《Advanced Healthcare Materials》：Electro-Stimulated Graphene-Polymer Nanocomposites Enable Wearable Patches With Feedback-Controlled Drug Release
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本文介绍了一种创新的电响应石墨烯-聚合物纳米复合贴片（e-Medi-Patch），它集成了生物可降解的聚己内酯（PCL）、石墨烯纳米片和氧化还原活性药物尼克酰胺（NIC），通过无线电刺激和蓝牙阻抗传感实现了按需、单向的药物释放与实时动力学监测，将传统被动给药系统转变为主动控制的智能治疗平台。
1 引言
刺激响应型纳米材料因其能耦合结构层次与外部可控性，在下一代可穿戴设备和精准治疗开发中占据核心地位。其中，电刺激因其非侵入性、可调性和易于与便携式电子设备集成而备受关注。然而，当前大多数电响应系统依赖于导电聚合物或水凝胶，常存在稳定性有限、被动扩散不受控以及缺乏实时反馈机制等挑战。二维纳米材料为工程化具有可调电响应的多功能复合材料提供了独特机遇。石墨烯纳米片结合了高比表面积、导电性以及π-π相互作用，能有效保留和释放芳香族或氧化还原活性药物。当与生物可降解聚合物基质（如聚己内酯PCL）集成时，石墨烯纳米片可建立渗透导电通路并调节药物-基质相互作用，从而产生兼具生物相容性、结构鲁棒性和外场响应性的平台。
本研究报道了一种无线电响应纳米复合贴片（"e-Medi-Patch"），它将多个关键功能集成于可扩展的设计中。通过将石墨烯纳米片分层掺入PCL基质中，实现了增强的药物负载和电触发释放。集成金微电极接口可实现低电压电刺激，并结合蓝牙辅助阻抗监测，提供药物释放动力学的实时反馈。以模型氧化还原活性治疗药物尼克酰胺（NIC）为例，研究证明了在温和电刺激下的可调释放、单向传输以及具有按需反馈控制的定量监测。
2 结果与讨论
2.1 电响应药物贴片（e-Medi-Patch）的制备与表征
采用熔融共混法制备了新型聚合物-石墨烯复合药物贴片（e-Medi-Patch），其组分为PCL、石墨烯纳米片和NIC，优化重量比为100:2:1。对照组贴片（e-Patch）不含药物，保持相同的聚合物与石墨烯比例。贴片随后通过掩模辅助法装饰有金微电极，传感面积为1.1 × 1.1 mm2，整体尺寸约为一分钱硬币大小。扫描电子显微镜（SEM）分析揭示了制备的复合材料的分层结构。石墨烯纳米片的扩展π电子系统促进了与NIC芳香结构的π-π相互作用，增强了药物在基质中的保留。此外，NIC分子的层内限制使其能够响应外部刺激（如电势、质子浓度H+或蛋白质介导的相互作用）进行顺序逐层释放。
拉曼光谱数据显示了制备贴片中所有组分的可区分化学特征。X射线衍射（XRD）研究证实了石墨烯纳米片和NIC在PCL中的掺入，表明NIC和石墨烯纳米片可能由于与NIC芳香环和石墨烯的疏水相互作用而共同存在于PCL的层间空间。在代表正常和癌症微环境的pH 6.8和4.6生理条件下，以及在代表循环液的胎牛血清（FBS）蛋白质富集培养基中进行的药物释放研究表明，蛋白质含量和较低pH值改善了药物释放。鉴于肿瘤的酸性微环境，这一特性可能进一步促进药物从药物-聚合物-石墨烯复合材料中释放。
2.2 e-Medi-Patch的电响应控制释放NIC
控制药物输送可通过恒流离子电渗疗法实现，该方法涉及施加小的电势（恒定电流0.1–1.0 mA/cm2）。计算模型模拟了在多孔介质中药物的流动，研究了施加电压和环境温度对药物释放的影响。结果表明，在阳极电压约为5 V时药物释放量最高。在最佳阳极电压5 V下，e-Medi-Patch在目标温度范围（包括体温37°C（310.15K）、室温（293–298K）以及更高（400K）和更低（277K）温度）内均显示出良好的药物释放。使用电势梯度的优势在于提供了改善的起效时间、更迅速的失效时间（即电流关闭时立即停止药物传输）以及可定制的电流曲线（连续和脉冲）以实现所需的药物输入动力学。
2.3 释放的NIC的功能活性体外评估
为确保NIC在e-Medi-Patch制备后的功能完整性，进行了体外功能评估。将C32黑色素瘤细胞暴露于含药贴片和游离NIC进行比较评估。Brightfield显微镜图像显示，与对照组相比，NIC处理组在48小时孵育后出现明显的形态学变化和细胞密度显著降低，表明贴片能有效持续释放NIC，且制备过程后NIC的治疗活性得以保留。细胞活力测定证实，不含NIC的GR-PCL贴片具有可忽略的细胞毒性效应，表明石墨烯-聚合物复合材料具有良好的生物相容性。
