近期，吉林大学未来科学国际合作联合实验室、电子科学与工程学院、集成光电子国家重点实验室科研团队在Advanced Materials上发表题为“A Mg Battery-Integrated Bioelectronic Patch Provides Efficient Electrochemical Stimulations for Wound Healing”的研究工作。该工作提出了一种高效的电化学刺激伤口愈合贴片，贴片能够提供稳定、连续的能量供应，这种生物电子贴片通过引导上皮细胞迁移、调节免疫反应和促进血管生成，显示出有效且加速伤口愈合的能力（图一）。

图一：（A）该贴片的设备结构和照片；（B）在伤口愈合过程中对炎症阶段和增殖阶段的电化学刺激效果；（C）有效生物-电子界面的集成刺激阴极的设计原理

治疗顽固性伤口和慢性伤口时，传统伤口敷料多为被动疗法，可能引发感染或疤痕，无法提供有效的细胞刺激，难以显著加速组织再生过程，因此现有的伤口管理技术面临重大挑战。电刺激作为一种主动干预的物理治疗方法，可以有效减轻伤口部位水肿，招募趋电性细胞，诱导细胞增殖、迁移和分化。传统的电刺激装置体积巨大，电源和复杂的电路系统导致便捷度和患者的舒适度较低。随着柔性电子技术发展，自供能可穿戴电刺激贴片为慢性伤口管理提供了新策略；纳米发电机、生物燃料电池、太阳能电池、锂离子电池等都能为可穿戴电子设备供电，但其在输出稳定性、寿命和安全性方面各有优势和不足。生物相容性电池作为有前景的能源器件，其能量密度高、电化学稳定性好，被认为是为可穿戴医疗设备供电的理想选择。

鉴于此本研究开发了一种集成镁电池的生物电子贴片来解决这些问题。该贴片将导电水凝胶作为一体化的电池阴极与刺激电极，能够避免传统分体化的电源-电极当中额外的电信号转换界面，提高电荷注入效率，提升贴片的电刺激效果。该贴片还能够提供持续的电刺激，通过有效干预，调节创口细胞的微环境，促进伤口修复。集成镁电池的设计不仅克服了现有系统能量输出不稳定、界面阻抗高等问题，还能通过电化学反应释放镁离子和氢气，进一步调节细胞迁移、免疫反应和生长因子的死亡。贴片通过离子释放和电化学调控的协同作用，显示了更快的治疗速度和更好的组织修复质量，为未来可穿戴生物电子设备的临床应用提供了新的方法。

团队通过电化学建模，模拟了耦合电池、直流电源和耦合电池在DMEM电解质中的电场分布，同时体外测试验证了通过电化学刺激可以增加生长因子的水平并有效促进细胞的增殖和迁移，并通过Western blotting确定巨噬细胞中p-ERK1/2、p-Akt和p-PI3k的蛋白表达水平，验证了细胞增殖/迁移的机制（图二）。

图二：电化学刺激调控细胞行为的示意图

研究者将电池电极直接浸入培养基中，其中电场的动态变化、离子通量和持续的电化学产物都对细胞行为有贡献。系统地研究了电化学刺激增强成纤维细胞功能（趋电性、增殖和分泌组产生）和调节炎症反应（促进再生极化和下调炎症细胞因子）的机制。通过诱导巨噬细胞向M2极化分泌血管内皮生长因子（VEGF）和表皮生长因子（EGF），促进细胞增殖、分化和新血管形成，加速组织修复。同时，M2型巨噬细胞通过分泌抗炎细胞因子（IL-10）抑制炎症反应，减少炎症引起的组织损伤（图三）。

图三：巨噬细胞对镁电池的响应及其在伤口愈合过程中的调节作用

为了验证贴片对于伤口愈合的效果及作用，对SD大鼠进行了伤口造模及治疗。经过14天的电化学刺激后，电池处理的伤口几乎完全恢复（图四）。这些结果证实了在电极-组织界面注入的电荷诱导了单向的细胞迁移，朝向伤口中心，从而沿着电场方向增强了伤口闭合。这表明电化学刺激在加速伤口愈合中起到了积极作用。电化学刺激不仅促进了伤口的重新上皮化，还增强了胶原蛋白的沉积和排列，这对于伤口愈合过程中的组织修复和功能恢复至关重要。

图四：集成了镁电池的生物电子贴片用于加速伤口愈合

相关的研究成果近期发表在Adv. Mater.上，文章第一作者为吉林大学博士研究生马雪南和博士后周岩。通讯作者为吉林大学孙鹏教授、贾晓腾副教授和澳大利亚伍伦贡大学王彩云教授。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委和吉林省科技厅等项目的支持。

全文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202410205