用于糖尿病創(chuàng)面的防疤痕愈合的自供電酶聯(lián)微針貼片

糖尿病創(chuàng)面由于局部高血糖、慢性炎癥、反復(fù)感染等原因，通常存在治療效果有限、愈合時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，嚴(yán)重影響患者的日常生活，甚至具有造成截肢的風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)的創(chuàng)面敷料和水凝膠創(chuàng)面敷料是治療糖尿病創(chuàng)面常用的敷料。然而，雖然研究人員在促進(jìn)糖尿病創(chuàng)面愈合方面已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展，但目前存在的缺點(diǎn)，包括功能單一、修復(fù)效果有限、粘附敷料從創(chuàng)面剝離造成二次創(chuàng)傷等，仍未得到解決。

隨著微納加工技術(shù)的發(fā)展，一種基于微針（microneedle）技術(shù)的新型治療方法得到了發(fā)展。微針貼片由一系列長(zhǎng)度約為10 μm ~ 2000 μm、直徑小于300 μm的微針組成。微針貼片具有微創(chuàng)、無(wú)痛、方便等特點(diǎn)。作為一種經(jīng)皮給藥方法，微針在糖尿病創(chuàng)面中的應(yīng)用得到了廣泛的研究。此外，微針貼片可以通過(guò)機(jī)械互鎖的方式附著在創(chuàng)面上，避免縫合創(chuàng)傷。近年來(lái)，研究人員開發(fā)了多種微針貼片，包括給藥微針、生長(zhǎng)因子釋放微針、一氧化氮（NO）釋放微針等，用于治療糖尿病創(chuàng)面，并在糖尿病創(chuàng)面的治療上取得了良好效果。然而，基于微針的研究很少能有效地預(yù)防疤痕形成。

到目前為止，疤痕形成的機(jī)制仍然不清楚。業(yè)界認(rèn)為，成纖維細(xì)胞的過(guò)度產(chǎn)生和創(chuàng)面周圍生物電的消失可能是主要原因。特別是生物電在緩慢的創(chuàng)面修復(fù)過(guò)程中逐漸減弱甚至消失，導(dǎo)致創(chuàng)面修復(fù)基因調(diào)控紊亂和創(chuàng)面愈合級(jí)聯(lián)反應(yīng)的下調(diào)，從而使得膠原纖維沉積紊亂以及細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）重構(gòu)異常，最終導(dǎo)致疤痕形成。

因此，如何刺激和放大內(nèi)源性生物電已經(jīng)成為組織修復(fù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。壓電和摩擦生電技術(shù)的發(fā)展為刺激內(nèi)源性生物電的產(chǎn)生提供了新的途徑。然而，這些技術(shù)產(chǎn)生的生物電具有不穩(wěn)定和不可持續(xù)的缺點(diǎn)。外部電源可以克服這些缺點(diǎn)，但攜帶和使用外部電源的不便限制了其在創(chuàng)面管理中的使用。與上述方法相比，酶促生物燃料電池（BFCs）可以利用生物酶作為高效電催化劑，將生物體內(nèi)的血糖、乳酸等化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定持續(xù)的電流，具有小型化、便攜性、生產(chǎn)成本低、綠色環(huán)保以及生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)。因此，生物燃料電池在起搏器、腦深部神經(jīng)刺激器、胰島素泵等醫(yī)療電子植入物領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

作為最常見(jiàn)的生物燃料電池之一，葡萄糖生物燃料電池在體內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，這得益于以下實(shí)質(zhì)性優(yōu)勢(shì)：（i）天然生物酶的使用不會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生任何毒性效應(yīng)；（ii）含有葡萄糖氧化酶（GOx）的陽(yáng)極會(huì)消耗葡萄糖產(chǎn)生電能，從而降低創(chuàng)面周圍的葡萄糖濃度；（iii）含有辣根過(guò)氧化物酶（HRP）的陰極產(chǎn)生的氧有利于創(chuàng)面愈合；（iv）由于葡萄糖供應(yīng)充足，可以實(shí)現(xiàn)生物電的連續(xù)、穩(wěn)定輸出。此外，生物燃料電池與微針的集成將為創(chuàng)面管理提供一種簡(jiǎn)單有效的方法。

