在組織工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，仿生材料已經(jīng)成為解決傷口愈合和皮膚再生關(guān)鍵難題的一種前景廣闊的潛在材料。仿生皮膚材料在改善傷口愈合效果、實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新診斷和傳感器應(yīng)用方面具有巨大的潛力。人體皮膚結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能多樣，是設(shè)計(jì)生物材料的絕佳模型。要制造有效的傷口覆蓋物，就必須模仿人體皮膚具有的獨(dú)特的細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）成分、機(jī)械性能和生化特性。此外，將電子功能集成到仿生材料中，可以為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、診斷和個(gè)性化醫(yī)療實(shí)現(xiàn)突破帶來(lái)可能性。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，來(lái)自韓國(guó)高麗大學(xué)（Korea University）和埃及米尼亞大學(xué)（Minia University）的研究人員在Biomimetics期刊上共同發(fā)表了題為“Biomimetic Materials for Skin Tissue Regeneration and Electronic Skin”的綜述性文章，探討了仿生皮膚材料及其在皮膚再生和傷口愈合中的應(yīng)用，并對(duì)其與電子皮膚（E-skin）技術(shù)的結(jié)合進(jìn)行了討論。最后，文章討論了仿生皮膚材料這一快速發(fā)展領(lǐng)域的最新進(jìn)展、挑戰(zhàn)和未來(lái)發(fā)展方向。
仿生材料在傷口管理中的應(yīng)用及其局限性
隨著仿生技術(shù)的應(yīng)用，改善傷口管理的努力一直在進(jìn)行。然而，盡管成果喜人，創(chuàng)新理念層出不窮，但仿生材料成功通過(guò)臨床試驗(yàn)或在實(shí)際應(yīng)用中得到實(shí)施的例子卻屈指可數(shù)。仿生技術(shù)的開(kāi)發(fā)是一個(gè)涉及各種因素的復(fù)雜過(guò)程。使用仿生技術(shù)會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)和技術(shù)復(fù)雜化，給生產(chǎn)帶來(lái)困難。此外，將應(yīng)用各種仿生設(shè)計(jì)的技術(shù)結(jié)合到一個(gè)設(shè)計(jì)中也存在一定的挑戰(zhàn)。不過(guò)，正在進(jìn)行的研究旨在解決這些局限性，仿生傷口管理技術(shù)仍然是一個(gè)前景廣闊的領(lǐng)域。此外，雖然受動(dòng)物啟發(fā)的仿生技術(shù)已經(jīng)被廣泛探索，但受植物啟發(fā)的仿生設(shè)計(jì)的潛力卻在很大程度上被忽視了。最后，各種學(xué)科的結(jié)合與發(fā)展也為傷口管理技術(shù)的進(jìn)步提供了新的可能性。
圖1 受動(dòng)物啟發(fā)的仿生傷口管理技術(shù)
圖2 受植物啟發(fā)的仿生傷口管理技術(shù)
仿生材料在臨床應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇
目前，研究人員已經(jīng)提出了幾種基于仿生學(xué)的傷口管理技術(shù)，其中一些技術(shù)的有效性已經(jīng)通過(guò)臨床試驗(yàn)得到證實(shí)。在其中一個(gè)案例中，研究人員開(kāi)發(fā)了一種基于ECM特性的仿生納米纖維膜，以用于治療慢性傷口。這種仿生納米纖維膜由聚左旋乳酸/明膠組成，其厚度為0.65 μm，接觸角為80.39°，這種設(shè)計(jì)可使其保持良好的親水性。此外，這種仿生納米纖維膜還能促進(jìn)細(xì)胞增殖，減少細(xì)菌粘附。其治療效果在經(jīng)體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)后，研究人員進(jìn)一步對(duì)其臨床治療效果進(jìn)行了驗(yàn)證。臨床結(jié)果顯示，患者慢性傷口的愈合率達(dá)到93.3%，并且其中只有6.7%的患者需要再次接受手術(shù)。此外，66.7%的患者在傷口愈合期間只使用了一張仿生納米纖維膜。受生物啟發(fā)的皮膚替代品，例如Integra?和Matri Derm?已經(jīng)在市場(chǎng)上進(jìn)行銷(xiāo)售。這表明仿生技術(shù)在傷口管理方面具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
