触觉是五种基本感觉（触觉、视觉、嗅觉、听觉和味觉）之一，是生物体与周围环境进行交互并对各种外部刺激做出快速有效反应的重要基础。位于皮肤真皮层的机械刺激感受器和触觉神经元在接收到外部压力刺激时会改变其电位，并调节触觉神经元的放电行为，从而根据接收到的压力刺激强度将外部压力转化为不同频率的电脉冲信号。严重烧伤、皮肤癌、化学事故和工业事故造成的严重皮肤损伤会破坏皮肤的组织结构和神经系统，导致永久性触觉功能障碍，从而严重影响个人日常生活。
据麦姆斯咨询报道，来自韩国延世大学（Yonsei University）、韩国科学技术研究院（Korea Institute of Science and Technology，KIST）等机构的研究人员开发了一种嵌入全植入式无线供电触觉系统的人造皮肤（WTSA）。这种人造皮肤运行稳定，可恢复永久性受损的触觉功能，并促进伤口愈合，从而使严重受损的皮肤再生。研究人员制备的WTSA有助于：（i）以广泛的生物相容性替代严重受损的触觉；（ii）通过基于胶原蛋白和纤维蛋白制备材料的人造皮肤（CFAS）促进皮肤伤口愈合和再生；（iii）通过神经接口电极上的水凝胶涂层将异物反应降至最低。相关研究成果以“Bionic artificial skin with a fully implantable wireless tactile sensory system for wound healing and restoring skin tactile function”为题发表在Nature Communications期刊上。
图1 WTSA总体示意图以及刺激坐骨神经的转换后触觉信号的传输过程
具体而言，该研究提出的触觉皮肤系统由基于细胞外基质（ECM）的人造皮肤、基于裂纹结构的压力传感器、无线供电压力-频率调制（WPPFM）电路、神经接口电极和多层封装组成。这一完整的触觉皮肤系统将所有组件集成在单个基底上，通过传输取决于外部施加压力强度的基于频率的动作电位来实现仿生触觉识别。嵌入人造皮肤中的触觉传感器通过电阻的变化来检测外部施加压力的强度。包覆触觉传感器的人造皮肤由天然皮肤的主要细胞外基质成分组成，具有与皮肤组织相似的机械特性，因此能够有效地促进皮肤再生和伤口愈合。
此外，WPPFM电路通过环形振荡器将触觉信号（电阻）转换为基于频率的锯齿状脉冲信号（Δ频率）。转换后的信号传输到神经接口电极，以刺激与腿部运动相关的坐骨神经。神经接口电极上的水凝胶涂层具有与坐骨神经相似的机械特性，可最大限度地减少运动过程中产生的摩擦对神经的损伤，并抑制神经的纤维化，从而使其在长期植入后仍能够有效刺激神经。最后，整个装置采用多层封装，以保护装置在长期运行过程中免受生物流体的影响，并保护周围组织免受泄漏电流的影响。
图2 WPPFM电路和神经接口电极的表征
图3 基于胶原蛋白（5 mg/mL）和纤维蛋白（6.67 mg/mL）制备材料的人造皮肤（CFAS）的表征和伤口愈合效果
图4 WTSA的生物相容性
研究人员将WTSA植入皮肤严重受损的大鼠模型中进行体内验证实验，并通过测量受损皮肤在不同强度外压下的肌电信号和腿部运动角度，对皮肤受损大鼠的腿部运动进行了精确分析。体内实验结果表明，植入的WTSA可稳定运行9天以上，并能够有效促进伤口愈合。
图5 WTSA体内验证实验，以及根据外部施加的压力对皮肤受损大鼠腿部运动的精确分析
综上所述，研究人员提出了一种利用集成在单个基底上的WTSA来替代永久性受损的触觉并促进严重受损皮肤再生的新方法，这一方法在生物医学和相关领域的基础和临床研究中具有良好的应用潜力。此外，通过将这种装置开发成多通道触觉传感和转换单元，还能够为大面积严重皮肤损伤提供基础治疗手段。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-44064-7
《触觉技术及市场-2022版》
《水凝胶技术及市场-2022版》
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《柔性/印刷电子技术及市场-2023版》
