用于皮膚組織再生和電子皮膚的仿生材料研究進展綜述

在組織工程和再生醫(yī)學領域，仿生材料已經成為解決傷口愈合和皮膚再生關鍵難題的一種前景廣闊的潛在材料。仿生皮膚材料在改善傷口愈合效果、實現創(chuàng)新診斷和傳感器應用方面具有巨大的潛力。人體皮膚結構復雜、功能多樣，是設計生物材料的絕佳模型。要制造有效的傷口覆蓋物，就必須模仿人體皮膚具有的獨特的細胞外基質（ECM）成分、機械性能和生化特性。此外，將電子功能集成到仿生材料中，可以為實時監(jiān)測、診斷和個性化醫(yī)療實現突破帶來可能性。

據麥姆斯咨詢報道，近期，來自韓國高麗大學（Korea University）和埃及米尼亞大學（Minia University）的研究人員在Biomimetics期刊上共同發(fā)表了題為“Biomimetic Materials for Skin Tissue Regeneration and Electronic Skin”的綜述性文章，探討了仿生皮膚材料及其在皮膚再生和傷口愈合中的應用，并對其與電子皮膚（E-skin）技術的結合進行了討論。最后，文章討論了仿生皮膚材料這一快速發(fā)展領域的最新進展、挑戰(zhàn)和未來發(fā)展方向。

仿生材料在傷口管理中的應用及其局限性

隨著仿生技術的應用，改善傷口管理的努力一直在進行。然而，盡管成果喜人，創(chuàng)新理念層出不窮，但仿生材料成功通過臨床試驗或在實際應用中得到實施的例子卻屈指可數。仿生技術的開發(fā)是一個涉及各種因素的復雜過程。使用仿生技術會導致設計和技術復雜化，給生產帶來困難。此外，將應用各種仿生設計的技術結合到一個設計中也存在一定的挑戰(zhàn)。不過，正在進行的研究旨在解決這些局限性，仿生傷口管理技術仍然是一個前景廣闊的領域。此外，雖然受動物啟發(fā)的仿生技術已經被廣泛探索，但受植物啟發(fā)的仿生設計的潛力卻在很大程度上被忽視了。最后，各種學科的結合與發(fā)展也為傷口管理技術的進步提供了新的可能性。

圖1 受動物啟發(fā)的仿生傷口管理技術

圖2 受植物啟發(fā)的仿生傷口管理技術

仿生材料在臨床應用中面臨的挑戰(zhàn)和機遇

目前，研究人員已經提出了幾種基于仿生學的傷口管理技術，其中一些技術的有效性已經通過臨床試驗得到證實。在其中一個案例中，研究人員開發(fā)了一種基于ECM特性的仿生納米纖維膜，以用于治療慢性傷口。這種仿生納米纖維膜由聚左旋乳酸/明膠組成，其厚度為0.65 μm，接觸角為80.39°，這種設計可使其保持良好的親水性。此外，這種仿生納米纖維膜還能促進細胞增殖，減少細菌粘附。其治療效果在經體外實驗證實后，研究人員進一步對其臨床治療效果進行了驗證。臨床結果顯示，患者慢性傷口的愈合率達到93.3%，并且其中只有6.7%的患者需要再次接受手術。此外，66.7%的患者在傷口愈合期間只使用了一張仿生納米纖維膜。受生物啟發(fā)的皮膚替代品，例如Integra和Matri Derm已經在市場上進行銷售。這表明仿生技術在傷口管理方面具有實際應用價值。

精確監(jiān)測與患者疾病的診斷和治療密切相關，因此電子皮膚應用的信號準確性和數據可靠性是一個關鍵問題。此外，電子皮膚在實現臨床廣泛應用之前還存在其它需要解決的問題。首先，電子皮膚傳感器的一個實際問題是絕緣不足導致的電流泄漏或電磁干擾。其次，電子皮膚需要可靠高效的電源。第三，電子皮膚需要能夠承受不同程度的拉伸和彎曲，以使其在日常的皮膚貼附狀態(tài)下和使用時不會喪失功能。這就要求它們既耐用又具有足夠的柔韌性，以防止在使用過程中出現斷裂。第四，由于要貼附在人體上，電子皮膚必須具有生物相容性，以防止其與人體皮膚接觸時使人體產生過敏或炎癥等不良反應。第五，盡管電子皮膚的制造已經在實驗室層面取得了進展，但其原型的大規(guī)模生產仍然是一項挑戰(zhàn)。實現產品一致性的高效生產工藝、簡化生產流程和降低生產成本是實現商業(yè)化的關鍵因素。第六，人工智能（AI）模型在醫(yī)療保健領域應用的阻礙之一是缺乏高質量的醫(yī)療數據，這可能會影響診療結果的準確性。此外，數據隱私、可用性和安全性也對人工智能在醫(yī)療領域的應用構成了潛在限制。此外，還需要考慮人工智能模型的失誤問題。第七，電子皮膚器件需要獲得醫(yī)療應用的監(jiān)管許可。要克服監(jiān)管障礙，還需要解決上述限制因素。

