研究背景

皮肤是人体具有“传感”功能的复杂系统，不仅能够感知周围的环境(如温度、压力、应变和振动等)，还能根据其变化而做出主动响应行为。其中，皮肤的温度响应调节功能是保障恒温动物生命稳定的关键因素之一。日常生活中，皮肤损伤不可避免，但这种破损会严重影响原有的温度感知与调节功能。例如，皮肤烧伤会使患者人体失去热反馈，从而带来附加的副作用和疼痛感。因此，利用纤维柔性材料重建受损皮肤的功能在仿生机器人和组织修复领域具有重要的意义，尤其是恢复皮肤的温度感知和自适应调节功能可极大提高皮肤损伤患者的生活质量。虽然电子皮肤模拟温度感知已经被用于仿生皮肤，但大多数器件缺乏自调节功能。因此，本文报道了一种集温度“热感知”、自调节为一体的智能柔性器件。

A Skin‑Inspired Self‑Adaptive System for Temperature Control During Dynamic Wound Healing

Yaqi Geng, Guoyin Chen, Ran Cao,* Hongmei Dai, Zexu Hu, Senlong Yu, Le Wang, Liping Zhu, Hengxue Xiang,* Meifang Zhu* 

Nano-Micro Letters (2024)16:152

https://doi.org/10.1007/s40820-024-01345-0

本文亮点

1. 制备了一种受人体皮肤温度自我调节启发的交互式电子系统。

2. 实现了热刺激疗法和动态伤口愈合过程中的温度监测。

3. 研究了动态伤口愈合过程中温度自调节机制。

内容简介

皮肤的温度调节功能可以将体温维持在相对恒定的状态，这对于恒温个体来说是至关重要的。然而，皮肤遭受损伤的患者会带来局部的感知和调节功能缺失，不利于伤口恢复。本文中，东华大学朱美芳院士课题组报道了一种模拟皮肤温度调节的集成贴片，让伤口动态愈合过程更加可控。这种受皮肤启发的自适应系统由两个高灵敏度的热敏电阻(热响应复合材料)和一个低功耗的温度控制单元(激光诱导石墨烯阵列)组成。该仿生系统可在35-42 oC的生理温度范围内实现自调节，产生的热刺激也有助于伤口愈合和皮肤屏障的形成。在小鼠创面模型中，与对照组相比，治疗组愈合速度快约10%，并且炎症较轻，有效的促进皮肤组织再生。这种受皮肤启发的自调节系统为电子皮肤和个性化医疗设备提供了新的思路。

图文导读

I 设计概念和系统特点

皮肤的温度自调节依赖于一个感知和反馈过程，受此过程的启发，我们设计了一个交互式温度调节仿生电子系统(TRES)，如图1a所示。该装置主要由两个部分组成，一个是温度控制单元，另一个是温度调节单元。温度控制单元是由PDMS封装的石墨烯阵列(LIG)制成的。温度调节单元使用两个具有不同开关温度的聚合物基PTC热敏电阻。柔软的TRES可以整体附着在皮肤上，如图1b, c所示。仿生自调节系统的原理如图1d所示，该系统分为外反馈电路和内保护电路。在正常工作状态下，温控单元(LIG TC)保持在体温附近，热敏电阻1(T1)处于高阻状态，热敏电阻2(T2)处于低阻状态。当电压(Vcc1)卸载时，模拟皮肤温度下降，T1电阻迅速减小，触发警报器。当Vcc1增大时，模拟皮肤温度上升，使T2电阻升高，调控TC温度降低。

图1. 交互式热调节仿生电子系统(TRES)的设计理念和系统特点：(a)恒温动物的温度自调节机制；(b)放置在手臂上的TRES的实物图；(c)TRES的装配图；(d)TRES的自调节机制。

II  LIG TC的制备及其焦耳热性能

了实现快速的温度控制，我们将LIG作为温度控制单元(图2a)。这种选择性、低成本、无化学物质、环保的图案技术在工业生产中具有广阔的应用前景。如图2b所示，得到的LIG具有整齐的织构结构和无序的多孔结构，这是由于CO2激光横向扫描时碳化过程中会形成气体，从而形成蜂窝状多孔结构。为了进一步证明LIG的结构，进行了x射线光电子能谱(XPS)测试。图2c的结果表明，LIG中主要存在“C - C”和“C - O”官能团，“C=O”和“O - C=O”的含量很低。为了验证LIG TC的焦耳热性能，由图2d可以看出，温度随着电压的增大而升高。在促进伤口愈合方面，LIG TC可以产生40 oC左右的温和热刺激，此时的功率为0.15 W左右，电流4 mA。随后，我们测试了LIG TC的响应稳定性，结果如图2e所示。当施加10、15和20 V电压时，LIG TC温度分别达到30、40和50 oC。三组的反应时间均小于250s，同时在恒压过程中保持温度稳定。

