一种基于压电效应的创伤敷料及其制备方法

本发明涉及压电材料应用领域，特别涉及一种基于压电效应的创伤敷料及其制备方法。

背景技术：

日常生活行动中，人类不可避免会因为意外伤害或外科手术在体表留下伤口。

伤口愈合被认为是一个复杂的生物过程，与细胞增殖，分化和伤口周围的迁移有关。它可以分为三个经典阶段：炎症，新组织形成和重塑。这三个阶段没有明显的边界，并且彼此重叠。许多的因素可以中断伤口愈合过程，包括慢性疾病、血管功能不全、糖尿病、营养不良、感染、持续炎症、高龄、机械压力和神经病变等。这也就使得慢性创伤出现的机率较高，伴随而来的经济和社会成本也较高。

使用创伤敷料可以加速伤口愈合的过程，在传统的伤口治疗中，绷带和纱布被广泛用作外部保护性屏障，但是它们仅仅是起到对伤口的消炎作用，不能有效地促进伤口愈合。尤其是对于糖尿病患者，血糖长期控制不良，组织液内含糖量高，存在小动脉、小静脉、甚至毛细血管病变等问题，伤口的愈合速度远比不上常人。也因此，愈合过程中的致命性感染很可能导致患者危在旦夕。为此，科研工作者在加速慢性伤口愈合方面开展了大量工作，例如清创术，物理疗法和功能性敷料。然而，这些疗法多是被动地参与愈合过程，鲜少有参与控制相关细胞的行为。目前市面上的创伤敷料也只是集中在最大程度地减少感染并增加伤口部位的组织液，起到杀菌消炎、降低感染的作用，从而加快伤口被动愈合的过程，并没有去主动刺激相关细胞从根本意义上促进伤口愈合。因此，需要一种能够促进皮肤细胞再生活性并积极参与皮肤再生的新治疗方法。

十八世纪，galvani发现受损青蛙的坐骨神经能够刺激另一侧大腿肌肉收缩，提出了动物电。其后，科研工作者发现在人类皮肤中也存在类似的现象，即在伤口处，由于跨上皮电位(tep)的破坏，创面的离子浓度发生差异，从而产生了内源性电场。该电场会一直存在并保持直到皮肤再生过程完成为止。在创面愈合过程中，一方面，该电场存在抗菌的效果，能够促进免疫反应细胞的运动，如中性粒细胞、淋巴细胞、巨噬细胞以及单核细胞等。另一反面，内源性电场通过调节皮肤细胞行为并促进其再生活性而积极参与皮肤伤口的愈合，主要有刺激成纤维细胞增殖、分裂，提高转化生长因子β的受体水平，促进胶原蛋白和合成蛋白的生成，以及成肌纤维细胞的分化，角质形成细胞的迁移，血管的生成。文献“electricalsignalscontrolwoundhealingthroughphosphatidylinositol-3-ohkinase-γandpten”，minzhao，etal，nature，volume442，issue7101,2006中进一步通过控制与伤口愈合相关基因的手段验证了内源性电场对伤口愈合的重要性。

基于伤口处内源性电场的发现，医疗工作者提出使用电刺激设备对伤口进行治疗。电刺激疗法通过在伤口部位施加外部电场来模仿和增强伤口内源性电场的效果，从而加速与修复消炎相关的细胞向伤口中心定向迁移、增殖和分化，加快创面的愈合速度。然而，它的使用在临床操作中受到严重限制。早期，医疗工作者尝试将患者束缚在大型电力设备上，但操作复杂，电刺激时长十分有限，患者体验感不佳。同时，早期多使用直流电刺激。直流电刺激对伤口存在很大的副作用，长时间使用直流刺激，会在伤口处诱发电化学反应，改变伤口处的ph值，影响伤口愈合速度。为此，有关学者提出生物酶电池敷料，利用化学反应产生的自由电荷去刺激伤口处细胞增殖，解决了电刺激设备笨重、难以携带的问题。但是生物酶电池最多提供12小时的电刺激，患者需要不断更换敷料来延长电刺激的时间，导致伤口发炎感染的风险增加。因此，迫切需要发明一种可穿戴的自供电的柔性创伤敷料，实现在伤口部位实时产生非直流式电刺激，促进皮肤伤口愈合。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于压电效应的创伤敷料及其制备方法。本发明利用叉指电极对压电材料进行极化处理，所制备的创伤敷料可以无负担的贴覆在患者伤口表面，通过人体自然活动，实现充电，在伤口愈合的整个过程中无需拆卸充电；本发明制备的创伤敷料既能有效杀死有害细菌，避免感染，又促进了成纤维细胞的增殖分化，加速伤口愈合。

