近日，国外某团队总结了基于HA水凝胶作为伤口敷料的研究进展，并比较了三种不同导电材料加入水凝胶后对于伤口愈合的效果。同时也对未来用于人体健康监测的水凝胶进行了探究。
本文介绍了基于透明质酸设计的具有导电性质和相互作用的水凝胶作为伤口敷料的最先进的研究，这些水凝胶通过电刺激 (ES) 或通过结合其他多功能材料来增强皮肤组织再生。研究团队也对未来的交互式水凝胶进行了探究。
介绍
最近相关技术的快速发展为利用基于水凝胶的系统作为可植入生物医学设备，即生物电子学打开了大门。事实上，导电水凝胶是材料工程应用于生物医学的主要软材料，其设计结合了先进的特性，使其成为促进对电信号敏感的组织，如心脏、皮肤和神经组织再生的理想手段。不仅如此，多功能性的整合和长期性能为组织修复方面的长期临床应用带来了有希望的机会，但尚未实现。
皮肤是人体最大、暴露最多的器官，重量约4.5kg，厚度在0.5 ~ 4 mm之间。它对电信号敏感，因此是使用导电功能材料进行电刺激的明显靶点。皮肤结构由几层(即表皮、真皮和皮下)组成，包括广泛的元素(细胞、细胞外基质、胶原纤维、神经、血管、皮下腺体、脂肪组织、毛发和指甲等)，其主要功能是作为机械力、紫外线、温度等的屏障保护身体免受外界环境的影响，也是我们在病原体面前的免疫防御的第一道防线。然而，尽管如此，皮肤也是一种极其脆弱的组织，会受到衰老、外伤、外科手术或烧伤等疾病以及腿部静脉溃疡等疾病的影响。
在过去的50年里，对几个领域（例如皮肤细胞生物学、聚合物支架或组织再生）的研究已经产生了用于皮肤组织工程的商业医疗产品。更具体地说，利用水凝胶特有的优势特性:亲水性、类似软组织的含水量、足够的生物相容性和柔韧性，已在近年来开发出了一系列用于治疗皮肤伤口的软敷料。总体而言，如果经过充分设计，水凝胶是能够满足额外要求和最近高度先进的生物技术特征的优秀候选材料。
图 皮肤修复：透明质酸水凝胶和电刺激：(a) 愈合过程前后伤口部位的跨上皮电位和电场。(b) HA 的分子结构和 (c) HA在伤口愈合过程中主要作用的说明。
皮肤修复：透明质酸水凝胶和电刺激
虽然伤口愈合和皮肤修复是复杂而缓慢的过程，包括四个相互作用的阶段（即止血、炎症、增殖和重塑），但大多数皮肤缺损在 2 周内就会有效愈合。然而，更严重的皮肤损伤，包括急性（超过 8-12 周的愈合期）或慢性伤口（数月），可能需要更长的时间。例如，糖尿病足溃疡等广泛的全层皮肤伤口是难以愈合的慢性病，易受细菌感染和局部炎症的影响，最终对患者的健康产生严重的负面影响并引发相关费用。因此当前开发具有成本效益的伤口护理疗法的迫切需求。
1、电刺激和皮肤修复
早在2013年，G. Thakral等人在进行了21项随机临床试验后得出结论，电刺激(ES)可以加速伤口愈合且不良反应少。几年后，Rajendran等人也得出了类似的结论。事实上，伤口愈合过程涉及电场，电场作为细胞定向迁移的覆盖指导信号，因此电活性支架被设计为最大限度地实现皮肤组织工程(图1a)。与清创、负压治疗、皮瓣修复等技术相比，以ES为基础的治疗方法在加速创面闭合的同时显示出高效、低成本和安全性。事实上，对于去除不存活的创面组织(即清创)，手术方法是应用最广泛的，这需要熟练的从业者和局部麻醉，也需要皮瓣手术的条件。关于负压疗法，其确切作用机制尚不清楚，也没有收集到足够的数据支持其普遍应用。
例如，Y. Wang和他的同事已经用糖尿病大鼠进行了体内ES实验，当导电支架被用作伤口敷料时，伤口愈合速度会更快。在另一个例子中，用银纳米线和甲基丙烯酸海藻酸盐制备了一种柔性电贴片(ePatch)，体外和体内ES研究均显示出良好的结果。进一步考虑电源的技术要求和治疗的限制(时间和地点)，最近设计了一种一体化自供电的电子刺激伤口敷料，其中透明质酸钠作为活性物质可加速电刺激下的伤口愈合。此外，利用天然生物基单体，将吡咯、明胶和海藻酸盐结合，制备出一种可3d打印的水凝胶，用于电刺激辅助组织工程。
2、HA在伤口愈合中的作用
