《Cell Biomaterials》：Tissue-fluid-driven symbiotic electronic textile accelerates and guides tissue self-healing
编辑推荐：
为了解决常规电刺激疗法依赖外部电源、组件刚性和组织贴合度差等问题，研究人员开发了一种基于组织液驱动、可生物吸收的自供电共生电子织物（SBST）。该研究通过整合Mg/Mo纳米电极与MXene离子传输层，实现了稳定的自发电刺激输出。体内研究证实，SBST能显著促进大鼠跟腱再生、加速小鼠皮肤伤口愈合并有效抑制细菌感染。其织物兼容、无引线的设计为下一代临床可转化的电刺激疗法提供了新策略。
电刺激是促进组织自我修复的强大策略，然而，传统的电刺激系统一直面临着几大瓶颈：它们需要笨重的外部电源和连接线，其刚性组件难以贴合人体柔软、动态的组织表面，并且通常不可生物降解，需要二次手术取出。这些问题严重限制了患者的舒适度、活动自由和治疗依从性，也阻碍了电刺激疗法在慢性伤口、肌腱修复等场景的广泛应用。因此，研发一种无需外接电源、柔软贴合并能完全在体内降解的智能电刺激装置，成为再生医学领域亟待攻克的关键挑战。
在《Cell Biomaterials》发表的这项研究中，中国科学院大学的王恩贵、徐玲玲、欧阳汉等研究人员提出了一种创新解决方案：一种由组织液驱动的、自供电的、完全可生物吸收的共生电子织物（Self-powered Bioresorbable Symbiotic electronic Textile, SBST）。这项研究巧妙地融合了仿生学、材料科学与电子工程，旨在为组织修复提供一种“智能绷带”。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：通过静电纺丝技术制备可生物降解的聚己内酯（PCL）纤维基底；采用掩模辅助磁控溅射技术在基底上图案化沉积镁（Mg）和钼（Mo）纳米电极；通过喷涂法自组装MXene（二维过渡金属碳/氮化物）纳米片，形成离子传输调控层。研究在昆明小鼠、SD大鼠以及STZ诱导的糖尿病巴马小型猪等多种动物模型中，系统评估了SBST的疗效。
结果与讨论
SBST的设计理念
SBST的设计核心是将电刺激疗法与医用纺织品相结合。它由可生物降解的PCL纤维基底、Mg/Mo功能化纳米电极层以及MXene离子传输层构成，总厚度仅80±2.3微米，重量约70±3.1毫克。Mg提供高负电化学电位以产生稳定的原电池输出，而Mo降解更慢，确保持久的阴极界面。MXene的层状纳米通道能高效传输离子并调控Mg的电化学反应速率，从而稳定输出并延长器件寿命。同心圆电极设计产生的径向电场与组织内源性生物电信号方向一致，能促进细胞定向迁移和增殖。
SBST的材料与电学表征
MXene层的引入显著改变了材料的电化学行为。塔菲尔曲线显示，MXene涂层将腐蚀电位从1.66V降至1.37V，腐蚀电流降低了约1000倍，表明Mg电极的腐蚀被有效抑制。I-V曲线和阻抗分析显示MXene纳米层调控了电荷传输。SBST能在生物组织阻抗负载范围内（200-10,000欧姆）持续输出不低于20μW的功率。电流-时间测试表明，Mg/MXene能维持约350μA的稳定电流，而纯Mg的电流则从7mA快速衰减。此外，SBST具有优异的透气性，水蒸气透过率高达130g m-2h-1，并展现出与软组织相匹配的机械柔性。
抗菌性能与生物相容性
细菌感染是延迟组织愈合的主要因素。SBST通过原电池反应在局部产生活性氧（ROS）。甲基紫降解实验间接证实了ROS的生成，2小时内降解率达99%。体外抗菌测试显示，SBST对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌率分别高达98%和99%。扫描电镜图像显示，SBST上的细菌出现严重的膜损伤和结构坍塌。细胞实验表明，SBST具有良好的生物相容性，细胞存活率接近100%，溶血率仅为1.1%，远低于国际标准5%的安全阈值。
电刺激对细胞迁移和增殖的影响
通过体外细胞划痕实验发现，SBST能显著促进人角质形成细胞（HaCaT）的迁移，刺激6小时后伤口闭合面积是对照组的2.2倍。在体外成管实验中，SBST处理的人脐静脉内皮细胞（HUVECs）形成了更多、更复杂的管状结构，连接点数量、总分支长度和平均分支长度均显著增加。这表明SBST产生的电刺激能有效促进细胞迁移和血管生成。
