全植入無(wú)線(xiàn)觸覺(jué)系統：仿生人造皮膚在傷口愈合與觸覺(jué)恢復中的應用

觸覺(jué)是五種基本感覺(jué)（觸覺(jué)、視覺(jué)、嗅覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和味覺(jué)）之一，是生物體與周?chē)h(huán)境進(jìn)行交互并對各種外部刺激做出快速有效反應的重要基礎。位于皮膚真皮層的機械刺激感受器和觸覺(jué)神經(jīng)元在接收到外部壓力刺激時(shí)會(huì )改變其電位，并調節觸覺(jué)神經(jīng)元的放電行為，從而根據接收到的壓力刺激強度將外部壓力轉化為不同頻率的電脈沖信號。嚴重燒傷、皮膚癌、化學(xué)事故和工業(yè)事故造成的嚴重皮膚損傷會(huì )破壞皮膚的組織結構和神經(jīng)系統，導致永久性觸覺(jué)功能障礙，從而嚴重影響個(gè)人日常生活。

據麥姆斯咨詢(xún)報道，來(lái)自韓國延世大學(xué)（Yonsei University）、韓國科學(xué)技術(shù)研究院（Korea Institute of Science and Technology，KIST）等機構的研究人員開(kāi)發(fā)了一種嵌入全植入式無(wú)線(xiàn)供電觸覺(jué)系統的人造皮膚（WTSA）。這種人造皮膚運行穩定，可恢復永久性受損的觸覺(jué)功能，并促進(jìn)傷口愈合，從而使嚴重受損的皮膚再生。研究人員制備的WTSA有助于：（i）以廣泛的生物相容性替代嚴重受損的觸覺(jué)；（ii）通過(guò)基于膠原蛋白和纖維蛋白制備材料的人造皮膚（CFAS）促進(jìn)皮膚傷口愈合和再生；（iii）通過(guò)神經(jīng)接口電極上的水凝膠涂層將異物反應降至最低。相關(guān)研究成果以“Bionic artificial skin with a fully implantable wireless tactile sensory system for wound healing and restoring skin tactile function”為題發(fā)表在Nature Communications期刊上。

圖1 WTSA總體示意圖以及刺激坐骨神經(jīng)的轉換后觸覺(jué)信號的傳輸過(guò)程

具體而言，該研究提出的觸覺(jué)皮膚系統由基于細胞外基質(zhì)（ECM）的人造皮膚、基于裂紋結構的壓力傳感器、無(wú)線(xiàn)供電壓力-頻率調制（WPPFM）電路、神經(jīng)接口電極和多層封裝組成。這一完整的觸覺(jué)皮膚系統將所有組件集成在單個(gè)基底上，通過(guò)傳輸取決于外部施加壓力強度的基于頻率的動(dòng)作電位來(lái)實(shí)現仿生觸覺(jué)識別。嵌入人造皮膚中的觸覺(jué)傳感器通過(guò)電阻的變化來(lái)檢測外部施加壓力的強度。包覆觸覺(jué)傳感器的人造皮膚由天然皮膚的主要細胞外基質(zhì)成分組成，具有與皮膚組織相似的機械特性，因此能夠有效地促進(jìn)皮膚再生和傷口愈合。

此外，WPPFM電路通過(guò)環(huán)形振蕩器將觸覺(jué)信號（電阻）轉換為基于頻率的鋸齒狀脈沖信號（Δ頻率）。轉換后的信號傳輸到神經(jīng)接口電極，以刺激與腿部運動(dòng)相關(guān)的坐骨神經(jīng)。神經(jīng)接口電極上的水凝膠涂層具有與坐骨神經(jīng)相似的機械特性，可最大限度地減少運動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦對神經(jīng)的損傷，并抑制神經(jīng)的纖維化，從而使其在長(cháng)期植入后仍能夠有效刺激神經(jīng)。最后，整個(gè)裝置采用多層封裝，以保護裝置在長(cháng)期運行過(guò)程中免受生物流體的影響，并保護周?chē)M織免受泄漏電流的影響。

圖2 WPPFM電路和神經(jīng)接口電極的表征

圖3 基于膠原蛋白（5 mg/mL）和纖維蛋白（6.67 mg/mL）制備材料的人造皮膚（CFAS）的表征和傷口愈合效果

圖4 WTSA的生物相容性

研究人員將WTSA植入皮膚嚴重受損的大鼠模型中進(jìn)行體內驗證實(shí)驗，并通過(guò)測量受損皮膚在不同強度外壓下的肌電信號和腿部運動(dòng)角度，對皮膚受損大鼠的腿部運動(dòng)進(jìn)行了精確分析。體內實(shí)驗結果表明，植入的WTSA可穩定運行9天以上，并能夠有效促進(jìn)傷口愈合。

圖5 WTSA體內驗證實(shí)驗，以及根據外部施加的壓力對皮膚受損大鼠腿部運動(dòng)的精確分析

綜上所述，研究人員提出了一種利用集成在單個(gè)基底上的WTSA來(lái)替代永久性受損的觸覺(jué)并促進(jìn)嚴重受損皮膚再生的新方法，這一方法在生物醫學(xué)和相關(guān)領(lǐng)域的基礎和臨床研究中具有良好的應用潛力。此外，通過(guò)將這種裝置開(kāi)發(fā)成多通道觸覺(jué)傳感和轉換單元，還能夠為大面積嚴重皮膚損傷提供基礎治療手段。

審核編輯：黃飛