MIT赵选贺最新预印本：应变可编程贴片助力糖尿病伤口修复

　　创伤修复能力及其带来的慢性创面（chronic wounds）如糖尿病足部溃疡（DFU）是糖尿病病人中最主要的并发症。尽管在过去的几十年里，人们提出了包括生物皮肤以及生长因子疗法在内的多种治疗策略，然而接受治疗的DFU患者中，只有不到50%的人能够由此受益。因此，随着糖尿病全球化的扩张，开发新型有效的糖尿病伤口愈合疗法具有重大的意义。

　　而针对皮肤伤口或者创面的修复和重塑，力学调控目前已经成为一种颇具前景的治疗方式。例如，对伤口进行力学调控如诱导伤口收缩可加速伤口愈合。然而，目前还未有方法可以在湿润创面实现精准可控和长期的收缩行为，从而限制了力学调控策略在治疗糖尿病伤口方面的发展。

　　麻省理工学院的Hyunwoo Yuk、赵选贺以及哈佛医学院的Aristidis Veves等人提出了一种应变可编程贴片，可快速可靠地附着在湿润创伤组织，并在几天内基于形变记忆机制实现伤口的单轴和双轴力学收缩和应力重塑。基于理论研究和动物活体实验，该工作检验了贴片的编程有效性及其效率，为加速糖尿病伤口复原提供了新的思路。相关工作以“Strain-Programmable Patch for Diabetic Wound Healing”为题发表在预印本网站bioRxiv上。

　　一、应变可编程贴片的设计及其机制

　　如图1所示，这一贴片由两层部件组成：衬底层为基于亲水热塑性聚氨酯的非黏附性弹性体；而生物黏附层则由接枝了N-羟基丁二酰亚胺的聚丙烯酸和壳聚糖构成。含水的生物黏附层在橡胶态是软、可拉伸的（杨氏模量约为40 kPa），而在干燥状态下则会转变成硬度急剧增加的玻璃台聚合物（杨氏模量约为5 GPa）。当这一贴片贴在伤口组织上时，生物黏附层通过吸收贴片与组织之间的界面水以及利用干燥交联机制形成交联来与皮肤形成快速黏附。与此同时，随着生物黏附层含水量变大，其会快速（30秒内）恢复至橡胶态，并伴随贴片的急速收缩形成应变可编程效应。通过这一干燥交联机制（用于快速湿黏附）和水化形变记忆机制（用于编程应变）的协同合作，该应变可编程贴片可以轻松、高效地实现对伤口的力学调控。

　　图1应变可编程贴片的设计及其作用机制

　　二、贴片力学性质及其对伤口的可编程力学调控

　　当贴片黏附在组织上并释放编程化应变后，吸水肿胀的贴片就会变成薄水凝胶层，其具有类生物组织的柔软度（杨氏模量约为50 kPa）、可拉伸性（超过3.5倍的原始长度）以及高断裂韧度（超过400 J m-2）。而由于水化形变记忆过程的高度可编程性，由贴片产生的收缩机械应力可被精确控制，特别是通过选择力学性质不同的衬底材料可以调控贴片的力学性质和收缩应力（图2）。

　　图2力学性质和黏附表现

　　为了对贴片在伤口处的力学调控进行定量分析和指导，作者还利用有限元方法等对伤口收缩和皮肤应力重塑进行建模分析（图3）。在对圆形伤口的研究中，皮肤中的天然预应变和张力会使伤口扩大并增加环形应力，从而在伤口边缘产生应力浓度破坏伤口闭合和复原。这一建模策略在糖尿病小鼠皮肤和人皮肤上也进行了检验，发现模型预测的伤口闭合率能够与实验测量的情况达成一致。

　　图3糖尿病小鼠皮肤伤口处的可编程闭合和应力重塑情况

　　三、活体实验

　　在对糖尿病小鼠的伤口复原实验中，研究发现对于急性伤口或者短期治疗，贴片可以通过施加力学收缩来加速伤口修复；而对于慢性伤口或者长期治疗，贴片可以通过在伤口周边进行应力重塑（包括减小环状应力浓度）来提供更优的力学环境，以支持伤口复原。在进一步的人体皮肤伤口治疗实验中，作者也发现贴片能够加速上皮组织的重新形成，伤口创面逐渐减小同时张力也得到了释放。

　　图4离体人皮肤伤口模型的贴片治疗

　　结论：总而言之，通过体内和离体实验的伤口修复数据，该研究表明应变可编程贴片是一种针对慢性糖尿病伤口的有效治疗策略。为了进一步开发该贴片的临床应用前景，作者认为未来的研究需要运用多组学方法对影响贴片治疗的不同类群的细胞和信号通路进行成像。此外，进一步的研究还需要对贴片的使用次数、频率和应变水平进行定义，以此来推进应变可编程贴片的临床应用。

　　文献链接：

　　https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.06.07.447423v1

　　来源：高分子科学前沿

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