透明质酸 (HA) 是一种天然线性阴离子多糖（图 1b），是 ECM 的主要成分，在人体中广泛分布。本文团队发现 HA 被是组织再生过程中的关键参与者之一，并且是一种电调节介质。具体而言，HA 可增强胶原沉积、上皮形成和伤口血管形成（图 1c）。在增殖阶段，HA促进成纤维细胞和角质形成细胞的迁移和增殖。此外，HA的吸水能力在不具有抗原性的情况下维持了创面的水分。这种生物功能导致相对于其他材料具有独特特征，从而有利地加速伤口愈合。然而，作为一个缺点，HA 本身不会形成水凝胶，而是需要化学功能化来引入交联位点。
尽管如此，由于HA的特异点 (包括生物相容性、生物降解性、天然生物功能、亲水性和非免疫反应性)，基于HA的水凝胶最近还是引起了广泛关注。
鉴于此，本文综述了近年来在皮肤组织工程领域制备HA电响应性水凝胶的研究进展。据作者所知，尽管最近的一些综述显示了类似的范围，但没有一篇综述关注HA作为一种多面多糖的相关性。因此，本文的目标是首先研究 HA 水凝胶如何通过利用多个导电部分而具有电活性来填补这一空白。然后，突出显示已准备好处理皮肤再生复杂性的选定多功能系统；最后，讨论了交互性，这是该研究方向的未来方向。综上所述，本文总结了HA和ES联合应用治疗皮肤创伤的重要研究进展。
使HA水凝胶具有电活性
一般来说，导电水凝胶主要通过在配方中使用各种导电材料来实现，如金属/金属氧化物纳米颗粒（NPs；例如 Au、Ag、Pt、FeO 和 ZnO）、碳基部分（例如石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管和纳米线）和导电聚合物（CPs；例如聚吡咯 (PPy)，聚苯胺（PAni）、聚噻吩（PT）、聚（3,4-乙烯二氧噻吩（PEDOT）等）（图2）。此外，向读者展示多功能导电HA基水凝胶的多功能性和应用范围，表 1 总结了以下部分中描述的选定作品。
图 使水凝胶具有电活性的导电材料:(a)碳基部分和(b)导电聚合物
表 本综述中描述的多功能导电ha基水凝胶在皮肤护理中的通用性和应用范围
1、含金属/金属氧化物纳米粒子
为了在 HA 水凝胶中构建具有金属纳米颗粒的 0D 性质的渗透网络这一项具有挑战性的任务，Shin等人利用微流控通道和油包水液滴形成，制备了基于甲基丙烯酸酯和倍醇化合物修饰的透明质酸的微凝胶(MeHA-Ga)。Shin等人的新方法提出了一种可用于多种应用的通用系统，如3D打印和电活性组织传导，该系统可提高细胞活力，并可控制电导率。类似地，尽管选择的生物聚合物是阳离子瓜尔胶，但最近也用同样的方法在聚多巴胺(PDA)纳米粒子上合成了银纳米粒子，这些纳米粒子随后被包裹在水凝胶网络中以促进伤口愈合。
在糖尿病慢性伤口处理的背景下，铂金合金纳米颗粒被嵌入一种自愈合水凝胶敷料中，这种敷料是通过氧化透明质酸和羧甲基壳聚糖的席夫碱反应合成的。然而，这些纳米粒子的主要作用是引入相关的生物功能，如降低血糖，减轻活性氧(ROS)的氧化损伤，以及通过模拟葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶提供氧气。
氧化锌(ZnO)也被包括在伤口敷料的配方中，因为它可以模拟某些生长因子的作用，尽管确切的伤口愈合机制需要进一步研究，但其同时显示出抗炎和抗菌作用。事实上，ZnO NP/肉桂精油混合物已经作为抗菌愈合促进剂添加到基于HA的伤口治疗纳米纤维支架中。基于这一目标，本文团队将锌有机框架(Zn- mof)添加到基于甲基丙烯酸酯HA的可降解微针(MeHA)中，通过紫外线(UV)交联制备出具有抗菌活性的微针。尽管没有导电性能，但在伤口部位实现了金属阳离子(Zn2+)的连续和稳定的释放，促进愈合，几乎没有二次损伤。
2、采用碳基材料
碳基填料具有良好的导电性和机械强度，是将水凝胶转化为导电网络的理想材料。在将其用于生物技术目的时，需要考虑其有限的整合/可有可无性以及其细胞毒性。