本发明的技术方案如下：

一种基于压电效应的创伤敷料，包括封装材料、电极、压电材料、衬底和粘结剂。

所述封装材料为封装原料经过旋涂、烘干得到，厚度为1～2μm；所述封装原料为pdms、pmma中的一种或多种；所述电极为叉指电极。

所述压电材料为无机压电材料、有机压电材料中的一种或多种。

所述无机压电材料为batio3、gan、znsno3、zno、锆钛酸铅、铌镁酸铅中的一种或多种；所述有机压电材料为聚偏二氟乙烯、聚偏氟乙烯中的一种或多种。

所述衬底为柔性衬底；所述衬底为云母片，购自泰元氟金云母有限公司，单片厚度为10～20μm。

所述粘结剂为医用胶带、水凝胶中的一种或多种。

一种基于压电效应的创伤敷料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)使用溶胶凝胶法制备压电材料凝胶；

(2)将衬底置于匀胶机，打开匀胶机，取步骤(1)制备的压电材料凝胶旋涂于衬底的表面，将旋涂有压电材料凝胶的衬底进行热处理后，置于马弗炉高温退火，得到第一层压电材料；

(3)将步骤(2)制备的第一层压电材料置于匀胶机，打开匀胶机，重复步骤(2)的旋涂、热处理及高温退火工艺，直至材料的厚度为800～1200nm；

(4)将步骤(3)制备的材料未旋涂压电材料的一面固定于磁控镀膜系统的上靶盘，将电极掩膜固定于压电材料的表面，靶材固定于磁控镀膜系统的下靶盘，设置磁控镀膜系统的功率为35～45w，通入氩气，打开磁控镀膜系统，根据掩膜形状，在压电材料表面溅射形成电极，得到带有电极的创伤敷料；

(5)在步骤(4)所制备的带有电极的创伤敷料溅射有电极的表面旋涂封装原料后，烘干即得封装的创伤敷料；

(6)取步骤(5)所制备的封装的创伤敷料，去除电极两端指尖上的封装材料，用银浆在电极两端指尖上分别连接一根导线，即得未极化的创伤敷料；将两根导线的另一端分别与高压电源的正负极连接，打开高压电源对创伤敷料的压电材料进行高压极化，得到极化/未极化创伤敷料；

(7)剪去步骤(6)制备的极化/未极化创伤敷料上的两根导线，并在剪去导线的两端指尖上滴加封装材料至其所在表面平齐，烘干，得到完全封装的创伤敷料，将完全封装的创伤敷料上有衬底的一侧与粘结剂贴合，得到基于压电效应的创伤敷料。

进一步地，步骤(2)中，所述旋涂的条件为：以600～700r/min的速度旋涂5～10s，然后以3000～400r/min的速度旋涂30～40s；所述热处理是在烤胶机中进行，热处理温度为200～300℃，时间为10～20min；所述退火的温度为650～750℃，时间为10～20min。

进一步地，步骤(4)中，所述电极掩膜购自柯宝原科技有限公司，所述电极掩膜为叉指电极掩膜；所述靶材为铂、金、银中的一种或多种；所述固定为胶带固定；所述氩气的流速为30～35sccm；所述溅射时间为1～5min；溅射压力为0.5～1pa；所述电极的厚度为：80～100nm，电极指间距为100～200μm，指宽为100～200μm，有效指长为4～5mm，指的根数为20～24根。

进一步地，步骤(5)中，所述旋涂的条件为：以600～700r/min的速度旋涂5～10s，然后以3000～4000r/min的速度旋涂30～40s；所述烘干温度为100～120℃，烘干时间为3～6h；进一步地，步骤(6)中，所述高压电源的电压为0.5～5kv；所述极化时间为10～20min；进一步地，步骤(7)中，所述烘干温度为100～120℃，烘干时间为3～6h。