图2. LIG TC的制备及其焦耳热性能：(a)LIG TC的制备过程；(b)LIG (纹理结构和多孔结构)的SEM图像；(c)LIG的XPS分析。(d)LIG TC的焦耳热性质。(e)LIG TC的热稳定性。

III PTC热敏电阻的制备及其热响应性能

为了实现温度的自调节，首先制备了PTC热敏油墨。在制作工艺上，首先将油墨滴在电极片上形成涂层，干燥后得到PTC热敏电阻(图3a)。PTC油墨的稳定性是制备PTC油墨的关键，如图3b所示，墨水在放入瓶子中保存一周后没有明显的分层，表明其具备稳定性。根据我们之前工作制备的丙烯酸酯共聚物(AC)作为PTC热敏电阻的主要成分，用丙烯酸丁酯(BA)和丙烯酸十八酯(OA)共聚，通过调节BA和OA的比例，可以得到具有不同开关温度的共聚物POABA和POA，如图3c所示。通过差示扫描量热法(DSC)分析AC的熔化和结晶(图3d)，发现SEBS没有明显的熔化和结晶状态，而掺杂POABA和POA的复合材料分别在40℃和50℃左右出现巨大的熔融峰。为了解释热敏电阻巨大的PTC效应与AC的熔融和结晶有关，我们模拟了混合聚合物体系在不同温度下的导电路径变化，如图3e所示。在熔融温度以上，由于AC的高粘度，使得CB均匀分散在整个聚合物体系中，产生较大的电阻。当温度降至结晶温度以下时，聚合物侧链开始结晶，结晶区形成迫使CB向非晶区移动，从而形成导电通路。我们进一步测试了热敏电阻的响应能力，表现出巨大的PTC效应，且开关温度与聚合物熔点相对应(图3f)。随后，我们测试了热敏电阻的可重复性，如图3g可以看出，热敏电阻表现出优异的响应稳定性和可重复性，这归因于AC的结晶侧链和SEBS分子链的有一定限制作用。

图3.  PTC热敏电阻的制备及其热响应性能。(a)PTC热敏电阻的制备工艺。(b)PTC油墨的稳定性。(c)聚合物分子式。(d)丙烯酸酯共聚物的熔融和结晶能力。(e) PTC热敏电阻的工作机理。(f)PTC热敏电阻的温度响应性能。(g)PTC热敏电阻的响应稳定性。

IV TRES的电路设计及自调节性能

通过电路设计，实现TRES的自调节功能，主要由保护电路和反馈电路两部分组成。如图4a，第一部分是保护电路:LIG TC和T1串联，Vcc1可调。另一部分是反馈电路:T2与蜂鸣器并联，Vcc2=4.36V固定(当T1为低阻时，激活报警的最小电压值)。连接示意图如图4b所示， T1和T2的工作模式如图4c所示。设计并验证了基于热敏电阻电阻变化(∆R)的自调节电路模型，并用热红外成像实时监测LIG TC温度。如图4d所示，对于保护电路，当Vcc1增加到18V时，LIG TC达到了40℃的温度，而T2的电阻只有几十个欧姆，因此LIG TC获得了大部分电压。在外电路中，T1可以达到几千欧姆的电阻，无法导通N-Metal-Oxide-Semiconductor (NMOS)，蜂鸣器支路处于关闭。当Vcc1逐渐增大到24 V时，由图4e和f可以看出，在 160 s左右，T2的温度突然升高，此时LIG TC的温度从46℃下降，这表明T1为LIG TC提供保护。反馈电路如图4g所示，采用蜂鸣器作为警报器。为了进一步量化蜂鸣器的激活，我们在蜂鸣器和NMOS的两端连接了一个示波器作为电压表。当Vcc1突然卸载时，LIG TC的温度开始迅速下降(图4h)， T1的电阻也开始下降，至NMOS导通，蜂鸣器鸣响。如图4i所示，示波器记录了从开路电压到栅极电压稳定，即LIG TC温度保持恒定的过程。

图4. TRES的电路设计及自调节性能。(a)正常工作状态下的电路图。(b)保护电路与反馈电路的连接方式示意图。(c)不同热敏电阻的工作机制。(d)保护电路图。(e)T2工作时的实时温度。(f)T2工作时LIG TC的温度变化。(g)反馈电路图。(h)T1工作时LIG TC的温度变化。(i)示波器示数变化。

