CN117462841A - 一种导电皮肤组织工程支架及伤口修复系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种导电皮肤组织工程支架及伤口修复系统，其中，导电皮肤组织工程支架包括相互配合的支架结构和电极结构；所述支架结构的几何图案与伤口的轮廓及大小相匹配；支架结构上设有中心区域，并在除中心区域外的环形区域布置有导电的多根径向引导线以及用于固定径向引导线的环向支撑结构；所述的电极结构包含第一电极片和第二电极片，所述的第一电极片设置于支架结构上表面的中心区域；所述的第二电极片为环形，设置于支架结构的外围；两个电极片之间通过径向引导线连通。本发明通过耦合几何结构和电刺激促进周围细胞向伤口中心迁移，进而促进伤口的修复，具有可操作性强、刺激结构和电极设计制备灵活、能适应不同的伤口情况的优点。
Description
技术领域
本发明属于皮肤伤口修复领域，尤其是涉及一种导电皮肤组织工程支架及伤口修复系统。
背景技术
皮肤指身体表面包在肌肉外面的组织，是人体最大的器官，主要承担着保护身体、排泄、调节体温和感受外界刺激的功能。皮肤覆盖全身，它使体内各种组织和器官免受物理性、机械性、化学性和病原微生物性的侵袭。大面积的皮肤损伤带来的危害是致命的，因此，加速皮肤伤口修复在医学领域具有重大意义。
目前促进皮肤修复的方法主要包括伤口敷料、皮肤移植、干细胞治疗等。如公开号为CN113181420A的中国专利文献公开了种用于皮肤浅表损伤快速修复的液体伤口敷料及其制备方法，其包括：细胞因子PDGF-BB、聚乙烯醇缩丁醛、甜菜碱型表面活性剂、聚丙烯酸和去离子水。公开号为CN113018316A的中国专利文献公开了多能干细胞来源的间充质干细胞(MSCs)在加快皮肤伤口愈合或修复皮肤损伤方面的应用。
这些方法存在明显的不足，主要体现在：敷料会释放有害物质且易导致伤口发炎、异体真皮存在免疫排斥反应、干细胞分化方向不确定性等。另外，上述方法均没有考虑天然的物理因素对伤口修复的影响，如内源性电场及基底几何结构等。
发明内容
为了解决背景技术中目前促进细胞修复方法中存在的不足，本发明提供了一种导电皮肤组织工程支架及伤口修复系统，通过耦合几何结构和电刺激，达到促进皮肤伤口修复的效果。
一种导电皮肤组织工程支架，包括相互配合的支架结构和电极结构；
所述支架结构的几何图案与伤口的轮廓及大小相匹配；支架结构上设有中心区域，并在除中心区域外的环形区域布置有导电的多根径向引导线以及用于固定径向引导线的环向支撑结构；
所述的电极结构包含第一电极片和第二电极片，所述的第一电极片设置于支架结构上表面的中心区域；所述的第二电极片为环形，设置于支架结构的外围；两个电极片之间通过径向引导线连通。
优选地，所述的径向引导线垂直于伤口的轮廓线。优选地，所述的环向支撑引导线垂直于径向引导线。优选地，所述第一电极片的形状与伤口的轮廓形状一致，电极片面积为伤口面积的25～35％；所述第二电极片的内环面形状与伤口的轮廓形状一致，内环面面积与伤口面积相同，外环面面积为伤口面积的120～150％。
进一步地，所述的第一电极片、第二电极片与电源模块连接构成通电回路，通过控制电场强度和电刺激频率来促进伤口表面愈合。
所述支架结构的材料为多壁碳纳米管(MWCNT)与聚己内酯(PCL)的混合物，材料比例为MWCNT/PCL＝0.2～0.5wt％，厚度为500μm～2mm。
本发明还提供了一种伤口修复系统，基于上述导电皮肤组织工程支架，具体包括：
测量模块，用于测量皮肤伤口的几何形状及参数；
支架设计模块，用于根据测量模块的测量数据设计并生成支架结构的几何图案；
支架打印模块，用于根据支架设计模块生成的几何图案确定打印路径，并根据打印路径加工得到支架结构；
电极设计模块，用于根据测量模块的测量数据设计并生成产生向内电场的电极图案；
电极加工模块，用于将电极设计模块生成的电极图案加工，得到电极结构；
灭菌模块，用于将支架打印模块得到的支架结构和电极加工模块得到的电极结构进行灭菌处理；
安装模块，用于将灭菌后的支架结构紧贴于伤口，然后将灭菌后的电极结构放置在支架结构上表面共同构成导电皮肤组织工程支架，并将导电皮肤组织工程支架通过不导电生物安全胶带固定在皮肤上；
电源模块，用于对电极结构通电，并通过控制电场强度和电刺激频率来促进伤口表面愈合。
