺激能够模拟内源性电场，促进成纤维细胞的迁移、增殖和分化，从而促进大鼠皮肤创面的愈合[1]。Zhu等人基于压电材料PVDF制备了运动驱动的可穿戴器件，电刺激可以促进增强关键生长因子的表达，进而有效地促进胶原蛋白的沉积、血管生成和体内上皮再生[2]。Boeno等的研究工作表明低频物理电刺激能促进创伤部位胶原纤维的增加，加速大鼠跟腱损伤的愈合[3,4]。Willett等通过在细胞外基质加载机械压力，实现了加速血管化过程的验证[5]。Mooney等制备了贴附式自收缩创口活性敷料，以施加足够的收缩力来促进肉芽组织的生长，实现创口的主动闭合[5]。但目前现有技术均是采用单一的力干预或电干预的物理治疗，并没有力电协同刺激促进伤口愈合的方案。
因此，如何通过力电协同，多场刺激，设计一款用于创口有序高效愈合的敷料成为了亟待解决的问题。
[1]Y.Long,H.Wei,J.Li,et al.Effective wound healing enabled bydiscrete alternative electric fields from wearable nanogenerators.ACS Nano,2018,12,12533-40.
[2]S.Du,N.Zhou,Y.Gao,et al.Bioinspired hybrid patches with self-adhesive hydrogel and piezoelectric nanogenerator for promoting skin woundhealing.Nano Research,2020,13,2525-2533.
[3]X,Xu,H.Zhang,Y.Yan,et al.Effects of electrical stimulation on skinsurface.Acta Mech.Sin,2021,1-29.
[4]M.A.Ruehle,E.A.Eastburn,S.A.Labelle,et al.Extracellular matrixcompression temporally regulates microvascular angiogenesis.Sci.Adv.,2020,6,eabb6351.
[5]S.O.Blacklow,J.Li,B.Freedman,et al.Bioinspired mechanically activeadhesive dressings to accelerate wound closure.Sci.Adv.,2019,5,eaaw3963.
发明内容
针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于加速伤口愈合的热激活力电协同敷料及制备方法。该敷料选用相变温度低于人体体表温度的形状记忆合金超结构作为敷料骨架，同时与静电驻极体相结合，实现了在体温下产生力电协同刺激，从而加速伤口愈合。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种用于加速伤口愈合的热激活力电协同敷料，包括柔性材料、力学超结构网格骨架层、和静电驻极体薄膜；
所述力学超结构网格骨架层包括图案区和位于图案区中心的空白区，所述图案区由单元结构周期性平铺设置，用于提供力场，所述单元结构为具有负泊松比的封闭、对称且镂空的图形；
所述柔性材料附着于力学超结构网格骨架上和空白区，用于避免形状超结构网格骨架直接与人体皮肤接触导致过敏；同时力学超结构网格骨架图形的镂空区域不设置柔性材料，用于皮肤透气；
所述静电驻极体薄膜设置于空白区的柔性材料表面，包括分离的正极和负极，正极为圆环，负极设置于正极圆环的中心，所述正极和负极之间的面积应完全覆盖伤口区域面积，用于对伤口提供电刺激。