本发明有益的技术效果在于：

(1)本申请将含有压电材料的创伤敷料贴于伤口处，压电材料随人体运动，表面产生的电荷作用于皮肤伤口，产生电刺激，增强伤口内源性电场的效果，刺激成纤维细胞增殖、分裂，提高转化生长因子β的受体水平，促进胶原蛋白和合成蛋白的生成，以及成肌纤维细胞的分化，角质形成细胞的迁移，血管的生成，杀菌消炎，降低感染。

(2)本申请使用叉指电极与压电材料结合，叉指电极能够较好的将材料表面受到外力作用时产生的异种电荷收集输出至病患伤口处，此外，利用叉指电极对压电材料进行极化处理，使得压电材料内部电偶极子沿着同一方向排列，受到外力作用时，极化后的创伤敷料表面产生的异种电荷更多，使得自由基的产量更大，能更有效地作用于伤口处的有害细菌，使得细胞膜脂质过氧化，增强细胞膜的通透性，最终导致细胞内蛋白质的泄漏和对细菌的不可逆损害，降低伤口感染发炎的可能性，减少愈合时间。

(3)本申请所制备的创伤敷料可通过压电材料随人体运动产生脉冲式电流，通过自供电产生的脉冲电流实现实时电刺激，设备简单，无负担，贴敷与患者伤口表面，整个伤口愈合过程无需拆卸充电，可减少细菌滋生，降低感染率，缩短治疗时间，治疗效果优于普通敷料。

附图说明

图1为本申请创伤敷料结构示意图。

图中：1为封装材料；2为电极；3为压电材料；4为衬底；5为粘结剂。

图2为本申请创伤敷料治疗伤口的示意图。

图中：1为压电创伤敷料；2为表皮层；3为真皮层；4为伤口；5为内源性电场；6为电流。

图3为实施例1制备的创伤敷料生物毒性测试图。

图4为实施例1制备的创伤敷料压电性能测试图。

图5为实施例1制备的创伤敷料活性自由基测试。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。

以下是基于压电效应的创伤敷料制备的实施例，但所述实施例不构成对本发明的限制。

实施例1

一种基于压电效应的创伤敷料，其制备方法包括以下步骤：

(1)使用溶胶凝胶法制备得到锆钛酸铅(pzt)压电材料凝胶；

(2)打开匀胶机，将厚度为10μm云母片置于匀胶机，所述云母片购自泰元氟金云母有限公司，取步骤(1)制备的压电材料凝胶旋涂于云母片的表面，设置旋涂参数为600r/min7s，3000r/min30s。然后将旋涂有pzt压电材料凝胶的云母片置于烤胶机中热处理，热处理温度为300℃，热处理10min后，置于马弗炉中，在700℃下高温退火10min，得到第一层压电材料；

(3)将步骤(2)制备的第一层压电材料置于匀胶机，重复步骤(2)的旋涂、热处理及高温退火工艺，直至材料的厚度为800nm；

(4)将步骤(3)制备的材料未旋涂压电材料的一面固定于磁控镀膜系统的上靶盘，将电极掩膜固定于压电材料的表面所述电极掩膜为叉指电极掩膜，购自柯宝原科技有限公司，所述靶材为铂；靶材用胶带固定于磁控镀膜系统的下靶盘，设置磁控镀膜系统的功率为35w，氩气的流速为30sccm；溅射时间为2min；溅射压力为1pa；溅射后得到的电极的厚度为80nm，电极指间距为200μm，指宽为100μm，有效指长为4.6mm，指的根数为24根。

(5)在步骤(4)所制备的带有电极的创伤敷料置于匀胶机上，使用pdms在旋涂参数为600r/min7s，3000r/min30s时，对材料进行封装，在烘箱中100℃烘干6h，所得封装材料的厚度为1μm。

(6)取步骤(5)所制备的封装的创伤敷料，去除叉指电极两端指尖上的封装材料，用银浆在电极两端指尖上分别连接一根导线，即得未极化的创伤敷料；将两根导线的另一端跟高压电源的正负极连接，施加800v的高压对创伤敷料的压电材料极化10min，得到极化/未极化创伤敷料；