进一步地，所述的电源模块控制电场强度为0.5～2V V/cm，电刺激频率为1～5小时/次/天，直至伤口表面愈合。
进一步地，所述的支架打印模块采用近场直写或熔融挤出的3D打印设备。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的支架结构和电极结构可根据伤口形状进行个性化设计，且制造简单，同时能够加速伤口的修复。
2、本发明的支架结构稳定性好，同时复合了电场和几何诱导等物理刺激加速伤口修复。
附图说明
图1为本发明一种导电皮肤组织工程支架的结构示意图；
图2为本发明中支架结构的示意图；
图3为本发明一种伤口修复系统的工作流程图；
图4为本发明实施例中对ICR小鼠的伤口轮廓和尺寸进行测量示意图
图5为本发明实施例中伤口愈合情况数据；
图6为本发明实施例中伤口免疫组织染色图。
图中：1-支架结构，11-中心区域，12-径向引导线，13-环向支撑结构，2-电极结构，21-第一电极片，22-第二电极片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1和图2所示，一种导电皮肤组织工程支架，包括相互配合的支架结构1和电极结构2。
支架结构1的几何图案与伤口的轮廓及大小相匹配；支架结构1上设有中心区域11，并在除中心区域11外的环形区域布置有导电的多根径向引导线12以及用于固定径向引导线12的环向支撑结构13。
电极结构2包含第一电极片21和第二电极片22，第一电极片21设置于支架结构1上表面的中心区域11；第二电极片22为环形，设置于支架结构1的外围；两个电极片之间通过径向引导线12连通。径向引导线12垂直于伤口的轮廓线布置。
第一电极片21的形状与伤口的轮廓形状一致，电极片面积为伤口面积的30％；第二电极片22的内环面形状与伤口的轮廓形状一致，内环面面积与伤口面积相同，外环面面积为伤口面积的120％。
第一电极片21、第二电极片22与电源模块连接构成通电回路，通过控制电场强度和电刺激频率来促进伤口表面愈合。
本发明实施例中，支架结构1的材料为多壁碳纳米管(MWCNT)与聚己内酯(PCL)的混合物，材料比例为MWCNT/PCL＝0.2wt％，厚度为500μm，电极结构2的材料为铂。
本发明实施例还提供了一种伤口修复系统，基于上述导电皮肤组织工程支架，具体包括：
测量模块，用于测量皮肤伤口的几何形状及参数；
支架设计模块，用于根据测量模块的测量数据设计并生成支架结构的几何图案；
支架打印模块，用于根据支架设计模块生成的几何图案确定打印路径，并根据打印路径加工得到支架结构；
电极设计模块，用于根据测量模块的测量数据设计并生成产生向内电场的电极图案；
电极加工模块，用于将电极设计模块生成的电极图案加工，得到电极结构；
灭菌模块，用于将支架打印模块得到的支架结构和电极加工模块得到的电极结构进行灭菌处理；
安装模块，用于将灭菌后的支架结构紧贴于伤口，然后将灭菌后的电极结构放置在支架结构上表面共同构成导电皮肤组织工程支架，并将导电皮肤组织工程支架通过不导电生物安全胶带固定在皮肤上；
电源模块，用于对电极结构通电，并通过控制电场强度和电刺激频率来促进伤口表面愈合。
为验证本发明的效果，下面以ICR小鼠的皮肤伤口修复为例，详细介绍本发明实施的具体步骤。如图3所示，包括以下步骤：
步骤1、使用测量模块确定待诱导伤口的几何形状与参数，如：伤口轮廓等。
先测量伤口的深度，并对伤口进行拍照，使用ImageJ或其他图像处理软件，测量伤口的轮廓和形状，结果如图4所示，伤口大小近似为圆，直径约为15mm。
步骤2、支架设计模块根据轮廓设计诱导伤口修复的几何图案。用于修复的几何图案的引导线垂直于伤口边缘，并具有稳定支撑的结构，如图3所示。
步骤3、根据步骤2中设计的几何图案，确定合适的增材制造加工方法，本例中选择了近场直写为制造方法。
步骤4、根据步骤3中近场直写打印方法需要的路径代码，通过CAD软件绘图，规划打印路径。
步骤5、利用支架打印模块根据步骤4中的打印路径将图案加工出来。
步骤6、电极设计模块根据步骤1中伤口的几何形状和参数设计能产生向内电场的电极结构。
电极结构具有两片，分别置于伤口中心及伤口边缘，其中伤口中心的第一电极片与伤口形状一致，尺寸小于伤口形状；伤口边缘的第二电极片与伤口形状一致，尺寸略大于伤口形状，且为中空的环形结构。
