摘要：成人的创面修复缺乏胎儿时期的自然再生能力，经常导致组织纤维化和功能性损伤。通过将修复过程在一定程度上转化为再生愈合，恢复组织的原始状态，可以显著提高人体健康水平。先进的治疗方法，如超声和电刺激的可穿戴贴片，克服了皮肤组织工程和物理治疗机器等传统方法的局限性，为

成人的创面修复缺乏胎儿时期的自然再生能力，经常导致组织纤维化和功能性损伤。通过将修复过程在一定程度上转化为再生愈合，恢复组织的原始状态，可以显著提高人体健康水平。先进的治疗方法，如超声和电刺激的可穿戴贴片，克服了皮肤组织工程和物理治疗机器等传统方法的局限性，为创面再生提供了有希望的解决方案。

日前，北京理工大学柔性电子器件与智造研究所沈国震教授、化麒麟副教授联合解放军总医院付小兵院士、黄沙教授提出了一种柔性超声-电耦合贴片（UEP），可为创面组织提供无创的全空间刺激，具有抗炎、保护、修复和连续监测等功能。具体而言，该贴片在创面施加电场，同时将超声引导至更深层，两种物理刺激在全空间实现了互补，电场负责表面，超声负责深层，完成了对创面全方位的物理刺激。有效地重塑与正常皮肤相似的胶原形态和成分，促进巨噬细胞转化至M2表型，并促进毛囊的原位再生。通过分析创面电阻值，实时监测和预测创面恢复状态，促进创面高质量愈合。相关工作以“Fully Integrated Multifunctional Flexible Ultrasonic–Electric-Coupled Patches for Advancing Wound Care Paradigms”发表在《Advanced Functional Materials》。

图1：器件结构、功能与应用场景。

该多模态超声波-电场耦合贴片（UEP）包括三个主要组件：超声阵列、换能阵列和电刺激线圈，它们以垂直堆叠配置集成。具体来说，超声波阵列由多个 PZT-4 陶瓷的并联电路组成，确保一致的超声波输出；能量交换阵列则旨在最大限度地提高能量交换电压的输出。超声阵列（或换能阵列）通过聚二甲基硅氧烷 （PDMS） 封装设计和制备。

UEP 的总厚度低至 2.27 毫米，并显示出卓越的弯曲性和可拉伸性，使其能够在附着到皮肤上时承受机械变形。UEP 的几何尺寸可以进一步定制，以适应各种创面尺寸。UEP 具有高质量创面愈合和监测的多种功能。超声阵列将超声场聚焦在创面周围以提供超声波刺激，而换能阵列收集多余的超声波并将其转换为脉冲电压，这些脉冲电压被传输到电刺激线圈，将脉冲电刺激传递到创面。此外，电刺激线圈具有监测创面实时阻值的能力，可用于评估创面恢复阶段和预测愈合时间。

图2：力学表征、声学表征与生物毒理测试。

通过将UEP的电极图案配置为圆形蛇形，可以保持高达 30% 的弹性应变变形。搭接剪切测量显示了传感器元件和电极的正极和负极之间的界面粘合强度，分别为 313 kPa和 320 kPa。这进一步确保了贴片中电气连接的稳定性。此外，整体贴片弹性超过了人体皮肤 20% 的弹性变化极限。

整体阵列的谐振频率在430 kHz附近，且不同PZT之间的谐振频率及反谐振频率较为一致。在拉伸和弯折状态下，阵列的阻抗谱图与原始状态相比也并未出现电连接的失效。换能阵列在超声阵列的驱动下，有效电压输出值最高接近20 V，在为电容充电时显示出7.5 μW的功率输出，是此前记录的两倍。在负载不同电容的情况下，换能阵列能够保持较好的功率输出，因此可以为电刺激线圈提供足够多的电刺激能量。

图3：声电转换电输出能力测试，声电耦合场物理刺激范围模拟。

为深入理解超声波与电场对创面等部位组织再生的能力，进行了超声波与电场作用范围的模拟计算。从模拟中可以明显看出，单个超声元件可以穿透多层皮肤组织，深度超过 4cm，方向性好；由于集肤效应，高频电场局限于皮肤的表层。当超声阵列以一定角度固定在皮肤上时，声波会在阵列正下方产生聚焦效果。两种类型的物理刺激在整个空间中互补，电场负责表面刺激，超声波负责更深层的刺激，为创面提供全方位的物理刺激。

图4：细胞划痕实验与创面阻值测试用于恢复状态监测。

在这项工作中，引入了电刺激线圈，它不仅可以为创面提供电刺激，还可以测量创面与皮肤之间的电阻。这种创新方法促进了高质量的组织再生和对愈合进度的实时监测。在小鼠的背部，创面附近的皮肤-皮肤电阻始终落在9.12 MΩ和19.78 MΩ的范围内，将其定义为正常电阻范围。超出此范围的皮肤创面电阻被认为是异常电阻范围。为此，对所有皮肤创面阻值变化曲线进行了统计分析，并生成了3D彩色映射。在所有愈合过程中都观察到一致的阻值变化趋势，称为恢复曲线。提取一条典型的回收曲线用于进一步分析。低于9.12 MΩ的电阻值表示炎症期，其特征是水和组织液含量高的新鲜创面；随后，在增殖阶段，电阻迅速增加，阻值落在正常电阻范围内；大于19.78 MΩ的电阻值表示瘢痕形成阶段，其特征是由于失水导致创面干燥；最后，电阻降低到 9.12 至 19.78 MΩ 之间，标志着最后的恢复阶段。尽管不同身体部位的阻值可能有所不同，但可以通过收集和分析创面附近的大量正常阻值以及创面部位的异常阻值来监测和预测大多数创面的恢复情况，以生成恢复曲线。在这里，进行了随机森林 （RF） 机器学习算法来分类和学习测试的阻值，测试集的准确率高达 96.66%，展示了监测创面恢复过程和使用皮肤阻值预测愈合时间的潜力。

图5：生物实验，超声波-电耦合疗法促进皮肤重塑和毛囊再生。

超声波与电场共同作用于损伤组织，实现深度方向声电耦合，在皮肤表面实现声电的互补，这种全方位的耦合疗法有望平衡损伤组织所产生的内源电场并促使成纤维细胞的增殖与活化。研究结果表明，超声-电耦合疗法可以促进 HSF 和 HaCaT 细胞的增殖，以及 HSF 细胞的迁移。超声-电耦合疗法还可以通过抑制促炎反应和刺激抗炎反应来加速创面愈合从炎症阶段过渡到后续阶段。随着创面继续重塑，声电耦合刺激治疗使表皮厚度恢复到正常表皮的厚度，再上皮化过程的动态调节突出了其卓越的表皮重塑能力。在治疗组中，胶原纤维表现出类似于正常皮肤的交叉排列的篮状编织图案，尤其是在声电耦合刺激组中。特异性胶原分型的定量结果（COL-I/COL-Ⅲ比率）与正常皮肤组织的比率相似，超声-电耦合疗法使毛囊的密度和分布恢复到正常水平。

综上所述，这些进展证实了声电耦合技术在加速组织重构方面的应用潜力，有望为未来治疗方案的开发和临床应用提供有价值的基础。

来源：高分子科学前沿