适用于非关节区域的双增强压电创可贴

《RSC Advances》：Double enhanced piezoelectric wound dressing for nonarticular zones

压电纤维/钛酸钡复合材料通过优化极化处理显著提升压电性能，在5%生理应变下产生3.1V电压，激活活性氧杀灭99%金黄色葡萄球菌，并促进伤口完全再生（第12天）。该双增强策略为低应变非关节部位的自供电伤口管理提供了新方案。

　　在现代医学领域，慢性伤口感染是一个长期存在的挑战，特别是在那些机械变形较少的非关节区域。这些区域的皮肤运动幅度较小，因此传统的应变响应型敷料在预防感染和促进愈合方面表现出有限的效率。面对这一问题，研究人员提出了一种创新性的解决方案，即开发一种具有强大抗菌性能的自供电纤维敷料。这种新型敷料基于压电材料的特性，通过将机械能量转化为电能，从而在无需外部电源的情况下实现抗菌和组织修复功能。

压电材料具有将机械应力转化为电势的能力，这一特性使其在生物医学领域展现出巨大的应用潜力。然而，现有的压电材料系统往往在性能与柔韧性之间存在矛盾。例如，无机压电材料如氧化钡钛（BaTiO?）虽然具有较高的压电系数，但其机械性能较差，难以与人体组织良好贴合。相比之下，有机聚合物如聚偏氟乙烯（PVDF）虽然具备良好的柔韧性，但其压电响应不足以满足临床抗菌需求。为了解决这一问题，研究团队设计了一种混合材料系统，将PVDF纤维与四方晶系的氧化钡钛（BT）纳米颗粒结合，从而在保持材料柔韧性的同时显著提升其压电性能。

这种复合纤维敷料通过优化极化过程，进一步增强了其压电输出能力。研究人员利用自研的动态拉伸测试装置模拟了皮肤在日常活动中的机械变形，结果显示，当施加5%的应变时，8% BT掺杂的PVDF复合纤维能够产生高达3.1 V的压电信号。这一电压水平足以在30分钟内有效清除99%以上的细菌，同时保持良好的生物相容性。为了验证这一结果，研究人员进行了体外和体内实验，其中体内实验表明，经过PVDF-BT纤维敷料处理的伤口在7天内实现了80%的闭合率，而在12天时几乎完全再生，形成平滑的表皮组织。

这一研究提出了一个双增强策略，即通过材料的混合设计和优化极化来提升压电性能。在材料混合方面，将PVDF与BT纳米颗粒结合，不仅增强了材料的压电响应，还改善了其抗菌能力。而在极化优化方面，通过施加高电场进行极化处理，研究人员有效提升了复合纤维的电荷分离效率，从而进一步放大了其压电输出。这种双增强策略使得PVDF-BT复合纤维敷料在低应变非关节区域展现出卓越的抗菌和愈合性能，为智能伤口管理提供了一种全新的思路。

为了评估PVDF-BT复合纤维的抗菌性能，研究人员采用了多种实验方法。体外实验中，通过模拟皮肤变形并监测细菌存活情况，发现PVDF-BT敷料能够显著降低细菌数量。同时，利用2′,7′-二氯二氢荧光素二乙酸酯（DCFH-DA）法测定活性氧（ROS）水平，结果表明PVDF-BT复合纤维能够产生比纯PVDF更高的ROS水平，从而增强其抗菌效果。此外，细胞毒性测试（CCK-8实验）显示，尽管在初期存在一定的细胞活性下降，但经过48小时后，细胞活性几乎完全恢复，表明该材料对成纤维细胞具有良好的生物相容性。

在体内实验中，研究人员构建了金黄色葡萄球菌（S. aureus）感染的伤口模型，并将PVDF-BT纤维敷料与传统材料进行对比。结果显示，经过治疗的伤口在7天内实现了显著的闭合，而对照组则表现出较慢的愈合速度。更进一步的组织学分析表明，PVDF-BT敷料能够有效减少炎症反应，促进皮肤组织的有序再生。通过苏木精-伊红（H&E）染色和Masson三色染色，研究人员观察到PVDF-BT治疗组的伤口组织呈现出接近正常皮肤的结构特征，包括完整的毛囊和皮脂腺，而对照组则显示出明显的炎症迹象和不完整的表皮组织。

这种自供电的压电纤维敷料的优势在于其无需外部电源即可持续产生电能，从而实现抗菌和组织修复的双重功能。与传统的抗生素治疗相比，该材料避免了药物耐受性和系统毒性的问题，同时减少了对昂贵医疗设备的依赖。此外，该敷料能够适应不同类型的机械应变，特别适用于那些在日常活动中经历轻微变形的皮肤区域，如手部、足部和背部等。这种适应性使其在临床应用中更具实用性，特别是在需要长时间使用或难以频繁更换的伤口环境中。

研究团队还开发了一种多轴动态培养系统，以模拟体内机械负荷并同时进行压电性能测试和细菌培养。这一系统能够精确控制应变条件，并实时监测压电输出，为评估材料在实际应用中的性能提供了可靠的实验平台。通过这一系统，研究人员进一步验证了PVDF-BT复合纤维在不同应变条件下的抗菌效果，发现其在低应变情况下依然能够保持较高的杀菌效率。

从材料设计的角度来看，PVDF-BT复合纤维的结构优化是其成功的关键。通过电纺丝技术制备的纤维网络具有高度的多孔性和柔韧性，能够与伤口组织良好贴合，并有效吸收渗出液。同时，BT纳米颗粒的均匀分散增强了纤维的极化能力，从而提高了其压电响应。这种结构设计不仅提升了材料的机械性能，还优化了其电荷分离效率，为抗菌和组织修复功能提供了坚实的基础。

此外，研究团队还探讨了PVDF-BT复合纤维在实际应用中的可行性。由于其自供电特性，该材料可以在不依赖外部电源的情况下持续工作，适用于各种临床环境。特别是在移动性和便携性要求较高的场景中，这种材料的优势更加明显。例如，在野外作业或长期护理环境中，传统依赖外部电源的设备往往难以使用，而自供电的压电敷料则能够克服这一限制。

从长远来看，这种新型压电纤维敷料的研究为智能医疗设备的发展提供了新的方向。未来，随着材料科学和生物医学工程的不断进步，这种自供电的抗菌敷料有望在更多临床领域得到应用。例如，它可以用于烧伤、糖尿病足溃疡等难以治疗的慢性伤口，同时也可以作为可穿戴设备的一部分，监测伤口状态并提供持续的治疗支持。此外，该技术还可以与其他生物传感器结合，实现对伤口愈合过程的实时监控和干预。

该研究不仅在材料科学领域取得了突破，还为临床治疗提供了切实可行的解决方案。通过结合压电效应和ROS介导的抗菌机制，研究人员开发出一种能够自主产生电能并有效清除细菌的敷料，为解决慢性伤口感染问题提供了新的思路。这种材料的出现标志着智能医疗设备的发展迈出了重要一步，也为未来的研究和应用开辟了广阔的前景。