例如，Liang等人利用H2O2/HPR(辣根过氧化物酶)系统，开发了基于 HA 接枝多巴胺和还原氧化石墨烯 (rGO)用于伤口愈合的可注射纳米复合导电水凝胶敷料。(图3)除了高溶胀性、可降解性和可调节的流变学性能外，PDA的存在还诱导了抗氧化活性和组织黏附性，以及止血和自愈合能力。总之，多功能系统作为一个具有光热抗菌活性的药物缓释平台。氧化石墨烯(GO)也作为导电填料被负载在天然聚合物网络中。此外，它还被用作一种载体，用于分散和稳定基于明胶、PVA和HA的局部水凝胶中的银纳米颗粒。
此外，Ou等人以双重策略将氧化石墨烯引入水凝胶伤口敷料中。一方面，氧化石墨烯增强了水凝胶的力学性能，通过氧化HA的醛与n -羧乙基壳聚糖的氨基进行动态希夫碱反应合成。另一方面，氧化石墨烯不仅使水凝胶具有良好的导电性，还具有免疫调节作用。因此，这种功能的结合赋予了多功能系统指导内源性电流和调节免疫的可能性。
最后，为了治疗感染的慢性伤口，本文还将氧化石墨烯与稀土铽离子(Tb3+)结合到聚乙烯醇(PVA) -海藻酸盐水凝胶中，该水凝胶在不含任何抗生素药物的情况下显示出抗菌效果，这一方法可适用于基于HA的平台。在碳基材料中，碳点(CDs)具有独特的光学、电化学、生物相容性和光致发光特性。此外，还有其他特性，例如低毒，在生理pH下的稳定性和在水中良好的分散性，使其可以用作含有 HA 的系统中的生物材料。例如在最近的一项工作中，研究人员利用嵌入在软透明质酸水凝胶中的光响应性cd的光动力能力，制造了一个能够对抗感染性细菌的平台。有趣的是，Ti3C2MXene 纳米片的突出特性（大比表面积、高导电性、低毒性和可生物降解性）被用于 HA/藻酸盐配方中，以提供用于挤出的导电细胞负载生物墨水。
图 HA-多巴胺/rGO 水凝胶制备示意图。(a) HA-多巴胺聚合物和(b) rGO@PDA的制备方案，(c) HA-多巴胺/rGO水凝胶的方案以及原始、弯曲、压缩和自愈的表征及其在伤口愈合中的应用
3、含导电聚合物和其他填料
尽管金属纳米粒子和碳基材料被广泛报道用于组织工程应用，但它们的长期细胞毒性和在某些情况下的低稳定性限制了它们的进一步使用。相比之下，除其他优势外，CPs 具有出色的电光性能、高稳定性和多功能掺杂化学例如，PPy已被用于增强基于HA的水凝胶的机械和导电性能，还有硫酸软骨素膜和水凝胶，这些水凝胶通过增强局部神经血管再生来促进糖尿病创面修复。此外，苯胺寡聚物和PAni20,也被用来生产生产导电HA水凝胶。例如，具有优良导电性的聚噻吩衍生物PEDOT因其与聚苯乙烯磺酸盐(PSS)掺杂时的生物相容性和水分散性而脱颖而出。事实上，PEDOT:PSS被用于醛(ALD)修饰的HA水凝胶中的导电网络。该体系在非共价相互作用和希夫碱键方面的动力学特性赋予了其自愈合、剪切变薄和黏着的能力(图4)。
最后，在意识到治疗糖尿病伤口的重要性以及 ES 对促进糖尿病伤口愈合的积极作用后。Liu等人使用离子液体通过Schiff反应，诱导了抗菌性能。最值得注意的是，与市售Tegaderm™膜相比，所得系统与覆盖的糖尿病伤口上的外源性 ES 相结合，诱导了愈合。
图 双交联导电PEDOT:Heparin/HA-ALD/GC水凝胶的特性。(a) HA被NaIO4氧化，形成具有醛基存在特征的HA- ald(左);二醇壳聚糖(中)的结构;PEDOT:肝素和PEDOT:PSS通过使用肝素或PSS作为掺杂剂聚合EDOT形成PEDOT颗粒来合成(右)。(b) 混合后形成的水凝胶;双交联水凝胶网络的三维结构方案以及参与形成双网络的相互作用。(c)水凝胶网络扫描电子显微镜(SEM)图像。
多功能性能的实现
由于创面愈合过程中复杂的病理机制和潜在的生理条件，单一功能的创面敷料治疗效果有限。因此对多功能性的追求意味着具有多种不同用途以使系统通用。具体而言，功能性水凝胶包含许多特性，例如抗菌反应、粘附和止血、抗炎和抗氧化性能、物质输送、自我修复、刺激反应和导电性等。
