外傷傷口的處理一直是傷患照護的棘手問題之一，大面積的皮膚損傷不只會造成惱人的疼痛，如果沒有獲得妥善處理還有傷口化膿惡化的可能。市面上目前常見的處理方式為在傷口上敷上紗布、棉花絨布和傷口敷料。這些處理手段的目的不外乎吸收滲出的組織液、隔絕外界髒污和保持傷口濕潤，但這些都僅僅只是依靠傷口本身緩慢而且被動的癒合過程。為了加速傷口的癒合，科學家們不遺餘力地改進現行傷口敷料，設計了比如能夠輸送促進細胞生長藥物的敷料 [1] 或是能夠監控患部溫度或酸鹼值等生理訊號並隨之反應的敷料 [2]。這些解決方案聚焦於增進傷口敷料在生物化學方面的功能性，這同時提高了其製程的複雜度進而大幅增加了此種傷口敷料的生產成本。由美國哈佛大學 Wyss Institute 的 D.J. Mooney 教授領軍的研究團隊，受到胚胎的傷口癒合機制啟發後，在本文中提出了主動性黏著敷料（active adhesive dressings, AADs），利用 Poly(N-isopropylacrylamide) 水凝膠（PNIPAm）溫度升高體積收縮的特性和殼聚醣對皮膚的黏著性，使得傷口敷料得以在接觸人體後因為體溫而收縮，同時黏附著患部一同收縮，並藉此加速傷口的癒合 [3]。
在雞胚胎傷口的癒合過程中，在傷口周圍前沿的肌動蛋白索（actin cables）會收縮、施力於傷口周圍使得傷口面積縮小。PNIPAm 水凝膠為一種常用的溫度響應性水凝膠，但其體積的膨脹與收縮並不限於對溫度響應，對於周遭溶液的酸鹼值及酒精含量都可以導致 PNIPAm 水凝膠體積改變，因此常被用於設計微流道晶片或微型機器人的制動器元件 [4]。在低溫時，水分子因為和水凝膠聚合物長鏈間有氫鍵結合而留在長鏈形成的網格之間，因此體積較大；當溫度升高至 32 ⁰C 時，水分子掙脫了和水凝膠長鏈間氫鍵的束縛，致使水凝膠體積收縮。善用這項特性，AAD 可以在接觸人體體溫時收縮，實現和胚胎傷口癒合雷同的機制。
圖片說明: 圖一：AAD 和機械性能和抗菌性能。(A) PNIPAm-Alginate 複合網絡水凝膠溫度響應機制；(B) 不同組成水凝膠網絡的應力-應變曲線。SN 表 PNIPAm 單一網絡 (single network) 、HN表 PNIPAm-Alginate 混合網絡 (hybrid network) 膠化於 4 ⁰C、HN-RT表混合網絡膠化於室溫，HN-Ag 表混合網絡並摻有奈米銀粒子；(C) 基體韌性比較；(D) 對皮膚黏著性比較，水凝膠在測試前均先用殼聚醣 (chitosan)進行過表面處理；(E) 奈米銀粒子有無對抗菌性的影響。
圖片來源: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aaw3963
徒有溫度響應的收縮機制並不能保證 AAD 促進傷口癒合的能力。Mooney 教授的研究團隊同時為了增強 AAD 的伸縮性、對患部皮膚的黏著性以及其抗菌能力作了一系列的改進並透過實驗和現行傷口敷料進行了比較（見圖一），結果顯示在低溫 4 ⁰C 膠化的 PNIPAm-Alignate 複合網絡水凝膠可以獲得最佳的機械強度，透過殼聚醣的表面處理可以活化水凝膠表面使其能夠皮膚表面蛋白質產生鍵結從而增強其與患部皮膚的黏著力，而奈米銀粒子的添加則可以替敷料帶來良好的抗菌效果。另外，為了使傷口收縮的程度可以調整，研究團隊在 NIPAm 單體中混入少量丙烯醯胺單體（acrylamide, AAm）使其共聚，如此一來，研究人員便可以透過調整丙烯醯胺的比例來獲得在相同溫度影響下有不同收縮量的傷口敷料（見圖二）。
圖片說明: 圖二：溫度影響下水凝膠的收縮受到丙烯醯胺比例影響的程度以及 AAD 和其他溫度響應水凝膠敷料 (tough adhesives, 簡稱 TAs) [5] 使傷口收縮能力的比較。
圖片來源: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aaw3963
在圖三中，研究團隊比較了 AAD 和其他近期提出的傷口敷料在達到傷口 50% 癒合所需要的時間。AAD 相較於其他傷口敷料加速了傷口癒合所需要的時間，然而值得一提的是，表中所提到的其他傷口敷料研究在生物體實驗時並未全部使用如同本研究所使用的夾板傷口模型（splint wound model）。
圖片說明: 圖三：AAD和其他傷口敷料使傷口復原50%所需要花費的時間比較。
圖片來源: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aaw3963
新型智能材料能對不同物理量產生反應的特性使其在近期大量被投入生醫工程應用的研究中，其中水凝膠更因為其生物相容性獲得了許多研究者的青睞。本研究運用了 PNIPAm 水凝膠的溫度響應性設計出了一款能夠受體溫影響主動對傷口施加外力並使其面積收縮的傷口敷料。與其他現存的解決方案相比，成功地加速了傷口的癒合。此項研究成果有望在未來用於改善外傷敷料甚至設計柔性手術用機器人（soft surgical robots） 中。
參考文獻：
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[3] Blacklow, S. O., Li, J., Freedman, B. R., Zeidi, M., Chen, C., & Mooney, D. J. (2019). Bioinspired mechanically active adhesive dressings to accelerate wound closure. Science advances, 5(7), eaaw3963. DOI: 10.1126/sciadv.aaw3963
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[5] Li, J., Celiz, A. D., Yang, J., Yang, Q., Wamala, I., Whyte, W., … & Mooney, D. J. (2017). Tough adhesives for diverse wet surfaces. Science, 357(6349), 378-381. DOI: 10.1126/science.aah6362
撰文｜林鈺翔
審稿｜梁文
