全植入無線觸覺系統(tǒng)：仿生人造皮膚在傷口愈合與觸覺恢復(fù)中的應(yīng)用

觸覺是五種基本感覺（觸覺、視覺、嗅覺、聽覺和味覺）之一，是生物體與周圍環(huán)境進(jìn)行交互并對(duì)各種外部刺激做出快速有效反應(yīng)的重要基礎(chǔ)。位于皮膚真皮層的機(jī)械刺激感受器和觸覺神經(jīng)元在接收到外部壓力刺激時(shí)會(huì)改變其電位，并調(diào)節(jié)觸覺神經(jīng)元的放電行為，從而根據(jù)接收到的壓力刺激強(qiáng)度將外部壓力轉(zhuǎn)化為不同頻率的電脈沖信號(hào)。嚴(yán)重?zé)齻?、皮膚癌、化學(xué)事故和工業(yè)事故造成的嚴(yán)重皮膚損傷會(huì)破壞皮膚的組織結(jié)構(gòu)和神經(jīng)系統(tǒng)，導(dǎo)致永久性觸覺功能障礙，從而嚴(yán)重影響個(gè)人日常生活。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，來自韓國延世大學(xué)（Yonsei University）、韓國科學(xué)技術(shù)研究院（Korea Institute of Science and Technology，KIST）等機(jī)構(gòu)的研究人員開發(fā)了一種嵌入全植入式無線供電觸覺系統(tǒng)的人造皮膚（WTSA）。這種人造皮膚運(yùn)行穩(wěn)定，可恢復(fù)永久性受損的觸覺功能，并促進(jìn)傷口愈合，從而使嚴(yán)重受損的皮膚再生。研究人員制備的WTSA有助于：（i）以廣泛的生物相容性替代嚴(yán)重受損的觸覺；（ii）通過基于膠原蛋白和纖維蛋白制備材料的人造皮膚（CFAS）促進(jìn)皮膚傷口愈合和再生；（iii）通過神經(jīng)接口電極上的水凝膠涂層將異物反應(yīng)降至最低。相關(guān)研究成果以“Bionic artificial skin with a fully implantable wireless tactile sensory system for wound healing and restoring skin tactile function”為題發(fā)表在Nature Communications期刊上。

圖1 WTSA總體示意圖以及刺激坐骨神經(jīng)的轉(zhuǎn)換后觸覺信號(hào)的傳輸過程

具體而言，該研究提出的觸覺皮膚系統(tǒng)由基于細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的人造皮膚、基于裂紋結(jié)構(gòu)的壓力傳感器、無線供電壓力-頻率調(diào)制（WPPFM）電路、神經(jīng)接口電極和多層封裝組成。這一完整的觸覺皮膚系統(tǒng)將所有組件集成在單個(gè)基底上，通過傳輸取決于外部施加壓力強(qiáng)度的基于頻率的動(dòng)作電位來實(shí)現(xiàn)仿生觸覺識(shí)別。嵌入人造皮膚中的觸覺傳感器通過電阻的變化來檢測外部施加壓力的強(qiáng)度。包覆觸覺傳感器的人造皮膚由天然皮膚的主要細(xì)胞外基質(zhì)成分組成，具有與皮膚組織相似的機(jī)械特性，因此能夠有效地促進(jìn)皮膚再生和傷口愈合。

此外，WPPFM電路通過環(huán)形振蕩器將觸覺信號(hào)（電阻）轉(zhuǎn)換為基于頻率的鋸齒狀脈沖信號(hào)（Δ頻率）。轉(zhuǎn)換后的信號(hào)傳輸?shù)缴窠?jīng)接口電極，以刺激與腿部運(yùn)動(dòng)相關(guān)的坐骨神經(jīng)。神經(jīng)接口電極上的水凝膠涂層具有與坐骨神經(jīng)相似的機(jī)械特性，可最大限度地減少運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的摩擦對(duì)神經(jīng)的損傷，并抑制神經(jīng)的纖維化，從而使其在長期植入后仍能夠有效刺激神經(jīng)。最后，整個(gè)裝置采用多層封裝，以保護(hù)裝置在長期運(yùn)行過程中免受生物流體的影響，并保護(hù)周圍組織免受泄漏電流的影響。

圖2 WPPFM電路和神經(jīng)接口電極的表征

圖3 基于膠原蛋白（5 mg/mL）和纖維蛋白（6.67 mg/mL）制備材料的人造皮膚（CFAS）的表征和傷口愈合效果

圖4 WTSA的生物相容性

研究人員將WTSA植入皮膚嚴(yán)重受損的大鼠模型中進(jìn)行體內(nèi)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，并通過測量受損皮膚在不同強(qiáng)度外壓下的肌電信號(hào)和腿部運(yùn)動(dòng)角度，對(duì)皮膚受損大鼠的腿部運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了精確分析。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，植入的WTSA可穩(wěn)定運(yùn)行9天以上，并能夠有效促進(jìn)傷口愈合。

圖5 WTSA體內(nèi)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，以及根據(jù)外部施加的壓力對(duì)皮膚受損大鼠腿部運(yùn)動(dòng)的精確分析

綜上所述，研究人員提出了一種利用集成在單個(gè)基底上的WTSA來替代永久性受損的觸覺并促進(jìn)嚴(yán)重受損皮膚再生的新方法，這一方法在生物醫(yī)學(xué)和相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)和臨床研究中具有良好的應(yīng)用潛力。此外，通過將這種裝置開發(fā)成多通道觸覺傳感和轉(zhuǎn)換單元，還能夠?yàn)榇竺娣e嚴(yán)重皮膚損傷提供基礎(chǔ)治療手段。

審核編輯：黃飛