精確監(jiān)測(cè)與患者疾病的診斷和治療密切相關(guān)，因此電子皮膚應(yīng)用的信號(hào)準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)可靠性是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。此外，電子皮膚在實(shí)現(xiàn)臨床廣泛應(yīng)用之前還存在其它需要解決的問(wèn)題。首先，電子皮膚傳感器的一個(gè)實(shí)際問(wèn)題是絕緣不足導(dǎo)致的電流泄漏或電磁干擾。其次，電子皮膚需要可靠高效的電源。第三，電子皮膚需要能夠承受不同程度的拉伸和彎曲，以使其在日常的皮膚貼附狀態(tài)下和使用時(shí)不會(huì)喪失功能。這就要求它們既耐用又具有足夠的柔韌性，以防止在使用過(guò)程中出現(xiàn)斷裂。第四，由于要貼附在人體上，電子皮膚必須具有生物相容性，以防止其與人體皮膚接觸時(shí)使人體產(chǎn)生過(guò)敏或炎癥等不良反應(yīng)。第五，盡管電子皮膚的制造已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室層面取得了進(jìn)展，但其原型的大規(guī)模生產(chǎn)仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品一致性的高效生產(chǎn)工藝、簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程和降低生產(chǎn)成本是實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的關(guān)鍵因素。第六，人工智能（AI）模型在醫(yī)療保健領(lǐng)域應(yīng)用的阻礙之一是缺乏高質(zhì)量的醫(yī)療數(shù)據(jù)，這可能會(huì)影響診療結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，數(shù)據(jù)隱私、可用性和安全性也對(duì)人工智能在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用構(gòu)成了潛在限制。此外，還需要考慮人工智能模型的失誤問(wèn)題。第七，電子皮膚器件需要獲得醫(yī)療應(yīng)用的監(jiān)管許可。要克服監(jiān)管障礙，還需要解決上述限制因素。
圖3 （a）人類(lèi)觸覺(jué)感知系統(tǒng)；（b-f）電子皮膚的各種應(yīng)用：（b）基于摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）的可植入生物醫(yī)學(xué)器件；（c）柔性應(yīng)變傳感器在醫(yī)療機(jī)器人和假肢中的應(yīng)用；（d）實(shí)時(shí)生物和健康信號(hào)監(jiān)測(cè)；（e）用于慢性傷口管理的無(wú)線智能繃帶的總體設(shè)計(jì)；（f）人機(jī)界面的應(yīng)用。
圖4 （a）導(dǎo)電材料的材料和結(jié)構(gòu)示意圖；（b）MXene的掃描電鏡照片：手風(fēng)琴狀未剝離MXene、MXene納米片和夾層MXene納米復(fù)合膜，以及柔性?shī)A層MXene納米復(fù)合膜的光學(xué)照片；（c）在受傷皮膚上應(yīng)用的壓電納米發(fā)電機(jī)（PENG）和摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）示意圖。
仿生技術(shù)的未來(lái)研發(fā)方向
仿生學(xué)是一種前景廣闊的傷口管理技術(shù)，在治療其它疾病和癥狀方面也具有潛力。其中，以下幾種應(yīng)用方向的前景值得重點(diǎn)關(guān)注。
（1）仿生傷口敷料在促進(jìn)傷口愈合方面大有可為。傳統(tǒng)的傷口敷料主要側(cè)重于密閉傷口、吸收滲出物和保持濕潤(rùn)環(huán)境，因此在支持復(fù)雜的傷口愈合過(guò)程方面存在局限性。然而，通過(guò)在傳統(tǒng)敷料中加入膠原蛋白、糖胺聚糖或透明質(zhì)酸等ECM成分，可以積極促進(jìn)上皮細(xì)胞化、血管生成和膠原蛋白沉積，從而增強(qiáng)整個(gè)傷口愈合過(guò)程。
