近年來，可穿戴摩擦電納米發電機(TENGs)在傷口加速愈合方面的應用引起了廣泛的關注。本研究以含MXene和明膠的導電光熱水凝膠為材料，制備了單電極TENG皮膚貼片(TESP)。MXene表現出良好的導電性和光熱轉換性能，而明膠表現出相變能力和柔韌性。TESP可以收集生物物理能量，在受損組織周圍產生電場，并結合近紅外光熱效應促進傷口愈合。TESP還可以作為生理信號的實時監測傳感器。TESPs輸出的峰間電壓和電流分別達到163.7?V和8.1 μA。通過光熱加熱和實時電刺激，TESP加速了體外小鼠成纖維細胞的細胞遷移。在動物實驗中，TESP能有效促進膠原沉積和血管生成，從而加速組織再生和傷口愈合。據我們所知，這是首次報道基于mxene的TENG加速傷口愈合。我們相信，這項工作不僅為自供電可穿戴電子設備提供了一條治療傷口的新途徑，而且還為其作為先進傳感系統的應用提供了線索。
圖1. MXene及MXene/明膠水凝膠的組成分析及形態表征。(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)的制備及應用示意圖。(a)用MXene/明膠水凝膠制備TESP。b)使用近紅外響應mxene的TESP對傷口愈合的示意圖。(c)可穿戴式TESP的工作機理。
圖3. TESPs的電輸出性能。(a, d)在2?Hz頻率下，施加60?N的力時，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，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，當作用力為30?N時，含有10?% MXene的水凝膠對TESP產生的電流。(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，TESP的耐久性。插圖:圖的局部放大圖。
圖4. TESPs的光學、機械和光熱特性。(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。(i) Ecoflex彈性體薄膜與TESP的應力應變曲線。
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和輸出的監測咳嗽、吞咽和說話的電信號。(b)手指彎曲不同角度的電響應。(c)手指觸摸檢測電壓。(d)小鼠運動誘導的TESP輸出電壓。
圖6. 近紅外輻照下TESPs電刺激及光熱效應對小鼠成纖維細胞的影響。(a)利用小鼠胚胎成纖維細胞進行細胞遷移研究(NIH-3?T3)。(比例尺:100?µm)。(b)對照組、NIR組、TESP組、TESP組與NIR組的細胞遷移率(*p?<?0.05)。(c) NIR、TESP、TESP加NIR處理24?h后NIH-3?T3細胞活力(*p?<?0.05)。
圖7. TESP對體內創面模型的影響。(a)在808?nm、0.7?W?cm−2的近紅外激光照射120?s后，經TESP處理或不經TESP處理的小鼠的溫度變化熱像圖。(b)在120?s的照射下，有或沒有TESP的創面光熱加熱曲線。(c)對照組、NIR組、TESP組和NIR組分別于第0、3、5、7、10天獲得皮膚創面圖像。在前三天進行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的平均熒光強度(第10天)。
圖9. 第10天各組傷口組織中α-SMA和VEGF的表達(a)。細胞核用4,6-二氨基-2-苯基吲哚(DAPI，藍色)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的平均熒光強度(第10天)。
相關科研成果由浙江大學生物系統工程與食品科學學院Yi Wang等人于2024年發表在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
轉自《石墨烯研究》公眾號
