本项研究由来自北卡罗来纳州立大学电气与计算机工程系的Rajaram Kaveti、Amay J. Bandodkar，哥伦比亚大学生物医学工程系的Margaret A. Jakus、Samuel K. Sia，韩国大学等机构的研究人员合作完成。研究成果于2024年8月7日发表在期刊《Science Advances》（第10卷，文章编号eado7538）。这是一项关于慢性伤口治疗技术的原创性研究。
该研究的学术背景聚焦于生物医学工程与先进治疗领域，具体涉及慢性伤口的电刺激疗法。慢性伤口（如糖尿病足溃疡）愈合障碍影响着全球数百万人，仅在美国每年的治疗费用就超过280亿美元。当前的治疗方案，包括封闭敷料、水凝胶、皮肤替代品和生长因子等，要么效果有限，要么价格昂贵且复杂。电疗（electrotherapy）是一种已被证明能促进细胞迁移、增殖和血管生成的有效方法。然而，传统的电疗设备依赖于笨重的台式仪器，需要患者长时间连接，严重限制了患者的行动自由和该疗法的临床应用。因此，开发一种低成本、有效且便于患者日常使用的电疗设备，是临床实践中的一个迫切需求。本研究旨在解决这一难题，提出了一种创新的解决方案。
研究的详细工作流程可以概括为以下几个主要步骤：1）WPeD装置的原理设计与构建；2）装置的体外电气与机械性能表征；3）基于有限元分析（FEA）的理论模拟；4）体外生物相容性与细胞实验；5）在糖尿病（db/db）小鼠伤口模型上的体内疗效评估；6）组织学与免疫组化分析。
首先，研究团队设计并制造了水驱动、无电子器件敷料（WPeD）的核心部件。其核心是一个柔性、生物相容的镁-银/氯化银（Mg-Ag/AgCl）电池，其电池容量为0.4 mAh，面积为0.64 cm²。电池在干燥状态下处于断路（休眠）状态。电池通过一对碳基刺激电极与伤口相连，包括一个连接电池负极（镁阳极）的中心圆盘电极和一个连接电池正极（Ag/AgCl阴极）的外围环形电极，这种构型旨在产生一个指向伤口中心的径向电场，模拟并增强内源性电场。电池被封装在医用级敷料（Tegaderm）上，整个系统重量仅为290毫克，且具有很高的柔韧性。此外，团队还开发了一种基于kirigami（剪纸艺术）启发的三维可变形刺激电极，其蛇形外电极和螺旋形内电极能够在复杂的伤口表面实现保形贴合，适用于深部和不规则形状的伤口。装置的使用流程极其简单：将敷料贴于伤口，用湿润的手指触碰电池的注水口，直到“检查”垫变色即表示电池激活成功，开始提供电刺激。刺激会持续数小时，直到电池内的水分蒸发完毕。
其次，研究对WPeD进行了全面的体外电气与机械性能表征。实验研究了注水量、激活液体类型（去离子水、磷酸盐缓冲液、人工伤口渗出液）、环境温度（-20°C至45°C）、环境湿度（30%至90%相对湿度）、外部压力（高达450 kPa）和弯曲应力对装置刺激持续时间的影响。结果表明，WPeD在模拟不同愈合阶段伤口阻抗的负载下，能提供0.5至超过7小时的电刺激。重要的是，即使在高压力、大弯曲以及极端温湿度条件下，WPeD仍能保持数小时的稳定工作，显示出其鲁棒性。研究还探究了伤口大小和电池容量对刺激持续时间的影响，表明通过调整电池尺寸可以实现连续多天的治疗。电池在干燥状态下储存7个月后容量仅下降2.5%，显示出长保质期潜力。
第三，研究利用有限元分析（FEA）模拟了WPeD在伤口部位产生的电场分布。模拟基于一个多层皮肤组织模型，设定了不同组织的电导率和介电常数。结果显示，在1.6V的电池电压下，伤口中心附近的峰值电场强度可达约530 mV/mm，在环形电极内缘处衰减至约100 mV/mm。这个强度足以诱导细胞（如角质形成细胞）迁移并调节其行为。模拟还分析了不同电压、伤口形状和伤口大小对电场分布的影响，并探讨了针对深部穿刺伤口的电极配置方案。
