15年的酝酿 科学家发明可治疗皮肤的"活生物电子学"

史久云（Jiuyun Shi）拿着他和芝加哥大学科学家团队发明的一个小型装置，该装置将活细胞、凝胶和传感器整合在一起，创造出"活的生物电子学"来治疗皮肤。图片来源：Jiuyun Shi 和 Bozhi 田/芝加哥大学

多年来，田博智教授的实验室一直在探索如何将电子领域（通常是刚性、金属和笨重的领域）与人体的柔软、灵活和微妙特性相结合。在最近的研究中，他们创建了一个所谓"活体生物电子学"的原型：活细胞、凝胶和电子学的结合体，可以与活体组织融为一体。

这种贴片由传感器、细菌细胞以及由淀粉和明胶制成的凝胶组成。在小鼠身上进行的试验发现，这种装置可以持续监测和改善类似牛皮癣的症状，而且不会刺激皮肤。

"这是与传统生物电子学的桥梁，传统生物电子学将活细胞作为治疗的一部分，"该论文的共同第一作者、曾在田的实验室（现为斯坦福大学）攻读博士学位的Jiuyun Shi说。

田说："我们非常激动，因为这已经酝酿了十多年。"

研究人员希望这些原理也能应用于身体的其他部位，如心脏或神经刺激。这项研究发表在5月30日的《科学》杂志上。

将电子设备与人体配对一直是个难题。虽然心脏起搏器等设备改善了无数人的生活，但它们也有自己的缺点：电子设备往往笨重而僵硬，可能会引起刺激。

但田的实验室擅长揭示活细胞和组织与合成材料相互作用背后的基本原理；他们以前的工作包括可以用光控制的微小起搏器，以及可以构成骨植入基础的坚固而柔韧的材料。在这项研究中，他们采用了一种新方法。通常情况下，生物电子学由电子元件本身和一个软层组成，软层的作用是减少电子元件对人体的刺激。

但是，田的研究小组想知道，他们是否能通过整合第三个组件（活细胞本身）来增加新的功能。研究小组对某些细菌（如表皮葡萄球菌）的治疗特性很感兴趣，表皮葡萄球菌是一种天然生活在人体皮肤上的微生物，已被证明可以减轻炎症。

薄如蝉翼的贴片集成了柔性电子电路、木薯淀粉和明胶制成的凝胶以及有助于治疗皮肤病的友好细菌。图片来源：Jiuyun Shi 和 Bozhi Tian/芝加哥大学

他们创造了一种由三个部件组成的装置。框架是一个带有传感器的薄而柔韧的电子电路。它上面覆盖着由木薯淀粉和明胶制成的凝胶，这种凝胶非常柔软，可以模拟组织本身的构成。最后，表皮葡萄球菌微生物被塞进凝胶中。当把设备放在皮肤上时，细菌会分泌能减轻炎症的化合物，而传感器则会监测皮肤的温度和湿度等信号。

在对易患牛皮癣样皮肤病的小鼠进行的试验中，症状明显减轻。

他们的初步测试持续了一周，但研究人员希望该系统--他们称之为ABLE平台（Active Biointegrated Living Electronics）--可以使用半年或更长时间。他们说，为了使治疗更方便，该装置可以冻干储存，需要时也可以轻松补水。

论文的另一位共同第一作者、实验室的在读博士生 Saehyun Kim 说："由于治疗效果是由微生物提供的，因此它就像一种活的药物--不必再给它加药。"

更广泛的应用和未来目标

除了治疗牛皮癣，科学家们还设想了一些应用，比如用贴片来加速糖尿病患者的伤口愈合。

他们还希望将这种方法推广到其他组织类型和细胞类型。田说："例如，这能创造出一种胰岛素分泌装置，或者一种与神经元连接的装置吗？有很多潜在的应用。"

田说，这是他从近 15 年前担任博士后研究员时就一直怀有的目标，当时他第一次开始试验"义体组织"。他说："从那时起，我们已经了解了很多基本问题，例如细胞如何与材料对接以及水凝胶的化学和物理，这让我们能够实现这一飞跃。看到它成为现实，我感到非常高兴。"

史久云说："我一直热衷于挑战科学的极限。"我希望我们的工作能为下一代电子设计带来灵感。"

编译来源：ScitechDaily