进一步地，所述力学超结构网格骨架材料为形状记忆合金，所述形状记忆合金的相变温度低于人体体表温度；所述柔性材料为Ecoflex材料、PDMS或水凝胶；所述静电驻极体薄膜的材料优选为聚四氟乙烯。
进一步地，所述力学超结构网格骨架的厚度为100μm；所述形状记忆合金优选为镍钛合金。
进一步地，所述单元结构的图形包括轴对称或旋转对称。
进一步地，所述轴对称的单元结构具体为两个横向M的开口相连接得到；所述旋转对称的单元结构由基础图形首尾连接得到的环状结构，所述基础图形呈类S状，由三段直线和两端圆弧交替连接构成，直线与圆弧相切。
进一步地，所述负极区域的尺寸应等于创口尺寸的1/2，使能够产生足够的电场。
一种用于加速伤口愈合的热激活力电协同敷料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1.采用激光切割形状记忆合金制备力学超结构网格骨架；
步骤2.采用激光切割静电驻极体薄膜，得到圆环状正极和位于正极中心的负极，所述静电驻极体薄膜经过高压电的极化处理后得到的；
步骤3.配制柔性材料溶液；
步骤4.将步骤1得到的力学超结构网格骨架浸泡于步骤3得到的柔性材料溶液中一段时间，然后取出烘干；
步骤5.多次重复进行步骤4的浸泡和烘干，直至力学超结构网格骨架上完全被柔性材料包覆；
步骤6.在步骤5制备的力学超结构网格骨架的中心空白区涂覆一层柔性薄膜，然后将步骤2得到的静电驻极体薄膜的正极和负极贴覆于中心空白区的柔性薄膜表面，即可得到所需的热激活力电协同敷料。
上述热激活力电协同敷料应用时，先在室温下拉伸敷料，敷料表现为随着拉伸张开；当将敷料贴附在伤口上，敷料表现为逐步恢复初始形状，进而对伤口边沿产生力场作用，同时静电驻极体薄膜对伤口产生电刺激。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.当力场方向与伤口边沿方向垂直时，力场对伤口愈合加速的效果最好，为针对线性伤口和圆形伤口所需要的不同力场分布。本发明力电协同敷料采用将记忆合金加工为记忆合金骨架，由于形状记忆合金在高于相变的温度的情况下会恢复原来的形状，在拉伸后，贴附在皮肤的表面会产生收缩，实现了体温下敷料的单轴或多轴应变可控；同时，将静电驻极体薄膜设计为分离的正极区域和负极区域，实现了永电驻极体电场方向的可控，通过增强内生电场来促进愈合过程。
2.本发明提供的力电协同多场刺激一体化敷料，可有效促进纤维细胞生长因子、转化生长因子、血管内皮生长因子等相关典型生长因子的分泌，静电驻极体提供的静电场可以杀菌从而调节创面微环境，促进创面闭合、代谢，抑制结痂形成。
附图说明
图1为本发明力电协同敷料的结构示意图。
图2为本发明力电协同敷料的力学超结构网格骨架的基本单元结构及不同参数条件下的力学超结构网格骨架示意图。
图3为本发明力电协同敷料的静电驻极体薄膜结构图及安装示意图。
图4为当α分别取50°、60°和70°时，在不同温度下，不同拉伸距离，XY两个方向上SMA-L产生的拉力图。
图5为当β分别取110°、120°和130°时，在不同温度下，不同拉伸距离，XY两个方向上SMA-C产生的拉力图。
图6为当α分别取50°、60°和70°时，在35℃时XY两个方向上SMA-L的收缩力图。
图7为当β分别取110°、120°和130°时，在35℃时XY两个方向上SMA-C的收缩力图。
图8为本发明静电驻极体薄膜的有限元电场分布图。
图9为针对线性伤口使用不同敷料进行处理的四组实验结果图。
图10为针对圆形伤口使用不同敷料进行处理的四组实验结果图。
图11敷料干预第8天，圆形伤口愈合对照实验创口皮肤H&E染色切片对照。
图12敷料干预第8天，圆形伤口愈合对照实验创口皮肤关键生长因子分布。
图13敷料干预第8天，圆形伤口愈合对照实验创口皮肤积分光密度(IOD)曲线分析。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