第四，研究进行了体外生物相容性测试和细胞迁移实验。将小鼠成纤维细胞（NIH/3T3）与经WPeD孵育过的培养基共培养72小时，活/死染色显示细胞活性与对照组无显著差异，证明了装置材料的生物相容性。在体外划痕实验中，出乎意料的是，WPeD的电刺激减缓了成纤维细胞的迁移速度。显微镜观察发现，受刺激的细胞形态发生收缩，这可能是由于细胞粘附斑增大所致。这一结果表明，电刺激促进伤口愈合的机制可能更为复杂，并非单纯加速细胞迁移，可能涉及血管生成因子上调等体内过程。
第五，也是本研究最关键的环节，是在糖尿病（db/db）小鼠模型中评估WPeD的体内疗效。实验设置了三个组：“刺激组”（WPeD激活，n=8）、“假手术组”（敷贴WPeD但不激活电池，n=8）和“对照组”（仅使用Tegaderm敷料，n=7）。在小鼠背部制造一个直径为1厘米的全层皮肤缺损伤口，每天更换并激活新的WPeD，持续11天。通过定期拍摄伤口照片并量化伤口面积来评估愈合速度。结果显示，从受伤后第4天开始，“刺激组”的伤口闭合速度显著快于其他两组。到第11天，“刺激组”有75%的伤口完全闭合，而“假手术组”和“对照组”分别为12.5%和0%。到第13天，“刺激组”的完全闭合率达到88%，远高于其他组。这表明WPeD能够显著加速糖尿病伤口的愈合，其愈合速度比使用假装置或普通敷料快1.23倍。研究还通过红外成像证实，WPeD工作期间不会引起伤口周围组织可测量的温度升高。动物行为分析表明，轻便的WPeD没有妨碍小鼠的正常活动。
第六，为了深入探究愈合质量，研究在术后第13天取伤口组织进行了组织学和免疫组化分析。苏木精-伊红（H&E）染色和Masson三色染色（MTS）显示，“刺激组”的表皮厚度显著大于“假手术组”和“对照组”，胶原蛋白强度也显著更高。这表明WPeD不仅加速了伤口闭合，还促进了更高质量的愈合，形成了更厚、更坚固的皮肤屏障。免疫荧光染色分析显示，“刺激组”伤口的CD31（血管内皮标记物）表达强度显著更高，表明血管生成得到增强。此外，通过标记M1型（促炎，iNOS+）和M2型（抗炎/修复，CD206+）巨噬细胞，发现“刺激组”伤口的M1/M2巨噬细胞比率显著低于其他两组，表明炎症反应更快地消退，伤口更顺利地进入增殖和重塑阶段。这些组织学结果与文献中报道的其他先进电疗或生物制剂疗法的效果相当。
本研究的结论是，团队成功开发了一种低成本、无电子器件、由水驱动的智能敷料（WPeD），它能够提供有效的电刺激，在糖尿病小鼠模型中显著加速伤口闭合，并促进高质量的愈合，包括增加表皮厚度、促进血管生成和减轻炎症。该装置的性能在各种严苛条件下依然稳定，且使用方法极其简单。
该研究的科学价值和应用价值重大。在科学层面，它创新性地将简单的电化学电池原理应用于可穿戴医疗设备，实现了完全无电子、无外部电源的按需电刺激，为智能敷料和可穿戴生物电子学领域提供了全新的设计思路。在应用层面，WPeD每个敷料的成本极低（约1美元），制造工艺简单，易于与现有敷料集成，且患者使用方便、行动不受限，为解决慢性伤口治疗中的成本、复杂性和依从性难题提供了极具前景的实用化方案。其鲁棒性也使其适用于极端环境或身体承压部位（如足跟）的伤口护理。
本研究的亮点突出：首先是方法的高度创新性，利用水激活的“干电池”实现电疗，完全摒弃了传统电疗设备中的复杂电子元件、外部电源或无线充电模块。其次是卓越的性能与鲁棒性，装置在模拟真实场景的压力、弯曲、温湿度变化下仍能可靠工作数小时。第三是全面的验证体系，从体外电化学表征、FEA模拟、生物相容性测试到严谨的动物模型体内实验和组织学分析，形成了一个完整的证据链，有力支撑了其有效性和安全性。第四是临床转化潜力巨大，低成本、易用性和有效性的结合，使其具有大规模临床应用和商业化的可能。
此外，研究还展望了未来的发展方向，包括在更接近人类皮肤的猪模型中进行验证，利用转录组学和蛋白质组学深入探究其分子机制，优化刺激参数以实现个体化治疗，以及探索其预防伤口感染（如对抗生物膜）的潜力。这些工作将进一步拓展该技术的应用范围和影响力。