流式细胞术分析使用CD44作为标记物评估NIC对癌细胞干细胞样特性的影响。对照非癌性b.End3细胞显示最小的CD44表达，而未处理的C32细胞则显示出大量的CD44阳性群体。虽然与GR-PCL孵育不影响细胞活力，但它诱导C32细胞中CD44表达水平增加，这可能是石墨烯暴露引发应激相关信号通路暂时上调CD44的补偿性或保护性细胞反应。关键的是，用NIC-GR-PCL贴片处理显著降低了CD44阳性群体（约11%），通过抑制关键信号通路（如STAT3）抵消了这种补偿机制，从而降低了CD44水平和癌症干细胞样特性。平均荧光强度（MFI）分析进一步证实了NIC在调节STAT3相关癌症通路中的作用。
2.4 e-Medi-Patch的实时电学监测与单向药物释放
e-Medi-Patch被发现能以时间依赖性方式高效释放NIC。初步研究证实可以使用蓝牙辅助阻抗评估器成功跟踪释放模式。研究在三种条件下进行：含NIC的e-Medi-Patch、不含NIC的e-Patch（阴性对照）和标准传感器（阳性对照）。这种高效的通信有望为最终用户（患者）和医生带来便利，不仅能节省时间，还可能减少多次就诊。由于该贴片计划用于局部皮肤应用，药物在应用部位的定向释放有望最大限度地减少与邻近健康细胞不必要的非特异性相互作用。
定量跟踪释放的药物可实现闭环反馈控制给药和实时监测，这将防止像化疗药物这样的生物活性剂的不必要使用。通过电势介导的单向流动建立了释放药物与生物组织的有效界面，这一点通过药物仅与工作电极选择性相互作用得到证实。通过绘制已知NIC浓度（0.2至1.5 mg/mL）与阻抗值的校准曲线，可以估算电刺激过程中未知的释放药物量。当前检测限确定为0.1 mg/mL的NIC。释放的药物浓度可通过在λmax375 nm处的紫外-可见吸收测定来验证。
2.5 e-Medi-Patch的体内肿瘤生长抑制效率
在异种移植裸鼠模型中评估了e-Medi-Patch的效率。在注射C32细胞后的第28、29、30和31天，对生长的肿瘤分别施加含药e-Medi-Patch（处理组）和不含药e-Patch（非处理组）的电脉冲。肿瘤体积记录至首次注射细胞后第31天研究结束。每次应用电刺激治疗3分钟，连续4天。观察到，与不含药的对照e-Patch相比，含药e-Medi-Patch在处理3分钟后阻抗发生显著变化，这可能是由于贴片释放的药物量所致。在研究结束时，e-Medi-Patch处理组动物的肿瘤大小报告有显著变化（p < 0.05），而处理组和非处理组的体重变化不显著。
2.6 大体病理学与H&E分析
在第31天处理完成后，处死所有动物，收集肿瘤以及肝、肾、心、脾、肺等主要器官进行组织病理学评估。组织学分析显示，e-Medi-Patch处理组的肿瘤切片中嗜酸性染色明显，表明细胞损伤和坏死增强，而与使用不含药e-Patch处理的动物肿瘤中相对完整的结构形成对比。这与仅在e-Medi-Patch组中观察到的肿瘤体积减小相一致，支持其治疗功效。重要的是，所有主要器官的组织学检查显示，两个处理组的组织结构均得以保留，没有明显的炎症或坏死迹象。这些发现强调了贴片制剂的全身生物相容性和最小的脱靶毒性，验证了e-Medi-Patch平台用于局部给药的安全性。
3 结论
本研究介绍了一种电响应石墨烯-聚合物纳米复合贴片，作为外部调节和定量监测药物释放的多功能平台。通过将分层石墨烯-聚合物结构与金微电极和蓝牙阻抗传感相结合，该系统实现了对氧化还原活性药物的剂量、方向性和反馈监测的前所未有的控制。可扩展的熔融共混制造和强大的电刺激释放机制使该平台成为可穿戴治疗的多功能材料解决方案，可适应包括癌症、伤口愈合和传染病在内的多种生物医学应用。
4 材料与方法
研究所用材料包括聚己内酯（PCL，50,000 MW）、石墨烯纳米片、尼克酰胺（NIC）、人黑色素瘤细胞系C32等。e-Medi-Patch采用熔融共混法制备，优化重量比为PCL:石墨烯:NIC = 100:2:1。表征手段包括扫描电子显微镜（SEM）、拉曼光谱、X射线衍射（XRD）等。体外功能评估采用C32细胞系，通过显微镜观察、细胞活力测定（MTT法）和流式细胞术进行分析。体内研究在异种移植裸鼠模型上进行，监测肿瘤体积变化并进行组织病理学检查（H&E染色）。实时药物释放监测通过蓝牙阻抗分析仪与MATLAB软件配合实现。统计学分析采用GraphPad Prism软件，使用单因素方差分析（One-way ANOVA），p < 0.05认为有显著差异。
