近年来，随着生物医学工程的显著进步，纳米技术在伤口愈合领域的应用越来越多。这在摩擦纳米发电机（TENG）的使用中尤为明显，它能够产生关键的电刺激，可以显着加速愈合过程并改善患者的康复结果。TENG通过提供电刺激来增强身体的自然再生能力，在伤口愈合方面取得了显著进展。皮肤与生俱来的电势对愈合至关重要，TENG可以复制和放大这些生物信号。它们改善成纤维细胞的运动和繁殖，增加胶原蛋白的产生，并刺激血管生成，所有这些都对伤口的有效愈合至关重要。这导致更快、更有效的组织修复和再生。
本文设计了一种双面柔性摩擦纳米发电机（TENG），可以将机械冲击转化为脉动电刺激；使用了壳聚糖（CS）、聚乙烯醇（PVA）和氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs），然后使用生物相容性的抗菌皮肤贴片将这些应用于伤口部位。制造的 TENG 的平均开路输出电压为57 ± 5 V，平均短路输出电流为2.2 ± 0.3 μA。水凝胶的体外抗菌活性与较高浓度的ZnO NPs成正比；同时，与细胞活力呈负相关。大鼠体内实验表明，来自TENG的缓慢电刺激比快速电刺激更有效地促进伤口愈合。
图1.双面和柔性电极制备示意图和皮肤贴片制备示意图。
通过在聚酰亚胺带上进行激光照射合成还原氧化石墨烯 （rGO）层。再将聚二甲基硅氧烷（PDMS）聚合物倒入 rGO 表面。将PDMS的固化剂以10：1的比例添加到PDMS基础弹性体中。然后，将样品放入烘箱中进行热处理，使该层变硬。最后，分离含有rGO的聚合物层，样品背面覆盖PDMS聚合物（图1）。
图2.TENG柔性电极的表征。
由SEM可以看到电极表面主要是还原的氧化石墨烯，上面覆盖着一层透明的PDMS聚合物。电极表面和横截面的SEM图像分别描绘了氧化石墨烯层的互连多孔结构，该结构产生了导电通路。在对电极施加各种机械应力时，它的结构和性能没有差异，依旧保持良好（图2）。
图3. 双面柔性TENG的输出信号。
结果表明输出信号具有显著的稳定性，与初始信号输出图相比没有观察到实质性差异。此证据支持系统随时间保持一致性能的说法（图3）。
图4.ZnO NPs的结构特征和水凝胶表面形貌表征。
ZnO NPs是致密晶体结构的球形颗粒，其中每个颗粒的尺寸小于100nm。在用CSP处理后，ZnO NPs的表面明显变得更加多孔，表明CSP链成功地附着在NPs上（图4）。
图5.皮肤贴片的机械性能。
将ZnO NPs掺入聚合物基质中可以提高拉伸强度，这归因于纳米颗粒在机械改变后聚合物半结晶结构形成中的作用。相反，过量的ZnO纳米颗粒可能会导致聚集，从而破坏复合材料的承载能力和结构完整性。ZnO NPs浓度升高的水凝胶的脆性增加可能是由这种机制引起的（图5）。
图6.水凝胶的抗菌活性。
在水凝胶敷料中加入ZnO NPs抗菌能力显着提高（图6）。
图7.对照组、水凝胶组、TENG组和TENG-水凝胶组的细胞实验。
结果表明，电刺激显著增强了成纤维细胞增殖。在第3天和第5天，与对照组相比，第二组表现出更好的成纤维细胞生长。第7天，该组成纤维细胞增殖减少。第7天，图7显示第4组成纤维细胞增殖速度慢于TENG组，并且该组发现坏死细胞。这可能是由这些因素引起的，包括生长空间受限（图7）。
图8.体内伤口愈合试验。
伤口图像表明，接受电刺激的组在不同的日子里始终表现出卓越的愈合效果。在第9天之前表现出与对照组相似的愈合功效，之后随着治疗的继续，其性能增强（图8）。
图 9. 组织病理学分析。
用于伤口敷料的TENG治疗方面具有良好的性能（图9）。
图 10. 免疫组织化学分析。
在暴露于TENG产生的快速脉冲的组中，再生组织中的胶原蛋白密度略高。此外，与对照组相比，本研究显示组织再生和胶原蛋白合成机制的适度增强。以更高放大倍率捕获的图像明确显示组织结构和排列的增强。与其他组相比，暴露于较慢脉冲的组表现出最高的胶原蛋白密度，胶原蛋白沉积的显着增加表明伤口愈合的过程。皮肤贴剂组和快速敲击组表现出TNF-α水平降低，而慢拍组表现出最低的TNF-α水平（图10）。
图 11. 感染伤口愈合试验。
与未感染的伤口相似，暴露于较低频率脉冲的组显示出更好的愈合效果。电刺激通过激活TGFβ1-ERK通路增加成纤维细胞增殖。该通路增加了生长因子和细胞因子的表达（图11）。
研究表明，利用柔性双面摩擦纳米发电机的治疗系统有效地加速了伤口愈合过程。这是通过使用既与生物体兼容又能够防止微生物生长的皮肤贴片进行有针对性的电刺激来实现的。这种TENG有效地将机械冲击转化为适当的电刺激，从而增强成纤维细胞的增殖和迁移，从而促进伤口内在的自愈过程。摩擦电器件和水凝胶皮肤贴片的详细表征证实，rGO电极和ZnO NPs被集成在一起，以确保器件的最佳功能和抗菌性能。对大鼠进行的体内实验证明，TENG提供的慢速电刺激比快速电刺激更有效地促进伤口愈合。组织学检查进一步证实了这些观察结果，即电慢拍组的伤口恢复效果更好。这使得电刺激与生物相容性皮肤胶粘剂相结合成为治疗伤口的非常有用的工具，为解决医学上的一个大问题带来了希望。
近期，该研究成果以“Dual-sided and Flexible Triboelectric Nanogenerator-based Hydrogel Skin Patch for Promoting Wound Healing”为题发表于学术期刊《Nano Energy》，论文第一作者为Moein Ziyazadeh，通讯作者为德黑兰理工学院Mohaddeseh Vafaiee。
撰稿人：罗桂宇
审稿人：杨白洪
论文全文链接
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110558
抗菌抗污材料前沿
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