In vivo电学测试
研究人员设计了两种电极构型：SBST-S（镁在外环）和SBST-M（镁在中心）。在小鼠伤口模型上的电位测量显示，SBST-S组在伤口边缘产生了更均匀且显著增强的电位，电场强度从对照组的约60mV/mm增强至约240mV/mm，与内源性愈合方向一致。而SBST-M组则产生了方向相反的电场。SBST-S产生的电场能在60分钟内保持相对稳定，并在约24小时后随Mg完全氧化而逐渐恢复到基线水平。
SBST在小鼠模型中加速皮肤组织自愈的评估
在全层皮肤缺损小鼠模型中，SBST-S组展现出最显著的愈合加速效果。术后第3天和第6天，其伤口面积均显著小于其他各组。到第12天，SBST-S组的伤口几乎完全闭合。组织学分析显示，第9天时SBST-S组肉芽组织最厚、新生表皮最长。第21天时，在SBST-S组愈合组织中观察到了新形成的毛囊，表明皮肤再生质量更高。天狼星红染色显示SBST-S组的胶原III/I比值更高，更接近正常皮肤，意味着更好的组织弹性且疤痕形成少。免疫荧光染色显示SBST-S组的CD31+血管面积显著增加，证实了其促血管生成作用。
转录组分析
对术后第6天伤口组织的mRNA测序分析揭示了SBST-S促进愈合的潜在机制。与对照组相比，SBST-S组显著上调了一系列与组织再生密切相关的基因，涉及细胞外基质（ECM）重建、血管生成以及细胞粘附、增殖和迁移等功能。基因集富集分析（GSEA）证实了PI3K-Akt（磷脂酰肌醇3激酶-蛋白激酶B）、MAPK（丝裂原活化蛋白激酶）和钙信号通路的富集。定量PCR结果进一步验证了PI3K-Akt通路及相关基因（Tgfβ1, Egf, Vegfa等）的上调。
SBST在体内加速并引导肌腱组织自愈的评估
在大鼠跟腱损伤模型中，包裹了SBST的肌腱在功能恢复、组织形态和胶原排列方面均表现最优。步态分析和跟腱功能指数显示，SBST组在4周内功能恢复最显著。组织学检查显示，SBST组形成了类似天然肌腱的平行胶原纤维结构，细胞呈纺锤形，而对照组则呈现更多的炎症浸润和松散细胞外基质。Masson染色和取向分析表明，SBST组胶原含量最高，且纤维排列最有序。
SBST在糖尿病猪模型中加速并引导难愈皮肤组织自愈的评估
在STZ诱导的糖尿病巴马小型猪全层皮肤伤口模型中，SBST再次证明了其卓越的疗效。术后第10天，SBST组的平均愈合率（42.48%）显著高于PCL对照组（10.75%）。第20天时，SBST组伤口接近完全闭合（96.1%），而对照组仍有约30%未愈合。组织学分析显示，SBST组新生表皮最长，肉芽组织宽度最窄，胶原沉积更丰富且排列更有序。多普勒血流成像显示SBST组血流灌注信号最强。Ki67免疫组化染色显示SBST组增殖细胞数量显著增多，表明电刺激有效促进了上皮细胞增殖。
结论与重要意义
本研究成功开发了一种由组织液驱动、可完全生物吸收的自供电共生电子织物（SBST）。它通过整合Mg/Mo纳米电极与MXene离子传输层，克服了传统原电池系统输出不稳定、电极降解快的难题，实现了稳定、持久的自发电刺激。SBST兼具优异的柔性、透气性、抗菌性和生物相容性。
其重要意义在于：第一，实现了能量自给与结构革新，摆脱了对笨重外部电源和连接线的依赖，采用柔软的织物形态，完美贴合动态组织表面，极大提升了患者舒适度和治疗可及性。第二，开创了稳定可控的自供电新模式，利用MXene纳米通道精密调控电化学反应，确保了治疗剂量的电刺激稳定输出，避免了传统直接接触式原电池的波动和潜在刺激。第三，证实了广泛而高效的治疗效果，研究在皮肤伤口、跟腱损伤以及极具挑战的糖尿病伤口等多种动物模型中，系统验证了SBST在加速愈合、促进血管生成、引导胶原有序排列、抑制感染等多方面的卓越功效。第四，展现了强大的临床转化潜力，其制造工艺与现有医用纺织品系统兼容，具备大规模生产的可行性，加之其完全生物降解的特性，无需二次取出，为开发下一代个性化、智能化的“即贴即用”型电刺激治疗平台奠定了坚实的基础。这项研究不仅为组织修复提供了创新工具，也为自供电生物电子器件的设计提供了新范式，推动了再生医学向更微创、更智能、更患者友好的方向发展。
