近年來(lái)，可穿戴摩擦電納米發(fā)電機(jī)(TENGs)在傷口加速愈合方面的應(yīng)用引起了廣泛的關(guān)注。本研究以含MXene和明膠的導(dǎo)電光熱水凝膠為材料，制備了單電極TENG皮膚貼片(TESP)。MXene表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性和光熱轉(zhuǎn)換性能，而明膠表現(xiàn)出相變能力和柔韌性。TESP可以收集生物物理能量，在受損組織周圍產(chǎn)生電場(chǎng)，并結(jié)合近紅外光熱效應(yīng)促進(jìn)傷口愈合。TESP還可以作為生理信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器。TESPs輸出的峰間電壓和電流分別達(dá)到163.7?V和8.1 μA。通過(guò)光熱加熱和實(shí)時(shí)電刺激，TESP加速了體外小鼠成纖維細(xì)胞的細(xì)胞遷移。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，TESP能有效促進(jìn)膠原沉積和血管生成，從而加速組織再生和傷口愈合。據(jù)我們所知，這是首次報(bào)道基于mxene的TENG加速傷口愈合。我們相信，這項(xiàng)工作不僅為自供電可穿戴電子設(shè)備提供了一條治療傷口的新途徑，而且還為其作為先進(jìn)傳感系統(tǒng)的應(yīng)用提供了線索。
圖1. MXene及MXene/明膠水凝膠的組成分析及形態(tài)表征。(a) HF刻蝕后層狀Ti3C2的SEM圖像。(b)層狀Ti3C2的代表性SEM圖像和元素映射圖。(c) Ti3C2納米片剝離后的TEM圖像。(d, e) MXene/明膠水凝膠的SEM圖像。(f) MXene/明膠水凝膠的代表性SEM圖像和元素映射圖。(g) Ti3AlC2、Ti3C2、明膠、MXene/明膠水凝膠的XRD譜圖。(h)明膠、MXene和MXene/明膠水凝膠的FTIR光譜。(i) Ti3AlC2、Ti3C2、明膠和MXene/明膠水凝膠的XPS調(diào)查光譜。(j- 1) MXene/明膠水凝膠的高分辨率c1?s, o2?s和Ti 2p光譜。
圖2. TENG電子皮膚貼片(TESP)的制備及應(yīng)用示意圖。(a)用MXene/明膠水凝膠制備TESP。b)使用近紅外響應(yīng)mxene的TESP對(duì)傷口愈合的示意圖。(c)可穿戴式TESP的工作機(jī)理。
圖3. TESPs的電輸出性能。(a, d)在2?Hz頻率下，施加60?N的力時(shí)，含5?%、10?%和15?% MXene的水凝膠的TESPs的電壓和電流。(b, e)不同Ecoflex厚度的10?% MXene水凝膠在2?Hz頻率下施加60?N的力時(shí)，TESPs的電壓和電流。(c, f)含10?% MXene的水凝膠在2?Hz頻率下不同施力量下TESPs的電壓和電流。(g)在不同工作頻率下，當(dāng)作用力為30?N時(shí)，含有10?% MXene的水凝膠對(duì)TESP產(chǎn)生的電流。(h)在外力為60?N，頻率為2?Hz的情況下，含10?% MXene的水凝膠在不同負(fù)載阻力下的輸出電壓和電流。(i)含10?% MXene的水凝膠在3?Hz下施加60?N的力時(shí)，TESP的耐久性。插圖:圖的局部放大圖。
圖4. TESPs的光學(xué)、機(jī)械和光熱特性。(a)不同MXene含量的MXene/明膠水凝膠吸光度。(b) 10?% MXene水凝膠和不同Ecoflex厚度(0.5、1、1.5?mm)對(duì)TESP吸光度的影響。(c)不同厚度Ecoflex的透光率。(d-f)含5?%、10?%和15?% MXene的水凝膠和不同Ecoflex厚度的TESP在1?W?cm−2的808?nm近紅外激光照射下的光熱加熱曲線。(g)使用10?% MXene和1?mm Ecoflex水凝膠的貼片加熱和冷卻曲線。(h) TESP光熱循環(huán)。(i) Ecoflex彈性體薄膜與TESP的應(yīng)力應(yīng)變曲線。
圖5. TESP作為可穿戴傳感器的演示。(a)貼在志愿者喉嚨上的TESP和輸出的監(jiān)測(cè)咳嗽、吞咽和說(shuō)話的電信號(hào)。(b)手指彎曲不同角度的電響應(yīng)。(c)手指觸摸檢測(cè)電壓。(d)小鼠運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的TESP輸出電壓。
圖6. 近紅外輻照下TESPs電刺激及光熱效應(yīng)對(duì)小鼠成纖維細(xì)胞的影響。(a)利用小鼠胚胎成纖維細(xì)胞進(jìn)行細(xì)胞遷移研究(NIH-3?T3)。(比例尺:100?µm)。(b)對(duì)照組、NIR組、TESP組、TESP組與NIR組的細(xì)胞遷移率(*p?<?0.05)。(c) NIR、TESP、TESP加NIR處理24?h后NIH-3?T3細(xì)胞活力(*p?<?0.05)。
圖7. TESP對(duì)體內(nèi)創(chuàng)面模型的影響。(a)在808?nm、0.7?W?cm−2的近紅外激光照射120?s后，經(jīng)TESP處理或不經(jīng)TESP處理的小鼠的溫度變化熱像圖。(b)在120?s的照射下，有或沒(méi)有TESP的創(chuàng)面光熱加熱曲線。(c)對(duì)照組、NIR組、TESP組和NIR組分別于第0、3、5、7、10天獲得皮膚創(chuàng)面圖像。在前三天進(jìn)行NIR、TESP和TESP加NIR治療。(d)傷口愈合率。(e)小鼠在治療期間的體重。
圖8. 傷口部位的組織學(xué)改變。(a)第5天傷口組織的H&E和Masson三色染色圖像(Masson三色染色圖像中的白色圓圈表示新生膠原;H&E圖像中的虛線表示表皮邊緣)。(b)第10天使用H&E、馬森三色和cd31免疫熒光法拍攝的傷口組織照片。右邊圖像中的比例尺適用于同一行中的圖像。(c)傷口部位的再上皮比例(第5天)，(d)膠原沉積(第10天)，(e) cd31的平均熒光強(qiáng)度(第10天)。
圖9. 第10天各組傷口組織中α-SMA和VEGF的表達(dá)(a)。細(xì)胞核用4,6-二氨基-2-苯基吲哚(DAPI，藍(lán)色)染色。α-SMA(紅色)和VEGF(綠色)的免疫熒光圖像。免疫熒光研究顯示，近紅外組TESP中α-SMA和VEGF的表達(dá)增加。右下角圖像中的比例尺適用于所有圖像。(b, c) α-SMA和VEGF的平均熒光強(qiáng)度(第10天)。
相關(guān)科研成果由浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院Yi Wang等人于2024年發(fā)表在Chemical Engineering Journal（https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.148949）上。原文：Mxene-based wearable self-powered and photothermal triboelectric nanogenerator patches for wound healing acceleration and tactile sensing
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.148949
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
