综述：用于皮肤组织再生和电子皮肤的仿生材料研究进展
2024-05-12 21:46:10 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本综述性文章探讨了仿生皮肤材料及其在皮肤再生和伤口愈合中的应用，并对其与电子皮肤（E-skin）技术的结合进行了讨论。最后，文章讨论了仿生皮肤材料这一快速发展领域的最新进展、挑战和未来发展方向。
在组织工程和再生医学领域，仿生材料已经成为解决伤口愈合和皮肤再生关键难题的一种前景广阔的潜在材料。仿生皮肤材料在改善伤口愈合效果、实现创新诊断和传感器应用方面具有巨大的潜力。人体皮肤结构复杂、功能多样，是设计生物材料的绝佳模型。要制造有效的伤口覆盖物，就必须模仿人体皮肤具有的独特的细胞外基质（ECM）成分、机械性能和生化特性。此外，将电子功能集成到仿生材料中，可以为实时监测、诊断和个性化医疗实现突破带来可能性。
据麦姆斯咨询报道，近期，来自韩国高丽大学（Korea University）和埃及米尼亚大学（Minia University）的研究人员在Biomimetics期刊上共同发表了题为“Biomimetic Materials for Skin Tissue Regeneration and Electronic Skin”的综述性文章，探讨了仿生皮肤材料及其在皮肤再生和伤口愈合中的应用，并对其与电子皮肤（E-skin）技术的结合进行了讨论。最后，文章讨论了仿生皮肤材料这一快速发展领域的最新进展、挑战和未来发展方向。
仿生材料在伤口管理中的应用及其局限性
随着仿生技术的应用，改善伤口管理的努力一直在进行。然而，尽管成果喜人，创新理念层出不穷，但仿生材料成功通过临床试验或在实际应用中得到实施的例子却屈指可数。仿生技术的开发是一个涉及各种因素的复杂过程。使用仿生技术会导致设计和技术复杂化，给生产带来困难。此外，将应用各种仿生设计的技术结合到一个设计中也存在一定的挑战。不过，正在进行的研究旨在解决这些局限性，仿生伤口管理技术仍然是一个前景广阔的领域。此外，虽然受动物启发的仿生技术已经被广泛探索，但受植物启发的仿生设计的潜力却在很大程度上被忽视了。最后，各种学科的结合与发展也为伤口管理技术的进步提供了新的可能性。
图1 受动物启发的仿生伤口管理技术
图2 受植物启发的仿生伤口管理技术
仿生材料在临床应用中面临的挑战和机遇
目前，研究人员已经提出了几种基于仿生学的伤口管理技术，其中一些技术的有效性已经通过临床试验得到证实。在其中一个案例中，研究人员开发了一种基于ECM特性的仿生纳米纤维膜，以用于治疗慢性伤口。这种仿生纳米纤维膜由聚左旋乳酸/明胶组成，其厚度为0.65 μm，接触角为80.39°，这种设计可使其保持良好的亲水性。此外，这种仿生纳米纤维膜还能促进细胞增殖，减少细菌粘附。其治疗效果在经体外实验证实后，研究人员进一步对其临床治疗效果进行了验证。临床结果显示，患者慢性伤口的愈合率达到93.3%，并且其中只有6.7%的患者需要再次接受手术。此外，66.7%的患者在伤口愈合期间只使用了一张仿生纳米纤维膜。受生物启发的皮肤替代品，例如Integra®和Matri Derm®已经在市场上进行销售。这表明仿生技术在伤口管理方面具有实际应用价值。
精确监测与患者疾病的诊断和治疗密切相关，因此电子皮肤应用的信号准确性和数据可靠性是一个关键问题。此外，电子皮肤在实现临床广泛应用之前还存在其它需要解决的问题。首先，电子皮肤传感器的一个实际问题是绝缘不足导致的电流泄漏或电磁干扰。其次，电子皮肤需要可靠高效的电源。第三，电子皮肤需要能够承受不同程度的拉伸和弯曲，以使其在日常的皮肤贴附状态下和使用时不会丧失功能。这就要求它们既耐用又具有足够的柔韧性，以防止在使用过程中出现断裂。第四，由于要贴附在人体上，电子皮肤必须具有生物相容性，以防止其与人体皮肤接触时使人体产生过敏或炎症等不良反应。第五，尽管电子皮肤的制造已经在实验室层面取得了进展，但其原型的大规模生产仍然是一项挑战。实现产品一致性的高效生产工艺、简化生产流程和降低生产成本是实现商业化的关键因素。第六，人工智能（AI）模型在医疗保健领域应用的阻碍之一是缺乏高质量的医疗数据，这可能会影响诊疗结果的准确性。此外，数据隐私、可用性和安全性也对人工智能在医疗领域的应用构成了潜在限制。此外，还需要考虑人工智能模型的失误问题。第七，电子皮肤器件需要获得医疗应用的监管许可。要克服监管障碍，还需要解决上述限制因素。