葡萄糖氧化酶與辣根過(guò)氧化物酶之間的級(jí)聯(lián)反應(yīng)將保證高效率的電流輸出，提供內(nèi)源性生物電，促進(jìn)創(chuàng)面愈合，防止疤痕形成。然而，游離酶具有穩(wěn)定性差、易失活和變性、重復(fù)利用率低、反應(yīng)控制困難以及催化效果差等缺點(diǎn)，使得雙酶體系操作復(fù)雜、成本高，限制了其長(zhǎng)期發(fā)展。咪唑酸分子篩骨架（ZIF-8）是一種表面粗糙的多面體，具有易于合成、穩(wěn)定性高、比表面積大以及孔隙率高等優(yōu)點(diǎn)。因此，咪唑酸分子篩骨架已經(jīng)被廣泛用于固定和保護(hù)酶、蛋白質(zhì)和DNA等生物活性成分。此外，咪唑酸分子篩骨架已經(jīng)被證明具有有效的抗菌活性，可以保護(hù)創(chuàng)面免受細(xì)菌感染。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，為了解決以上挑戰(zhàn)，蘭州大學(xué)和美國(guó)康涅狄格大學(xué)（University of Connecticut）的研究人員設(shè)計(jì)并制造了一種自供電的酶聯(lián)微針貼片，該貼片由陽(yáng)極和陰極微針陣列組成，其中分別含有包裹在咪唑酸分子篩骨架納米顆粒中的葡萄糖氧化酶和辣根過(guò)氧化物酶。微針貼片中的酶促級(jí)聯(lián)反應(yīng)可有效降低糖尿病創(chuàng)面局部高血糖，同時(shí)產(chǎn)生穩(wěn)定的微電流，從而促進(jìn)糖尿病創(chuàng)面的快速愈合。相關(guān)研究成果以“Self-powered enzyme-linked microneedle patch for scar-prevention healing of diabetic wounds”為題發(fā)表在Science Advances期刊上。

圖1 自供電微針貼片促進(jìn)糖尿病創(chuàng)面的防疤痕愈合示意圖

研究人員對(duì)該自供電酶聯(lián)微針貼片的形態(tài)、電導(dǎo)率、力學(xué)性能、抗菌能力和生物相容性進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果表明，制備的微針針尖形狀完整，并且，研究人員將微針應(yīng)用于大鼠糖尿病創(chuàng)面后，均勻分布于針尖的ZG（含有葡萄糖氧化酶的咪唑酸分子篩骨架）和ZH（含有辣根過(guò)氧化物酶的咪唑酸分子篩骨架）納米顆?？裳杆僖l(fā)酶聯(lián)反應(yīng)，從而降低創(chuàng)面局部高血糖。

圖2 合成材料和微針貼片的表面形態(tài)分析

圖3 合成材料的抗菌試驗(yàn)

圖4 微針貼片的生物相容性

圖5 糖尿病創(chuàng)面的愈合效果評(píng)價(jià)

綜上所述，該研究將微針技術(shù)與酶聯(lián)生物燃料電池相結(jié)合，設(shè)計(jì)并制備了自供電的酶聯(lián)微針貼片。總的來(lái)說(shuō)，該自供電酶聯(lián)微針貼片不僅可以降低局部血糖濃度并產(chǎn)生電生理信號(hào)，而且具有較高的生物相容性和抗菌性能，可以快速促進(jìn)糖尿病創(chuàng)面愈合，有效防止疤痕組織的形成，在糖尿病創(chuàng)面修復(fù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

審核編輯：劉清