一种用于加速伤口愈合的热激活力电协同敷料，其结构示意图如图1所示，包括柔性材料、力学超结构网格骨架层、和静电驻极体薄膜；
所述力学超结构网格骨架层包括图案区和位于图案区中心的空白区，所述图案区由单元结构周期性平铺设置，用于提供力场，所述单元结构为具有负泊松比的封闭、对称且镂空的图形；所述力学超结构网格骨架材料为形状记忆合金，所述形状记忆合金的相变温度低于人体体表温度；
所述柔性材料附着于力学超结构网格骨架上和空白区，用于避免形状超结构网格骨架直接与人体皮肤接触导致过敏；同时力学超结构网格骨架图形的镂空区域不设置柔性材料，用于皮肤透气；
所述静电驻极体薄膜设置于空白区的柔性材料表面，包括分离的正极和负极，正极为圆环，负极设置于正极圆环的中心，所述正极和负极之间的面积应完全覆盖伤口区域面积，用于对伤口提供电刺激。
实施例1
以力电协同敷料适应于线性伤口为例，柔性材料选用Ecoflex材料。
力电协同敷料的力学超结构网格骨架图案区的单元结构如图2(a)右图所示，所述单元结构为上下、左右轴对称图形，具体为两个横向M的开口相连接得到，命名为形状记忆合金网格L型(SMA-L)。当底部边长为1.8mm，线宽为0.18mm时，可调整底部边长和斜边之间的角度α及上下两底边之间的高度l来调整单元结构。
力电协同敷料的静电驻极体薄膜结构示意图如图3(a)所示，静电驻极体薄膜分离的正极区域为同心矩形环，负极区域为矩形，有限元电场分布图如图8(a)所示。
当部边长和斜边之间的角度α分别取50°、60°和70°时，l对应为1.4332mm、2.0749mm、3.3559mm时，构成的力学超结构网格骨架示意图如图2(a)左图所示。
具有上述力学超结构网格骨架的力电协同敷料在不同温度下，不同拉伸距离，两个方向上SMA-L产生的拉力如图4所示。
实施例2
以力电协同敷料适应于圆形伤口为例。
力电协同敷料的力学超结构网格骨架图案区的单元结构如图2(b)右图所示，所述单元结构为旋转轴对称图形，由基础图形首尾连接得到的环状结构，所述基础图形呈类S状，由三段直线和两段圆弧交替连接构成，命名为形状记忆合金网格C型(SMA-C)。当圆弧的宽度和半径分别为为0.12mm和0.41mm，直线的宽度和长度为0.24mm和1.18mm时，可调整圆弧对应角度β来调整单元结构。
力电协同敷料的静电驻极体薄膜结构示意图如图3(b)所示，静电驻极体薄膜分离的正极区域为同心圆环，负极区域为圆形，有限元电场分布图如图8(b)所示。
当β分别取110°、120°和130°时，构成的力学超结构网格骨架示意图如图2(b)左图所示。
具有上述力学超结构网格骨架的力电协同敷料在不同温度下，不同拉伸距离，两个方向上SMA-L产生的拉力如图5所示。
图4为当α分别取50°、60°和70°时，在不同温度下，不同拉伸距离，XY两个方向上SMA-L产生的拉力图。从图中可以看出，当α分别取50°、60°和70°时，在20、25、30、35、40、45和50℃下，以0.02mm/s的速度拉伸，在不同拉伸距离下，XY两个方向上在双轴拉伸的过程中网格拉伸呈现了各向异性。当沿着x轴网格长度变长4mm时，y轴的长度仅仅增加0.3mm。这一特性体现网格在拉伸性能上的各向异性，可以有效应对只需要单方向应力调节的伤口形状，如线性伤口。
图5为当β分别取110°、120°和130°时，在不同温度下，不同拉伸距离，XY两个方向上SMA-C产生的拉力图。从图中可以看出，当β分别取110°、120°和130°时，在不同温度下，不同拉伸距离，网格对于x，y轴的拉力基本相同，体现了网格的各向同性，可以有效应对需要多个方向同等大小应力调节的伤口形状，如圆形伤口。