图3 （a）人类触觉感知系统；（b-f）电子皮肤的各种应用：（b）基于摩擦纳米发电机（TENG）的可植入生物医学器件；（c）柔性应变传感器在医疗机器人和假肢中的应用；（d）实时生物和健康信号监测；（e）用于慢性伤口管理的无线智能绷带的总体设计；（f）人机界面的应用。
图4 （a）导电材料的材料和结构示意图；（b）MXene的扫描电镜照片：手风琴状未剥离MXene、MXene纳米片和夹层MXene纳米复合膜，以及柔性夹层MXene纳米复合膜的光学照片；（c）在受伤皮肤上应用的压电纳米发电机（PENG）和摩擦纳米发电机（TENG）示意图。
仿生技术的未来研发方向
仿生学是一种前景广阔的伤口管理技术，在治疗其它疾病和症状方面也具有潜力。其中，以下几种应用方向的前景值得重点关注。
（1）仿生伤口敷料在促进伤口愈合方面大有可为。传统的伤口敷料主要侧重于密闭伤口、吸收渗出物和保持湿润环境，因此在支持复杂的伤口愈合过程方面存在局限性。然而，通过在传统敷料中加入胶原蛋白、糖胺聚糖或透明质酸等ECM成分，可以积极促进上皮细胞化、血管生成和胶原蛋白沉积，从而增强整个伤口愈合过程。
（2）仿生学为伤口管理技术提供了一种前景广阔的方法，并有可能将其优势扩展到其它疾病和症状的治疗上。生物医学领域可以从模仿动物、植物和人类等各种生物体内的成分或微米和纳米结构中获益匪浅。基于这些仿生成分或结构的材料具有许多优点，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。事实证明，这些仿生材料在伤口愈合方面非常有效，在治疗各种疾病，尤其是癌症方面也大有可为。
（3）传统的伤口敷料无法提供有关伤口状况的实时信息，从而导致错过调整治疗的机会。因此，我们需要能够准确监测伤口情况并加速伤口愈合的多功能智能电子皮肤贴片。为此，电子皮肤材料需要具有良好的弹性、自愈合能力、生物相容性、类似皮肤的柔软性，以及产生电信号以实现快速传感等特性。研究人员正在探索利用水凝胶、液态金属、导电聚合物和纳米材料来实现具有这些特性的新材料和结构设计。
（4）电子皮肤具有柔软、可拉伸、生物相容性和粘附性等特性，作为一种可穿戴设备，它能很好地粘附在人体上，从而实现持续健康监测。此外，为了实现持续的信号传感和监测，电子皮肤器件需要以无线方式持续运行。要在不影响舒适度或贴附性的前提下提供足够的能量，能量的自我产生、存储和电源效率至关重要。此外，随着应变传感器的进步，电子皮肤可以作为灵敏的触摸界面，甚至可以检测人体手势和动作，从而实现无缝的人机界面。这种人机界面可用于灵敏的健康监测。可穿戴自供电传感器可用于监测人体生命体征（心率、体温、血压等）、检测人体皮肤状况（例如用于压疮和糖尿病患者）、跟踪伤口愈合进度等，从而为老年人群以及心血管疾病和糖尿病患者提供医疗保健服务。
（5）未来研究的重点将是开发在功能和特性上接近人类皮肤的电子皮肤，这种电子皮肤包括机械感受器，并且具有良好的柔软度、弹性、自愈能力和环境适应性。在此基础上，甚至可以开发出在某些方面优于人类皮肤的电子皮肤。但是，由于材料问题，制造出与可以与真实皮肤相媲美的人造皮肤很难，但利用人工智能和机器学习可以帮助寻找和改进材料，可以使电子皮肤变得更好、更安全。此外，将使用机器学习算法的人工智能集成到电子皮肤中进行独立的数据分析，可以帮助我们了解用户的个性化健康状况，从而制定精确的个性化治疗方案。此外，还可以将给药机制直接集成到电子皮肤中，以进行靶向治疗。最后，考虑到人们对环境的日益关注，开发可持续和可回收的电子皮肤也将成为未来研究的一个重要方向。
论文链接：https://doi.org/10.3390/biomimetics9050278
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