(7)剪去步骤(6)制备的极化/未极化创伤敷料上的两根导线，并在剪去导线的两端指尖上滴加封装材料至其所在表面平齐，在烘箱中100℃烘干6h，得到完全封装的创伤敷料，将完全封装的创伤敷料上有云母片的一侧与医药胶带贴合，得到基于压电效应的创伤敷料。

实施例2

一种基于压电效应的创伤敷料，其制备方法包括以下步骤：

(1)使用溶胶凝胶法制备得到钛酸钡(batio3)压电材料凝胶；

(2)打开匀胶机，将厚度为15μm云母片置于匀胶机，所述云母片购自泰元氟金云母有限公司，取步骤(1)制备的压电材料凝胶旋涂于云母片的表面，设置旋涂参数为700r/min10s，4000r/min40s。然后将旋涂有batio3压电材料凝胶的云母片置于烤胶机中热处理，热处理温度为200℃，热处理20min后，置于马弗炉中，在750℃下高温退火20min，得到第一层压电材料；

(3)将步骤(2)制备的第一层压电材料置于匀胶机，重复步骤(2)的旋涂、热处理及高温退火工艺，直至材料的厚度为1000nm；

(4)将步骤(3)制备的材料未旋涂压电材料的一面固定于磁控镀膜系统的上靶盘，将电极掩膜固定于压电材料的表面，所述电极掩膜为叉指电极掩膜，购自柯宝原科技有限公司，所述靶材为金；靶材用胶带固定于磁控镀膜系统的下靶盘，设置磁控镀膜系统的功率为45w，氩气的流速为35sccm；溅射时间为5min；溅射压力为0.5pa；溅射后得到的电极的厚度为100nm，电极指间距为150μm，指宽为200μm，有效指长为4mm，指的根数为20根。

(5)在步骤(4)所制备的带有电极的创伤敷料置于匀胶机上，使用pmma在旋涂参数为700r/min10s，4000r/min40s对材料进行封装，在烘箱中110℃烘干4h，所得封装材料的厚度为2μm。

(6)取步骤(5)所制备的封装的创伤敷料，去除叉指电极两端指尖上的封装材料，用银浆在电极两端指尖上分别连接一根导线，即得未极化的创伤敷料；将两根导线的另一端跟高压电源的正负极连接，施加0.5kv的高压对创伤敷料的压电材料极化20min，得到极化/未极化创伤敷料；

(7)剪去步骤(6)制备的极化/未极化创伤敷料上的两根导线，并在剪去导线的两端指尖上滴加封装材料至其所在表面平齐，在烘箱中110℃烘干4h，得到完全封装的创伤敷料，将完全封装的创伤敷料上有云母片的一侧与水凝胶贴合，得到基于压电效应的创伤敷料。

实施例3

一种基于压电效应的创伤敷料，其制备方法包括以下步骤：

(1)使用溶胶凝胶法制备得到聚偏氟乙烯(pvdf)压电材料凝胶；

(2)打开匀胶机，将厚度为20μm云母片置于匀胶机，所述云母片购自泰元氟金云母有限公司，取步骤(1)制备的压电材料凝胶旋涂于云母片的表面，设置旋涂参数为650r/min5s，3500r/min35s。然后将旋涂有pvdf压电材料凝胶的云母片置于烤胶机中热处理，热处理温度为250℃，热处理15min后，置于马弗炉中，在650℃下高温退火15min，得到第一层压电材料；

(3)将步骤(2)制备的第一层压电材料置于匀胶机，重复步骤(2)的旋涂、热处理及高温退火工艺，直至材料的厚度为1200nm；

(4)将步骤(3)制备的材料未旋涂压电材料的一面固定于磁控镀膜系统的上靶盘，将电极掩膜固定于压电材料的表面，所述电极掩膜为叉指电极掩膜，购自柯宝原科技有限公司，所述靶材为银；靶材用胶带固定于磁控镀膜系统的下靶盘，设置磁控镀膜系统的功率为40w，氩气的流速为33sccm；溅射时间为1min；溅射压力为0.7pa；溅射后得到的电极的厚度为90nm，电极指间距为100μm，指宽为150μm，有效指长为5mm，指的根数为22根。

(5)在步骤(4)所制备的带有电极的创伤敷料置于匀胶机上，使用pdms在旋涂参数为650r/min5s，3500r/min35s对材料进行封装，在烘箱中120℃烘干3h，所得封装材料的厚度为1.5μm。