本节中，将重点关注那些具有独特特征的导电 HA水凝胶，它们具有可以彻底改变皮肤再生的性质，并推动了向临床的过渡（表 1）。HA水凝胶中的生物黏附性，可以快速有效地促进皮肤组织重新连接。它是从贻贝中获得灵感，引入蛋白质-儿茶酚基团，如PDA NPs或通过对HA骨架的化学修饰获得。事实上，现在的趋势是制备智能生物粘附材料，因为它们包含生物传感功能(在某些情况下是无线的)，从而可以实时和精确地评估愈合阶段。在这种情况下，有研究者通过使用 Li+和 Na+作为导电离子，利用硼砂作为动态交联剂，设计了类似贻贝的导电HA水凝胶。
虽然最终目标是获得用于电子皮肤(e-skin)应用的应变传感器，但该系统的整体性能、高拉伸韧性(42.4 kPa)、自黏附性(与猪皮的黏附强度为49.6 kPa)和良好的自愈合性能可用于离子导电智能伤口敷料的设计。由于电子皮肤设备以及任何与皮肤接触的伤口电子贴片可能容易发生细菌感染，因此抗菌性能也非常需要。2019年，研究人员首次使用苯胺低聚物生产了基于HA的多功能伤口敷料。除电导率外，还获得了其他特性，如抗菌和抗氧化的有效反应，以及降解性和可注射性。具体来说，阿莫西林是包裹的抗生素，而苯胺四聚体显著加快了全层皮肤缺损的伤口愈合速度。事实上，最近，携带高密度正电荷的掺杂聚苯胺对革兰氏阳性菌的杀菌作用已经得到证实。研究人员将 PAni 与大分子掺杂剂磺化 HA 偶联以构建导电水凝胶敷料，利用ES在体内研究了其治愈难治性感染慢性伤口的潜力(图5)。在后来的工作中，类似的水凝胶平台(即PAni共价接枝到季铵化壳聚糖上)结合ES加速了慢性糖尿病伤口愈合，同时显示出增强的电导率和内在的抗菌反应。
图 (a) 聚丙烯酰胺-磺化透明质酸-聚苯胺(PAM-SHA-PAni, PSP)水凝胶的制备；(b) PAni与脂磷壁酸特异性相互作用诱导革兰阳性菌损伤的方案。
本文团队还利用四苯胺制备了一种可注射的导电水凝胶，这种水凝胶具有新的附加功能，即可持续的缺氧诱导能力。在这里，本文选择了一个糖尿病伤口作为代表性的损伤模型，并在其上注射了水凝胶。其他研究者设计了一种复杂的体系，具有以前没有发现过的独特特征，如紫外线阻隔能力，光热抗感染，按需拆卸，以及其他能力(如可注射性，自愈合，组织黏附等)。详尽表征证明了它的多功能性，其重点是改进对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌 (MRSA) 感染伤口的治疗。具体来说，网络中存在的二硫键被二硫苏糖醇(DTT)快速分解是其崩溃的原因(按需移除)，而紫外线阻挡能力归因于类似黑色素的PDA@PPy纳米复合材料的存在(图6)。
尽管不一定导电，但值得一提的是，抗氧化剂HA水凝胶被设计成具有葡萄糖反应性的水凝胶，以清除导致糖尿病慢性伤口延迟愈合的活性氧(ROS)。最后要说明的是，如果通过真空下简单的处理，黑色素衍生物会具有高导电性。为了促进伤口愈合，研究者将具有优良光热能力的墨鱼黑色素纳米颗粒引入透明质酸水凝胶中用于光热抗菌治疗，完成了一系列附加特性，包括抗氧化、止血、渗出吸收和缓释特性，以及其他(即可注射、可拉伸和自愈合系统)。
图 HA-CYS/PFA/PDA@PPy水凝胶的制备、功能和应用
未来展望：交互式HA水凝胶
通过趋电性，伤口处电流有利于伤口愈合并促进组织再生。事实上，这种内源性 ES 引导生物细胞运动以闭合伤口。如前所述，当额外施加外部电流时，即外源性 ES，可以进一步加速这种愈合过程。然而，最先进的导电伤口敷料不仅旨在促进 ES 的均匀应用，而且还通过监测和分析愈合阶段充当交互平台。
作为实现一定程度相互作用的第一种方法，各种各样的刺激响应性纳米复合水凝胶被设计成可以对大量的内部或外部刺激进行动态反应。然而，目前的趋势是通过智能医疗设备来关注个人健康诊断和护理，这些设备允许运动检测、温度控制，甚至对其他设备进行无线控制。因此，下一代皮肤伤口敷料是什么样子的?它们能否克服在促进皮肤伤口愈合的同时对人体健康进行实时监测的苛刻组合?
