摘要：烧伤、癌症和意外事故引起的严重皮肤创伤会损害整个组织结构，导致患者永久性体感功能障碍。尽管新兴的水凝胶敷料已显示出加速伤口修复的临床潜力，但使用单一材料同步恢复缺陷皮肤的组织结构和感觉功能仍然是一个挑战。本文提出了一种多功能水凝胶，该水凝胶将导电聚多巴胺覆盖的

A Biomimetic One‐Stone‐Two‐Birds Hydrogel with Electroconductive, Photothermally Antibacterial and Bioadhesive Properties for Skin Tissue Regeneration and Mechanosensation Restoration
Advanced Functional Materials ( IF 18.5 )

Pub Date : 2024-12-13

DOI: 10.1002/adfm.202417280

烧伤、癌症和意外事故引起的严重皮肤创伤会损害整个组织结构，导致患者永久性体感功能障碍。尽管新兴的水凝胶敷料已显示出加速伤口修复的临床潜力，但使用单一材料同步恢复缺陷皮肤的组织结构和感觉功能仍然是一个挑战。本文提出了一种多功能水凝胶，该水凝胶将导电聚多巴胺覆盖的石墨烯纳米片（PrGOs）嵌入动态交联的双多糖（木葡聚糖和壳聚糖）基质网络中。由于动态希夫基交联以及容易的光触发二次交联，制备的水凝胶具有可调节的模量，可以与伤口部位的皮肤组织相匹配。

此外，PrGO的光热活性可以将局部温度提高到约50℃，显著抑制细菌的生长。这两个因素共同促进皮肤组织的再生。据报道，水凝胶的组织粘附性提供了一个兼容且强大的界面，可以检测和量化人体运动和生理信号，以模拟人体皮肤体感系统。这种水凝胶提供了一石两鸟的有效材料，同时实现组织再生和多信号传感，促进受损皮肤结构和功能的修复和/或替换。

人类的感觉系统是一个复杂的协同网络，它接收来自环境的外部刺激并将其转化为生物电信号皮肤组织是人体最大的机械感觉器官，由神经元、神经纤维和机械感受器密集支配，使人体能够区分各种力存在于皮肤组织真皮层的机械感受器和触觉神经元可以将细胞外机械破坏传递到细胞内离子运输。通过这种方式，外部机械信号可以被迅速而灵敏地检测到，并根据力的强度转换成不同频率的电脉冲信号。这些电脉冲信号最终传播到中枢神经系统，为人类产生体感输入。然而，由于广泛的深度烧伤或化学或工业事故造成的严重皮肤损伤往往超出皮肤组织的结构性损伤。由于机械感受器及相关神经的不可逆破坏，常伴有机械感觉功能障碍。因此，有效的临床创伤治疗不仅要加速组织再生，而且要恢复皮肤的感觉功能。

新兴的水凝胶基敷料具有多方面的生物功能，可以用作治疗严重受损皮肤的人造皮肤，因为它们提供了一个类似于天然皮肤细胞外基质的湿润和透氧的微环境，以加速伤口愈合其中，可注射水凝胶因其在覆盖不规则损伤部位后具有形状适应性，且具有止血、抗氧化、抗细菌感染等多种功能，可在多种愈合过程中按需提高创面愈合质量而受到越来越多的关注。尽管基于水凝胶的人工皮肤用于治疗皮肤损伤，但由于受损的机械感受器和神经元难以再生，因此恢复天然皮肤的感觉功能仍然是一个临床挑战。

导电水凝胶通过在人造材料和天然皮肤组织中基于导电介质相似的电传导机制来检测和量化各种刺激，从而模拟人类的体感觉系统基于机械应变和生物物理电信号的信号传感/转换/传输技术，可以实时检测各种生物物理信号，对脉搏波、[8]心电图（ECG）、[9]肌电图（EMG）、[10]和脑电图（EEG）、[11]进行多方面的医疗监测。

在过去的几十年里，由金属纳米颗粒（Au、[12]、Ag、[13]和Cu）、[14]碳基材料、[15]和导电聚合物[16]组成的导电水凝胶已经被开发出来，以模仿或取代天然皮肤组织的机械感觉功能。然而，迄今为止，还没有一种单一的水凝胶材料能够同时加速受损皮肤组织的再生并恢复其机械感觉功能。这种一石二鸟的策略必然对水凝胶的综合性能提出了更高的要求，如与缺陷皮肤的天然生物组织相匹配的弹性模量和粘附性、良好的抗菌和抗炎环境、高保真的电导率等。现有的用于同步组织再生和机械感觉修复的水凝胶材料综合性能较好。

之前报道了一种双多糖，即木葡聚糖（XG）和壳聚糖（CS），水凝胶伤口敷料具有内在的生物活性，可显著促进细胞增殖和加速伤口愈合这一成就鼓励我们使用这种生物水凝胶来治疗机械感觉永久性受损的受损皮肤。在这里，提出了一种具有多种功能的新型导电水凝胶，以促进全层皮肤组织再生和恢复基于生物电导的机械感觉功能（图1）。使用多巴胺作为还原剂，氧化石墨烯很容易获得具有导电性和光热特性的石墨烯纳米片将聚多巴胺（PDA）修饰的还原石墨烯纳米片（PrGO）的水分散体与氧化木葡聚糖（OXG）原位混合，称为OXG/PrGO，然后与甲基丙烯酸酯壳聚糖（CSMA）进行一罐凝胶反应，制备出具有剪切变薄和自修复性能的动态交联水凝胶（OC/PrGO），用于注射到皮肤组织的缺陷部位。

在光照射下，水凝胶（OC’/PrGO）的机械模量被增强，从而形成与皮肤组织模量相匹配的共价交联网络，从而促进细胞生长和组织再生。此外，rGO和PDA的光热效应保证了局部高温微环境，抑制了细菌的生长和增殖，有利于组织再生，如小鼠模型所示。

在人体实验中证明，这种在伤口部位具有增强电导率的水凝胶还可以通过传输和监测ECG和EMG信号以及通过电阻变化进行关节运动来促进仿生机械感觉识别。特别是，所提出的水凝胶的生物粘合剂PDA成分有助于在导电水凝胶和周围皮肤组织之间无缝合地建立坚固的保形界面，从而实现准确和高保真的实时生理信号捕获。这项研究证明了生物活性和电活性线索在仿生多糖多功能水凝胶中的概念验证整合，以加速皮肤再生和机械感觉恢复。

在此提出了一种直接的策略，用多巴胺减少和功能化氧化石墨烯纳米片，以获得多功能的水分散体中的氧化石墨烯纳米填料。将PrGO纳米填料加入到含有木葡聚糖和壳聚糖的二元多糖水凝胶的动态交联网络中，制备了综合性能良好的导电水凝胶。

水凝胶的优点包括可调节并与皮肤匹配的模量，与皮肤的牢固组织粘附，高效光热抗菌作用和导电能力。全层皮肤缺损小鼠模型的体内实验证明，水凝胶可用于治疗永久性感觉功能丧失的严重受损皮肤。RNA-seq分析表明，水凝胶可以通过诱导适应性免疫反应和控制炎症来加速伤口愈合。在这项工作中，单一仿生水凝胶基软材料代表了一石两鸟的有前途的模式，用于恢复机械感觉功能，同时再生全层皮肤。

来源：华算科技