步骤7、利用电极加工模块将电极设计模块生成的电极图案加工，得到电极结构。本例中电极结构以金属铂为材料，电极片的加工方式为切割加工。
步骤8、利用灭菌模块将制造好的几何结构和电极片进行灭菌处理，即浸泡75％的酒精半小时，紫外灭菌半小时。
步骤9、实用安装模块，将步骤8中灭菌好的支架结构紧贴伤口，将电极放在诱导几何结构上方，通过不导电生物安全胶带固定。
步骤10、以纽扣电池为外部直流电源，控制电场强度为1V/cm，电刺激频率为1小时/次/天，直至伤口表面愈合。
在第3、7、14天时观察伤口的愈合情况，对伤口今天拍照，并用ImageJ测量照片的伤口愈合面积，并计算伤口愈合率，伤口愈合率a的计算公式如下：
其中，A0为第0天的伤口面积，An为第n天的伤口面积，伤口愈合面积统计数据如图5所示。图5左图为对照组(无处理，自然愈合)和实验组(几何图案+电刺激)在第0、3、7、14天时的伤口照片，右图为伤口愈合率比较的柱状图。由图5可知，实验组的皮肤愈合速率显著高于对照组。
步骤11、在第14天时，对伤口进行免疫组织染色，观察伤口内部的恢复情况，如血管、毛囊的形成等，免疫组织染色结果如图6所示。其中圆圈处为新形成的血管，方形标出处为新形成的毛囊，箭头为新生的肉芽组织厚度。由图6可以看出，实验组的新生肉芽组织厚度比对照组更厚，形成的毛囊和血管更多，说明实验组伤口恢复情况更好。
本发明采用支架结构和电极结构的配合，通过耦合几何结构和电刺激促进周围细胞向伤口中心迁移，进而促进伤口的修复，具有可操作性强、刺激结构和电极设计制备灵活、能适应不同的伤口情况的优点。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种导电皮肤组织工程支架，其特征在于，包括相互配合的支架结构和电极结构；
所述支架结构的几何图案与伤口的轮廓及大小相匹配；支架结构上设有中心区域，并在除中心区域外的环形区域布置有导电的多根径向引导线以及用于固定径向引导线的环向支撑结构；
所述的电极结构包含第一电极片和第二电极片，所述的第一电极片设置于支架结构上表面的中心区域；所述的第二电极片为环形，设置于支架结构的外围；两个电极片之间通过径向引导线连通。
2.根据权利要求1所述的导电皮肤组织工程支架，其特征在于，所述的径向引导线垂直于伤口的轮廓线。
3.根据权利要求1所述的导电皮肤组织工程支架，其特征在于，所述第一电极片的形状与伤口的轮廓形状一致，电极片面积为伤口面积的25～35％；所述第二电极片的内环面形状与伤口的轮廓形状一致，内环面面积与伤口面积相同，外环面面积为伤口面积的120～150％。
4.根据权利要求1所述的导电皮肤组织工程支架，其特征在于，所述的第一电极片、第二电极片与电源模块连接构成通电回路，通过控制电场强度和电刺激频率来促进伤口表面愈合。
5.根据权利要求1所述的导电皮肤组织工程支架，其特征在于，所述支架结构的材料为多壁碳纳米管MWCNT与聚己内酯PCL的混合物，材料比例为MWCNT/PCL＝0.2～0.5wt％，厚度为500μm～2mm。
6.一种伤口修复系统，其特征在于，基于权利要求1～5任一项所述的导电皮肤组织工程支架，具体包括：
测量模块，用于测量皮肤伤口的几何形状及参数；
支架设计模块，用于根据测量模块的测量数据设计并生成支架结构的几何图案；
支架打印模块，用于根据支架设计模块生成的几何图案确定打印路径，并根据打印路径加工得到支架结构；
电极设计模块，用于根据测量模块的测量数据设计并生成产生向内电场的电极图案；
电极加工模块，用于将电极设计模块生成的电极图案加工，得到电极结构；
灭菌模块，用于将支架打印模块得到的支架结构和电极加工模块得到的电极结构进行灭菌处理；
安装模块，用于将灭菌后的支架结构紧贴于伤口，然后将灭菌后的电极结构放置在支架结构上表面共同构成导电皮肤组织工程支架，并将导电皮肤组织工程支架通过不导电生物安全胶带固定在皮肤上；
电源模块，用于对电极结构通电，并通过控制电场强度和电刺激频率来促进伤口表面愈合。
7.根据权利要求6所述的伤口修复系统，其特征在于，所述的电源模块控制电场强度为0.5～2V/cm，电刺激频率为1～5小时/次/天，直至伤口表面愈合。
8.根据权利要求6所述的伤口修复系统，其特征在于，所述的支架打印模块采用近场直写或熔融挤出的3D打印设备。
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