V TRES促进伤口愈合

在受伤的皮肤往往缺乏必要的温度调节功能，这阻碍了伤口的愈合过程。为此，可以利用这种具有热感知和调节能力的柔性设备来促进伤口愈合，如图5a所示。为了证明TRES对伤口愈合的积极作用，我们在小鼠背部建立了带缺口的动物模型，系统地研究了空白对照组、商用加热器覆盖组和TRES覆盖组对小鼠全层皮肤缺损创面愈合的影响。以40°C为典型温度，验证TRES促进创面愈合的能力。如图5b、c所示，与对照样品一样，将TRES放置在小鼠背部创口处。温度由热像仪实时监测。可以看出，LIG TC的响应时间和稳定性与商用加热器相似(图5d)。整个观察期内创面愈合趋势持续了12天，如图5e所示。结果显示，TRES组和商用加热器组伤口面积明显减小，而对照组创面面积持续12天较大。随后，统计了创面收缩率，如图5f所示。对照组12天后的愈合率达到70%，而两个加热组可以达到80%，伤口面积明显缩小。为进一步评价创面愈合情况，第5天和第12天分别进行苏木精-伊红(H&E)染色和Masson三色染色，如图5g, h所示。商用加热组创面部位炎症细胞(黑色箭头)较多，炎症反应严重。TRES组炎症细胞较少，再上皮化优于商业组。从伤口愈合的角度来看，使用具有低杨氏模量的柔软电子材料直接接触生物组织可以最大限度地减少不良反应。

图5. 体内创面愈合评价及组织学分析。(a)TRES促进伤口愈合机理。(b)TRES放置在小鼠身上的实物图。(c)TRES加热小鼠的热红外成像。(d)LIG TC和商用加热器实时监测温度。(e)对照组、商用加热器和TRES处理的小鼠背部伤口照片。(f)12 天的创面收缩百分比及创面边界变化。(g, h)H&E染色和Masson染色处理创面的组织学分析(n=3, p＜0.05)

VI 总结

综上所述，本文成功地制备了一个模拟人体皮肤温度自调节的交互式柔性电子系统(TRES)。其中，采用LIG阵列作为温度控制单元，具有较高的焦耳热效应。采用两个不同开关温度的PTC热敏电阻作为调温元件，就具有灵敏度大，响应时间快的特点。通过电路设计，TRES可以对高温(46°C)进行阻挡，对低温(33°C)进行警示，为人体提供安全的温度保护。该设备还可以产生温和的热刺激，以促进伤口愈合。同时在温度监测方面的潜力也得到了证实，更重要的是，与对照组相比，TRES使创面愈合率提高了10%，与商业加热组相比，TRES有效降低了炎症反应。该装置为下一代电子皮肤和个性化医疗设备提供了新的思路。

作者简介

曹冉

本文通讯作者

东华大学 讲师

▍主要研究领域

仿生皮肤材料(修复与感知)。

▍个人简介

中国科学院大学博士，美国西北大学访问学者，在Nat. Common, ACS Nano, Adv. Fun. Mater. 等期刊发表论文50余篇，主持国家自然科学基金青年基金，十四五国家重点研发计划课题子任务、科技部外国青年专家引进项目、企业横向等项目，入选中国科协第八届“青年人才托举工程”。

▍Email：[email protected]

相恒学

本文通讯作者

东华大学 研究员

▍主要研究领域

结构功能一体化聚合物功能纤维。

▍个人简介

以第一和通讯作者在Macromolecules, Nat. Commun.等期刊发表SCI论文70篇；授权国家发明专利78件；主持国家重点研发计划项目课题、国家自然科学基金面上项目、上海市国际合作项目等23项；参与制定行业标准1项。获国家技术发明二等奖(第4)，中国材料研究学会技术发明一等奖(第1)等省部级及以上奖励11项，中国纺织工业联合会纺织高等教育教学成果特等奖(第4)1项。荣获上海市优秀技术带头人(2020)、化纤协会杰出青年教师(2021)、中国纺织青年科技奖(2022)、国家高层次青年人才(2022)和高分子材料与工程年度青年科技奖(2023)等荣誉称号。

▍Email：[email protected]

朱美芳

本文通讯作者

东华大学 教授

▍主要研究领域

纤维材料的功能化、舒适化和智能化研究。

▍个人简介

现任纤维材料改性国家重点实验室主任，美国纤维学会管理委员会委员(The Fiber Society(美国),Governing Council Members(2019-2021))；第七届国务院材料科学与工程学科评议组成员；教育部高等学校材料类专业教学指导委员会副主任委员(2018-2022)；中国材料研究学会副理事长；中国纺织工程学会第25届理事会化纤专业委员会副主任、中国化学会高分子学科委员会副主任；Advanced Fiber Materials, Editor-in-Chief。

▍Email：[email protected]

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2022JCR影响因子为 26.6，学科排名Q1区前5%，期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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