（2）仿生學(xué)為傷口管理技術(shù)提供了一種前景廣闊的方法，并有可能將其優(yōu)勢(shì)擴(kuò)展到其它疾病和癥狀的治療上。生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域可以從模仿動(dòng)物、植物和人類(lèi)等各種生物體內(nèi)的成分或微米和納米結(jié)構(gòu)中獲益匪淺?；谶@些仿生成分或結(jié)構(gòu)的材料具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括良好的生物相容性和生物可降解性、高靶向效率、低毒性以及抗氧化和抗炎特性。事實(shí)證明，這些仿生材料在傷口愈合方面非常有效，在治療各種疾病，尤其是癌癥方面也大有可為。
（3）傳統(tǒng)的傷口敷料無(wú)法提供有關(guān)傷口狀況的實(shí)時(shí)信息，從而導(dǎo)致錯(cuò)過(guò)調(diào)整治療的機(jī)會(huì)。因此，我們需要能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)傷口情況并加速傷口愈合的多功能智能電子皮膚貼片。為此，電子皮膚材料需要具有良好的彈性、自愈合能力、生物相容性、類(lèi)似皮膚的柔軟性，以及產(chǎn)生電信號(hào)以實(shí)現(xiàn)快速傳感等特性。研究人員正在探索利用水凝膠、液態(tài)金屬、導(dǎo)電聚合物和納米材料來(lái)實(shí)現(xiàn)具有這些特性的新材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
（4）電子皮膚具有柔軟、可拉伸、生物相容性和粘附性等特性，作為一種可穿戴設(shè)備，它能很好地粘附在人體上，從而實(shí)現(xiàn)持續(xù)健康監(jiān)測(cè)。此外，為了實(shí)現(xiàn)持續(xù)的信號(hào)傳感和監(jiān)測(cè)，電子皮膚器件需要以無(wú)線方式持續(xù)運(yùn)行。要在不影響舒適度或貼附性的前提下提供足夠的能量，能量的自我產(chǎn)生、存儲(chǔ)和電源效率至關(guān)重要。此外，隨著應(yīng)變傳感器的進(jìn)步，電子皮膚可以作為靈敏的觸摸界面，甚至可以檢測(cè)人體手勢(shì)和動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)縫的人機(jī)界面。這種人機(jī)界面可用于靈敏的健康監(jiān)測(cè)?？纱┐髯怨╇妭鞲衅骺捎糜诒O(jiān)測(cè)人體生命體征（心率、體溫、血壓等）、檢測(cè)人體皮膚狀況（例如用于壓瘡和糖尿病患者）、跟蹤傷口愈合進(jìn)度等，從而為老年人群以及心血管疾病和糖尿病患者提供醫(yī)療保健服務(wù)。
（5）未來(lái)研究的重點(diǎn)將是開(kāi)發(fā)在功能和特性上接近人類(lèi)皮膚的電子皮膚，這種電子皮膚包括機(jī)械感受器，并且具有良好的柔軟度、彈性、自愈能力和環(huán)境適應(yīng)性。在此基礎(chǔ)上，甚至可以開(kāi)發(fā)出在某些方面優(yōu)于人類(lèi)皮膚的電子皮膚。但是，由于材料問(wèn)題，制造出與可以與真實(shí)皮膚相媲美的人造皮膚很難，但利用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)可以幫助尋找和改進(jìn)材料，可以使電子皮膚變得更好、更安全。此外，將使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法的人工智能集成到電子皮膚中進(jìn)行獨(dú)立的數(shù)據(jù)分析，可以幫助我們了解用戶的個(gè)性化健康狀況，從而制定精確的個(gè)性化治療方案。此外，還可以將給藥機(jī)制直接集成到電子皮膚中，以進(jìn)行靶向治療。最后，考慮到人們對(duì)環(huán)境的日益關(guān)注，開(kāi)發(fā)可持續(xù)和可回收的電子皮膚也將成為未來(lái)研究的一個(gè)重要方向。
論文鏈接：
https://doi.org/10.3390/biomimetics9050278
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