Un nou dresaj bionic pentru răni accelerează vindecarea țesutului infectat

Un nou dresaj bionic pentru răni accelerează vindecarea țesutului infectat

Un nou tip de dresaj bionic a fost dezvoltat, care promite să îmbunătățească semnificativ procesul de vindecare a rănilor infectate.

Produsele tradiționale de dresaj au o limitare critică: nu există un singur produs care să integreze cu succes funcția de protecție, confortul la purtare și o activitate antibacteriană eficientă. O echipă de cercetători de la Universitatea Politehnică din Hong Kong, condusă de Xungai Wang, Shuo Shi, Huiqun Zhou și Yang Ming, în colaborare cu Universitatea City din Hong Kong, Universitatea Jiangnan și Universitatea Zhejiang Sci-Tech, a prezentat un dresaj bionic revoluționar care umple acest gol între acoperirea pasivă și vindecarea activă.

Dresajele tradiționale de rănire impun, de obicei, un compromis între confort și funcționalitate. Gazele se adezivă la răni și cauzează durere în timpul schimbărilor; dresajele din spumă sunt costisitoare; dresajele hidrocoloidale nu sunt potrivite pentru rănile infectate. Noul dresaj bionic cu răcire depășește această limitare prin combinarea unei structuri nanofibroase ierarhice Janus cu cadre metal-organice (MOFs) responsive la lumină vizibilă, realizând simultan gestionarea termică pasivă, acțiunea antibacteriană la cerere și compatibilitatea mecanică asemănătoare pielii.

Materialul este fabricat prin integrarea sinergică a tehnologiei de sudare cu solvent cu un cadru zeolitic imidazolat modificat cu fier-8 (Fe-ZIF8) pe o singură parte. Sudarea cu solvent creează puncte de legătură fizică robuste între nanofibrele electrospunate PVDF, conferind o rezistență la tracțiune de aproximativ 21,6 MPa și o deformare de rupere de circa 54%, proprietăți mecanice care se potrivesc îndeaproape cu pielea umană naturală. Arhitectura Janus prezintă un strat exterior hidrofob (unghiul de contact cu apa = 137°) care reflectă lumina solară și transmite radiația mid-infraroșie pentru răcire pasivă, în timp ce stratul interior hidrofili (unghiul de contact cu apa = 72°) absoarbe umezeala și ancorează nanoparticulele Fe20-ZIF8 pentru funcția antibacteriană.

Simulările DFT și măsurările UPS dezvăluie că doparea cu Fe reduce banda de energie a ZIF8 de la 5,15 eV la 2,56 eV, permițând absorbția luminii vizibile (>420 nm). La iluminare, site-urile de coordonare Fe-N4 generează specii reactive de oxigen (ROS) fotocatalitice cu o intensitate a semnalului de două ori mai mare decât ZIF8-ul pur, declanșând cascadele redox O2/O2⁻ pentru eliminarea bacteriilor. Emisivitatea mare în mid-infraroșu (80,7% în fereastra atmosferică de 7–14 μm) provine din abundența legăturilor IR-active C–F, C–C și metal–O, permițând disiparea căldurii radiative.

Dresajul bionic cu răcire oferă un set cuprinzător de funcționalități: permeabilitate la aer ce depășește 1,8 mL s-1, rată de transmisie a vaporilor de apă care depășește 12,5 kg m-2 d-1, și eficiență de filtrare a particulelor de peste 99,8%. Sub lumina solară simulată (1 soare), structura Janus reduce temperatura suprafeței cu aproximativ 4°C comparativ cu omologii non-Janus, în timp ce modelele de șoareci demonstrează o răcire medie de 1,7°C în condiții exterioare realiste (irradierea solară: 115–195 W m-2).

În ceea ce privește vindecarea rănilor infectate, dresajul atinge o eficiență antibacteriană de 97,1% împotriva Staphylococcus aureus sub lumină albă, comparabilă cu controalele pozitive tratate cu antibiotice, menținând totodată o biocompatibilitate excelentă cu celulele fibroblastice NIH3T3 pe parcursul a 5 zile. Rănile tratate cu pielea bionică ating o închidere aproape completă în 11 zile, cu rate de vindecare de peste două ori mai mari decât cele ale grupurilor netratate sau ale celor cu PVDF pur.

Analiza mecanistică prin secvențierea RNA și analiza qPCR arată că pielea bionică reglează activ repararea rănilor la nivel genetic. Dresajul stimulează genele markerilor de angiogeneză (Vcam1, Vegfd, Vegfb, Vegfc), genele de migrare celulară (Cemip, Cemip2) și peptidele antimicrobiene (Cathelicidin, Hepcidin), în timp ce reglează în jos factorii inflamatori (Ilrun, Madcam1, TNF-α). Analizele GO și KEGG confirmă activarea semnificativă a căilor de semnalizare PI3K-Akt, HIF-1 și NF-kappa B, optimizând microambientul rănilor prin acțiune antibacteriană, pro-angiogeneză, anti-inflamație și mecanisme de antioxidare. Evaluările histologice arată cea mai uniformă depozitare a colagenului (34,06 ± 8,29%) și grosimea epidermică optimă (89,50 ± 13,60 μm), aproape de două ori mai mult decât pielea normală, indicând o regenerare robustă a țesuturilor fără cicatrici excesive.

Această lucrare stabilește un nou paradigmă pentru gestionarea inteligentă a rănilor, demonstrând că biomimica structurală și designul materialelor funcționale pot fi integrate fără probleme. Pielea bionică cu răcire nu doar că avansează înțelegerea noastră asupra mecanismelor de reparare a rănilor prin analiza multi-omics, dar promite, de asemenea, materiale biometrice de generație următoare, combinând confortul termic, controlul activ al infecției și regenerarea accelerată a țesuturilor.