例如，Yao等人已经报告了几个基于聚乙烯醇-海藻酸钠-g-多巴胺-银纳米线-硼砂89和壳聚糖90的系统，它们确实为这些问题提供了初步的答案。具体来说，表皮应变传感器除了具有正确的在体伤口愈合性能外，还记录了各种尺度的人类活动，如脉搏和呼吸、眨眼、手指和手腕的运动以及握拳和张开手的运动，响应速度快，稳定性好。同样，在寻找交互功能的过程中，本文团队开发了具有抗菌能力的导电水凝胶，用于表皮传感器和糖尿病足伤口敷料，以模拟真皮层组织的功能(图7)。
虽然聚乙烯醇被用作生物相容性聚合物，但在这种皮肤仿生装置中，由PDA 修饰的银 NPs 充当抗菌成分，而聚苯胺是导电的。另一群研究者研究了一种具有多功能特性的水凝胶，用于健康检测（即实时检测伤口的压缩程度）和伤口愈合。该装置的独特之处在于在海藻酸盐敷料中添加了甘油，提高了水凝胶的弹性和抗冻性，以确保其在寒冷环境中作为传感器的正常功能。
因此，很明显，摆在面前的是一个巨大的挑战：制造导电的多功能 HA 水凝胶皮肤敷料，不仅可以通过被动功能促进皮肤修复，还可以通过实时监测患者的健康状况与患者互动，然后，将此信息转交给医疗团队。在这方面，通过利用 HA 的优异特性，期望未来的设备能够最终通过ES增强皮肤组织再生，同时显示细菌生长来进行控制。
图 PDA@Ag NPs/导电聚合物基水凝胶的合成及其作为糖尿病足伤口敷料表皮传感器的进一步应用
结论
本论文总结了近年来基于透明质酸设计导电和相互作用的水凝胶作为伤口敷料的进展，其中皮肤护理和组织修复是通过ES和/或多功能特性实现的。在用于使透明质酸水凝胶具有电活性的导电材料中，最相关的材料包括金属/金属氧化物纳米颗粒、碳基部分和导电聚合物。不过，我们预计在接下来的几年中，当其他导电材料（例如 PEDOT 衍生物）将应用于基于 HA 的水凝胶时，会有更先进的发展。
为了解决皮肤再生过程及其多个方面的问题，水凝胶被设想为多功能系统，从而结合了优越的特性，例如自我修复、粘合、抗菌、可注射和抗氧化特性等。事实上，性能更佳的一体式多功能创面敷料避免了使用多个单次使用的单一功能敷料，从而节约了成本。
在这方面，3D制造方法，甚至4D方法，已经用于其他生物聚合物，预计将在短期内应用于HA基水凝胶。同样，ha -水凝胶可以与静电纺丝毯结合，以提高性能和更复杂的形貌。尽管HA基水凝胶的生物活性较低伤口敷料已经明显优于其他材料。在愈合方面，可能会更进一步通过添加其他生物分子或干细胞来改进。事实上，研究者们也正在探索新的途径，包括基因治疗、激素/酶的添加以及生长因子的控制作用。具有足够生产率和可重复性的大规模制造是这一研究领域的另一个挑战，它决定了商业化能否成功。此外，随着我们迈向个性化医疗时代，还需要努力开发便携式低成本 ES 设备，这些设备具有易于使用的组件和低维护成本，以及种类繁多的可原位调整的敷料更好地匹配需要治疗的伤口类型。
