西安交通大学何刚教授课题组《Small》：反三明治结构光电伤口敷料

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人类皮肤作为保护人体免受环境伤害的屏障，有时会遭受严重的创伤，形成对皮肤功能完整性产生负面影响的创面。然而，皮肤的自愈修复过程缓慢，炎症、继发性损伤、耐多药细菌感染等并发症在极大程度延长了愈合时间并降低了愈后效果。因此，急需要设计和开发针对这些问题的临床创面敷料。基于ROS的治疗方式（如PDT和EDT）与传统的抗菌方法相比，可以更高效、安全地实现杀菌及促进组织再生。而将ROS治疗引入电子伤口敷料近年来也有了一定的发展。将光敏剂等活性分子引入生物敷料中，在短暂的化学、光、电刺激下，生物敷料可快速产生单线态氧和自由基，实现对细菌的高效杀灭。目前，能够同时实现光及电子双重响应的ROS型电子伤口敷料还未见文献报道。这主要是由于ROS型电子伤口敷料都是“三明治”夹层结构，在辅料表面不可避免的需要引入一层导电层。而导电层的存在阻止了ROS与伤口部位细菌的接触，阻碍了其对细菌的杀灭和伤口的愈合。

近日，西安交通大学前沿科学技术研究院何刚教授课题组，结合共轭聚合物聚噻吩强的吸光性及导电性与含硫族元素紫精高效产生ROS的性质，制备了新型的含硫族元素紫精修饰的聚噻吩衍生物（SeV²⁺-PT），并将其作为活性物质引入导电的聚丙烯酰胺水凝胶中。同时创造性地将电极背靠背内置于水凝胶中，制备了内嵌式的光电响应型伤口敷料（SeV²⁺-PT PEWD）。此特殊的设计使得所制备的新型伤口敷料的活性层可直接与感染伤口接触，在可见光照射和通电的条件下，快速可控的产生稳定的ROS，从而实现对细菌快速PDT和EDT协同杀灭（6秒），并将耐药细菌感染的全层创面愈合时间由15天缩短至7天。

基于SeV²⁺-PT PEWD良好的导电性以及氧化还原特性，开发了基于手机蓝牙控制生成自由基的反“三明治”结构电子伤口敷料SeV²⁺-PT PEWD。当轻击手机开关时，控制模块迅速响应，并通过控制中心发送控制指令。随后，在3 V电源下通电3 s，SeV²⁺-PT PEWD迅速产生大量自由基，其颜色变为绿色。与此同时，自由基的大量生成导致材料在可见光区380 nm和418 nm处吸收增强。此外，SeV²⁺-PT PEWD还在800 nm以上的近红外区有扩展吸收。值得注意的是，在低功率白光（400~800 nm，15 mW/cm²，6 s）照射下，反“三明治”结构的SeV²⁺-PT PEWD也能迅速生成自由基，敷料颜色从初始的黄色变为绿色。与通电处理类似，关闭光源后敷料颜色会慢慢退回黄色，这一结果证明，设计的电子敷料结构可以延长自由基寿命，使其在空气条件下不易被迅速淬灭。此外，这一设计首次打破传统“三明治”电致变色器件结构，开发了一种新的反“三明治”电致变色器件，将柔性电极内嵌于导电凝胶中，并实现了快速手机遥控电致变色。

将SeV²⁺-PT PEWD贴敷于小鼠的感染创面，并暴露在15 mW / cm²的白光照射下，SeV²⁺-PT PEWD的颜色在照射6 s后迅速从黄色变为绿色，这一现象表明有大量的自由基产生并积累。此时，关闭光源，结束光照，使SeV²⁺-PTPEWD暴露在空气中，肉眼观察SeV²⁺-PT PEWD颜色变化，经过约9 min，水凝胶的颜色逐渐褪去。该结果表明SeV²⁺-PT产生的自由基可在水凝胶结构中稳定一段时间，并可逆地回到原始状态，从而可以为感染小鼠提供持续的重复治疗。

此外，还对反“三明治”结构SeV²⁺-PT PEWD的活体电动力治疗效果进行了评估。通过手机APP控制，给SeV²⁺-PT PEWD通电，在通电3 s后SeV²⁺-PT PEWD颜色迅速从原始的黄色变为绿色。这一结果同样说明有自由基产生并积累。与光照结果相似，通电产生的自由基也可以在水凝胶中稳定一段时间后，逐渐退回原始状态，再次施予通电处理时仍然可以迅速发生颜色变化并产生自由基。基于SeV²⁺-PT PEWD在活体中高效的产生自由基的结果，设计了光动力和电动力协同治疗实验。如图所示，同时施予光照和通电处理，发现协同处理的SeV²⁺-PT PEWD具有更快和更深的变色效果，并在停止光电刺激后自由基维持的时间更长，且伤口愈合效果更优。

以上成果以“Anti-Sandwich Structured Photo-Electronic Wound Dressing for Highly Efficient Bacterial Infection Therapy”为题发表在Small (2021, 2101858)上。论文的第一作者为西安交通大学前沿科学技术研究院博士生研究生周琨，通讯作者为何刚教授。

全文链接：

https://doi.org/10.1002/smll.202101858

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