浙江大学药学院团队开发无线可编程、无需更换的电响应水凝胶电子药物贴片

来源：浙江大学时间：2024-12-31 06:37:57

糖尿病伤口发病机制复杂、感染概率高、恢复时间长，约20%的糖尿病患者受此影响。传统的干式敷料无法满足糖尿病伤口的特定微环境，并且容易造成继发性损伤。而功能性伤口敷料如水凝胶，表现出优异的物化性质，其三维多孔结构有助于载药，为伤口管理提供了一个理想的平台。然而现有的水凝胶敷料药物储存容量有限，药物释放持续时间短，依赖于被动扩散作为药物释放机制，缺乏可控性，无法考虑到显著影响伤口愈合的血糖水平的节律性变化，从而导致治疗结果不佳。为了解决上述问题，浙江大学药学院南科望研究员、化学工程与生物工程学院关怡新教授团队联合，开发了一种响应无线电刺激、载药的水凝胶生物电子贴片。该设备设计了一个灵活的、低功率的电路，具有蓝牙通信和电压调节功能，从而将电刺激和药物的可控释放和可补充功能结合来加速糖尿病伤口愈合。贴片的治疗效果在糖尿病大鼠伤口模型中得到了证明。这意味着这是一种综合、持久和有效的用于糖尿病伤口管理的电子药物混合解决方案。该研究以“Wireless, Programmable, and Refillable Hydrogel Bioelectronics for Enhanced Diabetic Wound Healing”为题，发表于Advanced Science。

该论文创新地提出了一种水凝胶生物电子贴片，其中药物可以进行重复补充而无需更换设备，并且水凝胶响应电刺激可以实现药物的可控释放。具体来说，它由三个主要组件组成：导电水凝胶、由PDMS制成的软底盘和柔性电路。贴片的柔性电路由一个微控制器单元（MCU）组成，其中包含用于无线通信的蓝牙。该无线电路的设计不仅允许预设的电压协议，而且还支持根据需要进行实时电压调整。研究团队通过一系列实验验证了水凝胶贴片药物的可控释放和可补充功能。实验结果显示，随着电压的增加，水凝胶的药物释放量也随之增加，并且可以随着电压的“开-关”状态显示出阶梯式的释放曲线。同时向贴片的药物储囊内注射的药物溶液可以成功补充进水凝胶中，这大幅增加了水凝胶的药物储存量和药物释放时间。贴片的实际治疗效果在糖尿病大鼠伤口模型中得到了验证。结果表明，水凝胶贴片对糖尿病伤口的愈合有明显的促进作用。此外，糖尿病人具有个性化的生物节律。例如，糖尿病患者在餐后血糖会达到峰值，这更有可能在伤口部位诱发氧化应激和炎症反应。而通过无线开关，患者可以自主按需开启电压，使得模型药物的释放根据生理节律加速或减速。

总结

水凝胶生物电子贴片的设计包含了低功耗、无线通信和电压调节的柔性无线电路，并与具有稳定的机械性能、高生物相容性的水凝胶集成，从而响应电刺激并实现药物的可控释放和重复补充。本研究的结果证实了一个很有前途的方向，即将传统药物与可编程电刺激相结合，用于伤口或潜在的其他条件的管理。未来可能的发展方向是集成数字生理传感器，如实时的血糖监测并读出数据，与水凝胶生物电子学形成闭环响应电压控制算法，以进一步增强糖尿病相关治疗。