(6)取步骤(5)所制备的封装的创伤敷料，去除叉指电极两端指尖上的封装材料，用银浆在电极两端指尖上分别连接一根导线，即得未极化的创伤敷料；将两根导线的另一端跟高压电源的正负极连接，施加5kv的高压对创伤敷料的压电材料极化15min，得到极化/未极化创伤敷料；

(7)剪去步骤(6)制备的极化/未极化创伤敷料上的两根导线，并在剪去导线的两端指尖上滴加封装材料至其所在表面平齐，在烘箱中120℃烘干3h，得到完全封装的创伤敷料，将完全封装的创伤敷料上有云母片的一侧与医药胶带贴合，得到基于压电效应的创伤敷料。

测试例：

对本申请实施例1所制备的基于压电效应的创伤敷料进行杀菌性能测试：

将本申请实施例1所制备的基于压电效应的创伤敷料在高压下极化，通过叉指电极两端指尖分别引上导线与高压设备连通，在800v高压下极化10min，使得压电材料内部的电偶极子沿着同一方向排列，增强压电性能。利用超声机模拟震动环境，将制备的敷料放在去离子水中超声，超声3min后用毛细管取一次样，置于epr(电子顺磁共振波谱仪)上进行测试，超声5min后再取样进行测试，如图5所示，本申请实施例1所制备的基于压电效应的创伤敷料产生了大量的活性自由基，并且随着震动时间的延长，活性自由基的产量逐渐增多，这表明在伤口愈合的过程创伤敷料能通过产生活性自由基，高效快速清除伤口处的细菌，避免感染，并且极化后的样品性能更优。

将实施例1制备的基于压电效应的创伤敷料置于含有革兰氏阴性、阳性菌的培养皿中，超声震动2h后，观察到大量细菌死亡，与epr测试结果一致，均显示出本申请制备的基于压电效应的创伤敷料具有较好的杀菌性能。

对本申请实施例1所制备的基于压电效应的创伤敷料进行伤口愈合作用测试：

将本申请实施例1所制备的基于压电效应的创伤敷料置于含有nih-3t3细胞的培养皿中，对照组的培养皿中仅含有nih-3t3细胞不含创伤敷料，将两个培养皿分别超声一小时后置于37℃保温箱中培养24h后，在显微镜下观察含创伤敷料的实验组和不含创伤敷料的对照组的成纤维细胞的迁移、增殖和分化情况。实验显示，含创伤敷料的实验组的成纤维细胞发生了迁移、增殖和分化，这表明pzt可以通过诱导细胞的行为促进伤口愈合。

对本申请实施例1所制备的基于压电效应的创伤敷料进行生物毒性测试及压电性能测试：

生物毒性测试：将本申请实施例1所制备的基于压电效应的创伤敷料、本申请实施例1所用云母片分别置于加有成纤维细胞的培养皿中，与仅有成纤维细胞的对照组一起培养3天，每天通过共聚焦显微镜观察细胞的活性。如图3所示，无论是在云母片还是本申请所制备的基于压电效应的创伤敷料上培养，细胞都有很好的活性，这表明本申请所制备的基于压电效应的创伤敷料无生物毒性。

压电性能测试：将所制备的基于压电效应的创伤敷料固定在激振台上，通过设置不同的曲率半径，测试本申请实施例1所制备的基于压电效应的创伤敷料在不同弯曲程度下的开路电压和短路电流。如图4所示，在曲率半径为2cm的弯曲条件下，开路电压可达100v，短路电流可达0.3μa。这表明本申请所制备的基于压电效应的创伤敷料有较好的压电性能。

本发明提出的一种基于压电效应的创伤敷料，推动了柔性可穿戴式的自供电的医疗设备的发展，为慢性创伤患者提供了更人性化的治疗方式，实时的电刺激更是促进了患者伤口的愈合速度，降低了感染风险。

上述实施例的描述应该被视为说明，易于理解的是，可在不脱离如在权利要求书中阐述的本发明的情况下使用上文阐述的特征的许多变化和组合，这类变化并不被视为脱离了本发明的精神和范围，且所有这类变化都包括在以上权利要求书的范围内。