图6为当α分别取50°、60°和70°时，在35℃时XY两个方向上SMA-L的收缩力图。从图中可以看出，本发明敷料在体温下的张力与皮肤张力处于同一量级，可以对伤口应力起到有效的调制作用。
图7为当β分别取110°、120°和130°时，在35℃时XY两个方向上SMA-C的收缩力图。从图中可以看出，本发明敷料在体温下的张力与皮肤张力处于同一量级，可以对伤口应力起到有效的调制作用。
图8为本发明静电驻极体薄膜的有限元电场分布图。由有限元电场分布可以知道，伤口边沿的电场方向近似垂直于伤口边沿指向伤口内部，这样分布的电场对伤口愈合加速的效率最高。
图9为针对线性伤口使用不同敷料进行处理的四组实验结果图，其中，EMSD-L组表示使用本发明的力电协同敷料，MD-L组表示仅使用具有本发明力学超结构网格骨架的敷料，ED-L组表示仅使用静电驻极体薄膜，BC-L组表示没有使用任何刺激措施。从图中可以看出，在第二天，EMSD-L组的创口就能产生明显的的愈合效果；同时，由EMSD-L组与剩余三组的实验结果对比可以看出，EMSD-L的伤口愈合进程明显更快，证明了力电协同加速伤口愈合的效果更加明显。
图10为针对圆形伤口使用不同敷料进行处理的四组实验结果图，其中，EMSD-C组表示使用本发明的力电协同敷料，MD-C组表示仅使用具有本发明力学超结构网格骨架的敷料，ED-C组表示仅使用静电驻极体薄膜，BC-C组表示没有使用任何刺激措施。由ED-C组和MD-C组的伤口愈合情况与B-CC组的伤口愈合情况对比，对伤口的愈合过程有明显的加速作用。说明了力场和电场均能对伤口愈合起到有效的作用。由EMSD-C组与剩余三组的实验结果对比可以看出，EMSD-C的伤口愈合进程明显更快，证明了力电协同加速伤口愈合的效果更加明显。图中最右侧一列为敷料干预第6天，圆形伤口愈合对照实验创口皮肤苏木精伊红染色(H&E染色)染色切片，从该图中也可以看出，本发明力电协同敷料能够有效促进伤口愈合。
上述对照试验的第8天，对圆形伤口的不同切口处皮肤进行H&E染色，进行组织学检查，其结果如图11所示。组织学分析显示，EMSD-C组创面再上皮化和肉芽组织形成，处于重建期，而MD-C组、ED-C组和BC-C组愈合延迟。经EMSD-C处理的创面中央已形成表皮，切片结果显示完整的新表皮与下面的肉芽组织紧密相连。MD-C组和ED-C组新生表皮与肉芽组织连接疏松，愈合较EMSD-C组差，而BC-C组表皮完全缺失。
图12敷料干预第8天，圆形伤口愈合对照实验创口皮肤关键生长因子分布。如图12所示，IHC染色图像显示了各种生长因子的整体表达分布，其中黑色部分为被染色的生长因子。免疫组化结果显示，与对照组相比，EMSD-C组成纤维细胞生长因子(EGF)、转化生长因子-β(TGF-β)和血管内皮生长因子(VEGF)的分泌明显增加。此外，如图13所示，通过积分光密度(IOD)曲线分析以量化生长因子的表达强度，EMSD-C组表皮生长因子(EGF)、转化生长因子(TGF-β)和血管内皮生长因子(VEGF)的平均吸光度分别为0.2 4、0.2 3和0.2 0，高于MD-C组(0.2 1、0.2 1和0.19)、ED-C组(0.2 2、0.2 2和0.18)和BC-C组(0.19、0.2 0和0.17)。与BC-C组比较，EMSD-C组EGF、TGF-β和VEGF的表达均显著增强。MD-C组和ED-C组EGF的表达均高于CC组，说明力场和电场刺激均能促进角质形成细胞的增殖和表型表达。此外，与BC-C组相比，MD-C组和ED-L组VEGF和EGF的表达分别升高，提示力场和电场刺激分别在血管生成和组织重塑中起重要作用。上述实验结果再次证实了力场和电场在促进伤口愈合方面的协同作用。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
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