近年来，可穿戴摩擦电纳米发电机(TENGs)在伤口加速愈合方面的应用引起了广泛的关注。本研究以含MXene和明胶的导电光热水凝胶为材料，制备了单电极TENG皮肤贴片(TESP)。MXene表现出良好的导电性和光热转换性能，而明胶表现出相变能力和柔韧性。TESP可以收集生物物理能量，在受损组织周围产生电场，并结合近红外光热效应促进伤口愈合。TESP还可以作为生理信号的实时监测传感器。TESPs输出的峰间电压和电流分别达到163.7 V和8.1 μA。通过光热加热和实时电刺激，TESP加速了体外小鼠成纤维细胞的细胞迁移。在动物实验中，TESP能有效促进胶原沉积和血管生成，从而加速组织再生和伤口愈合。据我们所知，这是首次报道基于mxene的TENG加速伤口愈合。我们相信，这项工作不仅为自供电可穿戴电子设备提供了一条治疗伤口的新途径，而且还为其作为先进传感系统的应用提供了线索。
 
图1. MXene及MXene/明胶水凝胶的组成分析及形态表征。(a) HF刻蚀后层状Ti3C2的SEM图像。(b)层状Ti3C2的代表性SEM图像和元素映射图。(c) Ti3C2纳米片剥离后的TEM图像。(d, e) MXene/明胶水凝胶的SEM图像。(f) MXene/明胶水凝胶的代表性SEM图像和元素映射图。(g) Ti3AlC2、Ti3C2、明胶、MXene/明胶水凝胶的XRD谱图。(h)明胶、MXene和MXene/明胶水凝胶的FTIR光谱。(i) Ti3AlC2、Ti3C2、明胶和MXene/明胶水凝胶的XPS调查光谱。(j- 1) MXene/明胶水凝胶的高分辨率c1 s, o2 s和Ti 2p光谱。
 
图2. TENG电子皮肤贴片(TESP)的制备及应用示意图。(a)用MXene/明胶水凝胶制备TESP。b)使用近红外响应mxene的TESP对伤口愈合的示意图。(c)可穿戴式TESP的工作机理。
 
图3. TESPs的电输出性能。(a, d)在2 Hz频率下，施加60 N的力时，含5 %、10 %和15 % MXene的水凝胶的TESPs的电压和电流。(b, e)不同Ecoflex厚度的10 % MXene水凝胶在2 Hz频率下施加60 N的力时，TESPs的电压和电流。(c, f)含10 % MXene的水凝胶在2 Hz频率下不同施力量下TESPs的电压和电流。(g)在不同工作频率下，当作用力为30 N时，含有10 % MXene的水凝胶对TESP产生的电流。(h)在外力为60 N，频率为2 Hz的情况下，含10 % MXene的水凝胶在不同负载阻力下的输出电压和电流。(i)含10 % MXene的水凝胶在3 Hz下施加60 N的力时，TESP的耐久性。插图:图的局部放大图。
     图4. TESPs的光学、机械和光热特性。(a)不同MXene含量的MXene/明胶水凝胶吸光度。(b) 10 % MXene水凝胶和不同Ecoflex厚度(0.5、1、1.5 mm)对TESP吸光度的影响。(c)不同厚度Ecoflex的透光率。(d-f)含5 %、10 %和15 % MXene的水凝胶和不同Ecoflex厚度的TESP在1 W cm−2的808 nm近红外激光照射下的光热加热曲线。(g)使用10 % MXene和1 mm Ecoflex水凝胶的贴片加热和冷却曲线。(h) TESP光热循环。(i) Ecoflex弹性体薄膜与TESP的应力应变曲线。
 
图5. TESP作为可穿戴传感器的演示。(a)贴在志愿者喉咙上的TESP和输出的监测咳嗽、吞咽和说话的电信号。(b)手指弯曲不同角度的电响应。(c)手指触摸检测电压。(d)小鼠运动诱导的TESP输出电压。
 
图6. 近红外辐照下TESPs电刺激及光热效应对小鼠成纤维细胞的影响。(a)利用小鼠胚胎成纤维细胞进行细胞迁移研究(NIH-3 T3)。(比例尺:100 µm)。(b)对照组、NIR组、TESP组、TESP组与NIR组的细胞迁移率(*p < 0.05)。(c) NIR、TESP、TESP加NIR处理24 h后NIH-3 T3细胞活力(*p < 0.05)。
 
图7. TESP对体内创面模型的影响。(a)在808 nm、0.7 W cm−2的近红外激光照射120 s后，经TESP处理或不经TESP处理的小鼠的温度变化热像图。(b)在120 s的照射下，有或没有TESP的创面光热加热曲线。(c)对照组、NIR组、TESP组和NIR组分别于第0、3、5、7、10天获得皮肤创面图像。在前三天进行NIR、TESP和TESP加NIR治疗。(d)伤口愈合率。(e)小鼠在治疗期间的体重。
 
图8. 伤口部位的组织学改变。(a)第5天伤口组织的H&E和Masson三色染色图像(Masson三色染色图像中的白色圆圈表示新生胶原;H&E图像中的虚线表示表皮边缘)。(b)第10天使用H&E、马森三色和cd31免疫荧光法拍摄的伤口组织照片。右边图像中的比例尺适用于同一行中的图像。(c)伤口部位的再上皮比例(第5天)，(d)胶原沉积(第10天)，(e) cd31的平均荧光强度(第10天)。
 
图9. 第10天各组伤口组织中α-SMA和VEGF的表达(a)。细胞核用4,6-二氨基-2-苯基吲哚(DAPI，蓝色)染色。α-SMA(红色)和VEGF(绿色)的免疫荧光图像。免疫荧光研究显示，近红外组TESP中α-SMA和VEGF的表达增加。右下角图像中的比例尺适用于所有图像。(b, c) α-SMA和VEGF的平均荧光强度(第10天)。
 
       相关科研成果由浙江大学生物系统工程与食品科学学院Yi Wang等人于2024年发表在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
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.148949

转自《石墨烯研究》公众号