圖3 （a）人類觸覺感知系統(tǒng)；（b-f）電子皮膚的各種應用：（b）基于摩擦納米發(fā)電機（TENG）的可植入生物醫(yī)學器件；（c）柔性應變傳感器在醫(yī)療機器人和假肢中的應用；（d）實時生物和健康信號監(jiān)測；（e）用于慢性傷口管理的無線智能繃帶的總體設計；（f）人機界面的應用。

圖4 （a）導電材料的材料和結構示意圖；（b）MXene的掃描電鏡照片：手風琴狀未剝離MXene、MXene納米片和夾層MXene納米復合膜，以及柔性夾層MXene納米復合膜的光學照片；（c）在受傷皮膚上應用的壓電納米發(fā)電機（PENG）和摩擦納米發(fā)電機（TENG）示意圖。

仿生技術的未來研發(fā)方向

仿生學是一種前景廣闊的傷口管理技術，在治療其它疾病和癥狀方面也具有潛力。其中，以下幾種應用方向的前景值得重點關注。

（1）仿生傷口敷料在促進傷口愈合方面大有可為。傳統(tǒng)的傷口敷料主要側重于密閉傷口、吸收滲出物和保持濕潤環(huán)境，因此在支持復雜的傷口愈合過程方面存在局限性。然而，通過在傳統(tǒng)敷料中加入膠原蛋白、糖胺聚糖或透明質酸等ECM成分，可以積極促進上皮細胞化、血管生成和膠原蛋白沉積，從而增強整個傷口愈合過程。

（2）仿生學為傷口管理技術提供了一種前景廣闊的方法，并有可能將其優(yōu)勢擴展到其它疾病和癥狀的治療上。生物醫(yī)學領域可以從模仿動物、植物和人類等各種生物體內的成分或微米和納米結構中獲益匪淺?；谶@些仿生成分或結構的材料具有許多優(yōu)點，包括良好的生物相容性和生物可降解性、高靶向效率、低毒性以及抗氧化和抗炎特性。事實證明，這些仿生材料在傷口愈合方面非常有效，在治療各種疾病，尤其是癌癥方面也大有可為。

（3）傳統(tǒng)的傷口敷料無法提供有關傷口狀況的實時信息，從而導致錯過調整治療的機會。因此，我們需要能夠準確監(jiān)測傷口情況并加速傷口愈合的多功能智能電子皮膚貼片。為此，電子皮膚材料需要具有良好的彈性、自愈合能力、生物相容性、類似皮膚的柔軟性，以及產生電信號以實現快速傳感等特性。研究人員正在探索利用水凝膠、液態(tài)金屬、導電聚合物和納米材料來實現具有這些特性的新材料和結構設計。

（4）電子皮膚具有柔軟、可拉伸、生物相容性和粘附性等特性，作為一種可穿戴設備，它能很好地粘附在人體上，從而實現持續(xù)健康監(jiān)測。此外，為了實現持續(xù)的信號傳感和監(jiān)測，電子皮膚器件需要以無線方式持續(xù)運行。要在不影響舒適度或貼附性的前提下提供足夠的能量，能量的自我產生、存儲和電源效率至關重要。此外，隨著應變傳感器的進步，電子皮膚可以作為靈敏的觸摸界面，甚至可以檢測人體手勢和動作，從而實現無縫的人機界面。這種人機界面可用于靈敏的健康監(jiān)測?？纱┐髯?a target="_blank">供電傳感器可用于監(jiān)測人體生命體征（心率、體溫、血壓等）、檢測人體皮膚狀況（例如用于壓瘡和糖尿病患者）、跟蹤傷口愈合進度等，從而為老年人群以及心血管疾病和糖尿病患者提供醫(yī)療保健服務。

（5）未來研究的重點將是開發(fā)在功能和特性上接近人類皮膚的電子皮膚，這種電子皮膚包括機械感受器，并且具有良好的柔軟度、彈性、自愈能力和環(huán)境適應性。在此基礎上，甚至可以開發(fā)出在某些方面優(yōu)于人類皮膚的電子皮膚。但是，由于材料問題，制造出與可以與真實皮膚相媲美的人造皮膚很難，但利用人工智能和機器學習可以幫助尋找和改進材料，可以使電子皮膚變得更好、更安全。此外，將使用機器學習算法的人工智能集成到電子皮膚中進行獨立的數據分析，可以幫助我們了解用戶的個性化健康狀況，從而制定精確的個性化治療方案。此外，還可以將給藥機制直接集成到電子皮膚中，以進行靶向治療。最后，考慮到人們對環(huán)境的日益關注，開發(fā)可持續(xù)和可回收的電子皮膚也將成為未來研究的一個重要方向。

論文鏈接：
https://doi.org/10.3390/biomimetics9050278

審核編輯：劉清