“活体电子设备”监测和治疗发炎的皮肤

研究人员已经创建出所谓的“活生物电子学”的原型：活细胞、凝胶和可与活组织整合的电子设备的组合。

多年来，田博之的实验室一直在研究如何将电子世界（刚性、金属、笨重）与身体世界（柔软、灵活、精致）结合起来。

新型贴片由传感器、细菌细胞和由淀粉和明胶制成的凝胶组成。小鼠试验发现，该装置可以持续监测和改善牛皮癣样症状，且不会刺激皮肤。

“这是传统生物电子学的桥梁，将活细胞作为治疗的一部分，”该论文的共同第一作者、田实验室（现就职于斯坦福大学）前博士生史久云说。

田说：“我们非常兴奋，因为这个项目已经筹备了十五年。”

研究人员希望这些原理也能应用于身体的其他部位，例如心脏或神经刺激。

将电子设备与人体配对一直很困难。尽管心脏起搏器等设备改善了无数人的生活，但它们也有缺点；电子设备往往体积庞大、僵硬，可能会引起刺激。

但田的实验室专门揭示活细胞和组织与合成材料相互作用的基本原理；他们之前的工作包括一个微型起搏器，它可以用轻便、坚固但灵活的材料控制，可以作为骨植入物的基础。

在这项研究中，他们采用了一种新方法。通常，生物电子器件由电子器件本身加上一层柔软层组成，以减少对人体的刺激。

但田的团队想知道他们是否可以通过整合第三个组件来增加新功能：活细胞本身。该团队对某些细菌的治愈特性很感兴趣，例如 表皮葡萄球菌这是一种天然存在于人体皮肤上的微生物，已被证明可以减轻炎症。

他们发明了一种由三个组件组成的装置。框架是一个薄而灵活的电子电路，上面装有传感器。它上面覆盖着一种由木薯淀粉和明胶制成的凝胶，这种凝胶非常柔软，模仿了组织本身的构造。最后，表皮葡萄球菌微生物被塞进凝胶中。

当该设备放置在皮肤上时，细菌会分泌出减少炎症的化合物，传感器会监测皮肤温度和湿度等信号。

在对易患牛皮癣样皮肤病的小鼠进行的测试中，症状明显减轻。

他们的初步测试进行了一周，但研究人员希望该系统（他们称之为 ABLE 平台，即 Active Biointegrated Living Electronics）可以使用半年或更长时间。他们说，为了使治疗更加方便，该设备可以冷冻干燥储存，并在需要时轻松补水。

由于治疗效果是由微生物提供的，“它就像一种活的药物——你不需要重新填充它，”该论文的另一位共同第一作者、田实验室现任博士生 Saehyun Kim 说。

除了治疗牛皮癣之外，科学家还可以设想使用贴片等技术来加速糖尿病患者的伤口愈合。

他们还希望将这种方法扩展到其他组织类型和细胞类型。“例如，你能制造出一种产生胰岛素的装置，或者一种与神经元交互的装置吗？”田说。“有许多潜在的应用。”

田说，这是他自近 15 年前担任博士后研究员以来就一直怀有的目标，当时他首次开始尝试“机器人组织”。

“从那时起，我们学到了很多关于基本问题的知识，比如细胞如何与材料相互作用，以及水凝胶的化学和物理特性，这让我们实现了这一飞跃，”他说。“看到它变成现实真是太棒了。”

“我一直热衷于突破科学的极限，”施正荣说道。“我希望我们的工作能够启发下一代电子设计。”

该研究发表于 科学。

其他作者来自芝加哥大学、罗格斯大学和哥伦比亚大学。

研究人员使用了芝加哥大学的软物质表征设施和普利兹克纳米加工设施。他们还与波尔斯基创业与创新中心合作，将该技术商业化。

该项研究的资金来自美国陆军研究办公室、国家科学基金会、陈扎克伯格生物中心加速计划、芝加哥大学启动资金和罗格斯大学启动资金。

来源： 芝加哥大学