导     语

可生物降解的压电器件在瞬时生物电子学中具有广阔前景，四川大学团队提出了一种基于密度泛函理论的超声波辅助合成方法，制备出一种γ-甘氨酸/聚乙烯醇（γ-甘氨酸/PVA）压电薄膜，该薄膜被开发成柔性、生物可吸收的无线压电超声电疗装置，在临床前伤口模型中缩短约40%的伤口愈合时间并实现自我降解。这些结果为压电生物膜的工程应用和瞬时生物电子学的发展提供了可靠方法。相关研究成果发表在《Science Advances》期刊上。

1、研究背景

生物可降解器械的降解产物可被人体吸收或通过代谢过程排出体外，实现了植入式/可穿戴式医疗系统（IWMS）的完全集成，这些系统能够进行无线监测、诊断和治疗，包括动脉脉搏感测、按需疼痛管理和加速伤口愈合过程。压电材料的特性使其成为智能医疗设备的重要组成部分。然而，目前大多数压电材料仍为无机体系，缺乏生物降解性，限制了其临床应用。因此，开发可生物降解的压电材料和相关设备具有重要意义。

近年来，对可生物降解的压电甘氨酸的研究引起了广泛关注。虽然β-甘氨酸在环境中稳定性较差，但具有与无机PZT相当的压电性能。然而，现有的制备方法复杂且难以工业化。通过直接固化工艺制备的压电甘氨酸膜显示出潜力，但其压电性仍有提升空间。优化晶体取向和深入研究γ-甘氨酸晶体的压电性起源对于材料合成至关重要。

为了解决这些问题，研究人员提出了一种优化的材料制备和器件制造策略，制备了一种由PVA层包裹的-β取向的γ-甘氨酸的柔性、可生物降解和高度自对准的压电夹层γ-甘氨酸/PVA膜，进一步将压电生物膜发展成柔性、生物可吸收的无线压电超声电疗装置（b-WPUE）。

2、研究概述

无线压电超声电疗装置设计

该装置由以下部分组成：

· 用于声-电转换的无线、无电池功率采集器：由钼（Mo）-γ-甘氨酸/PVA膜（直径10 mm）和两个封装在聚乳酸（PLA）膜（厚度50 μm）中的Si PIN二极管组成。压电活性γ-甘氨酸/聚乙烯醇膜在超声波激励下产生振动并生成电能。

· 用于电刺激的瞬态电极：通过Si PIN二极管整流后，直流（DC）信号输送到暴露的Mo电极，该电极由三个蛇形花状同心圆组成，宽度为0.5 mm，厚度为50 μm，间距为1 mm。这种设计提供了一定程度的柔性和延展性，确保其能够舒适地附着在伤口表面。

通过折叠采集器和电极，并使用PVA凝胶固定，最终完成了该装置。由于其厚度约为270 μm，总重量约为58 mg，该设备具有薄且柔性的布局，使b-WPUE可以自由弯曲并舒适地附着在曲面上。轻质和柔性的设计使b- WPUE具有较低的模量，确保其在不规则组织和自然运动过程中适当变形，最小化对使用者的刺激或伤害。

b-WPUE的结构层，不同视角的视图与其随时间的降解（图片来自论文）

小鼠加速伤口愈合的验证

实验设置了四个不同的组别：[对照组、US组、b-WPUE组和b- WPUE + US（刺激）组]，所有小鼠均处于相同的实验条件下。下图显示了四组小鼠在不同治疗下的愈合进展，结果表明，刺激组的伤口愈合显著优于对照组，愈合速度加快约40%。在治疗2天后，刺激组的伤口面积显著减小。此外，b- WPUE组显示，单独使用b- WPUE并不会改变伤口愈合的速率。尽管所有组的伤口在15天后基本愈合，但刺激组的伤口在第10天最接近完全恢复。综上所述，三个比较组在伤口愈合方面无显著差异，而刺激组的伤口愈合显著加速。

不同设备下小鼠伤口的愈合效果（图片来自论文）

通过Masson三色染色评估了伤口中胶原蛋白的数量和质量。与其他组相比，使用超声诱导电刺激的伤口在染色后表现出最对齐的胶原和最有序的排列。此外，在第6天和第12天，通过CD31和α-平滑肌肌动蛋白（α-SMA）的免疫荧光分析，评价了伤口处理后的新血管形成和成熟血管形成情况。结果表明，刺激组显示出最高程度的血管生成，表明电刺激促进了血管的形成和皮肤组织的再生。

通过CD86和CD206的免疫荧光检测，评估了M1和M2巨噬细胞在伤口中的分布。与其他三组相比，刺激组在第6天和第12天表现出最少的M1巨噬细胞和最多的M2巨噬细胞，表明电刺激可以有效促进巨噬细胞的极化。促炎细胞因子白细胞介素-1β（IL-1β）、IL-6和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）的免疫荧光染色显示，电刺激能够有效减轻炎症反应，降低促炎细胞因子的表达，且随着治疗持续时间的增加，差异更为显著。

总的来说，这些发现表明，在超声激发下，b-WPUE具有稳定的电输出，可以促进肉芽组织发育、胶原沉积、血管生成和抗炎功能，从而在改善外科伤口愈合中起到重要作用。

小鼠伤口组织的检测结果（图片来自论文）

体外和体内生物相容性和生物降解性评估

使用活/死染色和细胞计数试剂盒（CCK-8）测定来评估其对HaCaT细胞的细胞毒性。在HaCaT细胞与PVA、甘氨酸、γ-甘氨酸/PVA和b-甘氨酸WPUE共孵育72小时后，大多数细胞呈现绿色，表明存活，而只有少数细胞呈现红色，表明死亡，并且细胞活力超过90%。此外，从第1天到第3天，细胞数量增加了近六倍，CCK-8结果与活/死染色结果一致。HaCaT细胞的正常扩散和增殖表明b-WPUE及其组分无毒，具有良好的生物相容性。

溶血实验表明，b-WPUE及其组分表现出良好的生物相容性，溶血率低于0.2%，符合国际标准化组织（ISO 10993-1994）<5%的标准。体内生物可再吸收实验表明，无电极的b-WPUE从第1天到第10天逐渐被吸收，显示出优异的生物可降解性。

全血分析表明，在整个植入期间，所有结果均保持稳定，并在正常范围内，无任何异常，表明b-WPUE的良好生物相容性和长期生物安全性。

体外和体内生物相容性和生物降解性评估（图片来自论文）

3、研究意义

本研究通过超声辅助混合凝固法成功制备了一种柔性、可生物降解的、高压电性能的γ-甘氨酸/聚乙烯醇压电薄膜，该薄膜具有高度晶向取向和优异的压电性能。实验和计算表明，其压电性能源于晶向的优化和分子间氢键作用导致的压缩/拉伸效应。将其集成到b-WPUE中，可用于无线伤口电疗，在临床前模型中促进伤口愈合并在功能寿命结束时自行降解。这种高性能、可生物降解的生物膜和超声设备为无线电疗提供了新的前景，并在瞬态生物电子学领域产生了重大影响。

文章来源：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn0260