作者团队包括Yuwei Zhang、Bangzhi Ge、Jianghe Feng、Nianling Kuang、Haolin Ye、Ziling Yuan等，主要来自Xi’an Jiaotong University、Northwestern Polytechnical University以及Shenzhen Institutes of Advanced Technology等机构。这项研究发表于《Adv. Funct. Mater.》，日期为2024年4月16日，文章标题为《High-Performance Self-Powered Flexible Thermoelectric Device for Accelerated Wound Healing》。

学术背景

慢性全层创面愈合缓慢或不完全，对患者身心带来巨大负担，是一个全球性的医疗挑战。现有伤口愈合方法大多是被动型，例如压迫包扎、伤口敷料和高压氧治疗，它们的作用主要是保护伤口免受外界环境污染，却无法主动加速伤口闭合。研究显示，内源性电场对促进伤口愈合有积极作用，而外源性电场也能够通过刺激血管生成、细胞迁移与增殖起到类似的效果。

传统外源电刺激疗法需要依赖复杂设备，操作繁琐，不适用于家庭或长期治疗。而基于可穿戴电子设备的自供电技术具有解决此问题的潜力，特别是人体表面持续释放的热量提供了转化和利用温差的可能性。热电(thermoelectric, TE)装置可以利用热梯度产生静音、无化学污染的电能，是一种有前景的技术。不过，传统热电材料易碎或含有毒元素，限制了其在伤口治疗领域的应用。因此，研究团队开发了一种柔性、高效且生物相容的热电装置，并验证了其在加速伤口愈合中的功能。

研究工作流程

研究整体分为以下几个主要步骤：

1. 热电装置的设计与制造

研究团队使用基于Bi2Te3的化合物来构建热电材料，该种材料在接近平常室温的环境下具有最佳性能。研究人员通过磁控溅射工艺在柔性聚酰亚胺(polyimide)基底上交替沉积150 μm厚的n型(Bi2Te3)与p型(Bi0.5Sb1.5Te3)热电薄层，形成环形热电装置。研究进一步优化了材料的均匀分布以提升性能稳定性，并用高纯度铜电极焊接各部分。

为确保生物安全性，热电装置以聚酰亚胺单元全封装避免有毒元素接触皮肤。研究分析了装置的电流与功率输出相对于不同温差的变化并以有限元建模校验其一致性。实验还测试了装置的柔韧性与耐久性，结果显示在12 mm弯曲半径下重复弯折400次后，内部阻抗未有明显变化，证明其机械性能卓越。

2. 体外细胞实验

利用小鼠成纤维细胞L929，研究通过体外培养实验验证了装置电输出对细胞迁移和增殖的影响。团队将培养皿中央划出细胞空白区域作为“伤口”模型，并连接热电装置的电极于培养皿两端进行电刺激。对照组仅放置电极但未供电，另有未干预的空白组。

细胞分布结果说明，热电装置电输出显著促进了细胞迁移，划痕被细胞填充的面积达到83%，远高于对照组和空白组的24%和22%。此外，热电装置提高了细胞存活率(从~100%提升至~158%)，并显著增强了外基质中的血管内皮生长因子(VEGF)的分泌水平，这对伤口早期愈合至关重要。

3. 体内动物实验

进一步通过大鼠皮肤创面模型评估装置的实际疗效。研究使用红外测热分析确定大鼠背部皮肤与环境之间的温差在实验中被稳定维持在约10 K，从而产生持续约6.4 mV的电压。随后，研究在背部10 mm直径的全层伤口模型上固定热电装置，并记录伤口愈合的图像与数据。

结果显示，热电装置组在第6天伤口修复达到85%，显著快于对照组(修复约60%)。表明电刺激能够明显加速伤口的早期收缩阶段，比自然愈合过程提速约4天。

4. 组织与信号通路分析

通过对大鼠伤口组织切片的组织学检测，包括HE染色与免疫组化，研究发现热电装置显著缩短了炎症期并加速了血管生成。此外，Cd31（血管标志物）和抗Piezo1阳性细胞的表达均在电刺激组中达到峰值，进一步验证了该装置促进伤口愈合的机制与效果。西方印迹分析和免疫荧光实验表明，装置输出的电场通过激活Piezo1通道和下游信号通路(如PI3K和PTEN信号)调节炎症因子(IL-1β、IL-6)水平，促进成纤维细胞的增殖及细胞外基质和新生血管生成。

主要研究结果

1. 研制了一种柔性、生物相容且高效的环形热电装置，其输出电压与温差成线性关系，在日常生活中的小温差(约10 K)下能生成足以影响细胞行为的微伏级电压。
2. 实验数据表明该装置在体外与体内实验中显著促进了细胞迁移、增殖与血管生成，从而加速了创面愈合。
3. 组织学证据和分子水平分析进一步揭示，装置通过电场激活Piezo1离子通道和相关信号通路，具备抗炎与促血管生成的双重作用。

研究的意义与应用价值

该研究通过将热电领域的先进技术与现代医学需求相结合，为伤口愈合和修复设计出一种全新的高效自供电装置。这种装置具有完全柔性、高效发电和生物相容性，可以在无需复杂设备或定期维护的情况下直接利用人体热量转化为电场。研究不仅为伤口治疗领域提供了一种革命性的解决方案，同时也为开发下一代可穿戴医疗设备在监测、诊断和治疗上的潜力奠定基础。

研究亮点

1. 提供了一种创新性柔性热电装置，可直接通过皮肤转换人体热量来发电。
2. 装置的生物安全性高，与现有治疗技术相比，其无需外部供能，使用便捷且更具可持续性。
3. 进一步揭示了热电装置在加速细胞迁移、增殖及血管生成上的分子机制，为下一步优化新材料和治疗方法提供理论支持。

这项研究展示了热电技术在医疗领域内的巨大应用前景，为解决慢性伤口愈合这一重大医学问题提供了突破性进展。