受雪花启发和眨眼驱动的柔性压电隐形眼镜，可有效修复角膜损伤

研究背景

眼睛是人类与外界互动的天然开放窗口，而角膜是抵御外界入侵的第一道屏障。眼球表面的位置使角膜很容易受到感染和损伤，角膜损伤是一种常见的眼科疾病 。轻度的角膜损伤可以完全自我修复。相反，中度或重度角膜损伤将造成不可逆的损害，其中角膜碱烧伤是造成视力障碍和失明的主要原因(7.0-9.9%)。角膜损伤的治疗目的不仅是物理上的伤口封闭，更重要的是组织的有序排列，清晰度的恢复，以及视力功能的恢复。角膜损伤的主要临床治疗方式包括药物治疗、角膜移植和干细胞治疗。虽然一些药物治疗可以减少基质炎症，以达到较高的角膜清晰度，但促进组织有序排列和避免副作用是具有挑战性的。角膜移植是治疗难治性或严重缺陷性角膜疾病的有效方法。然而，尽管成功率很高，但对供体角膜的需求不断增加，以及严重免疫反应的移植排斥是开发该手术替代品的主要原因。细胞疗法可以避免排斥反应，并能很好地促进角膜修复，但它仍处于临床前阶段，并延长了治疗周期。因此，如何方便、有序、高效地修复角膜损伤是临床医学面临的一个挑战。

内源性电场 (EF)是角膜损伤后自发形成的 EF，能促进角膜结构有序排列和视觉功能恢复。然而，仅靠内源性电场修复不可逆的角膜损伤的能力是不够的，不及时干预会造成角膜缘干细胞缺失 (LSCD)，并伴有角膜结膜和血管化。事实证明，通过应用外部 EF 来增强内源性 EF，可以加速角膜的有序修复。然而，设备的局限性和实施的复杂性阻碍了其广泛应用。此外，在角膜损伤的修复过程中，考虑到人类每天自然眨眼约 10000次，眨眼时眼睑和角膜之间的摩擦(压力~4 kPa)将导致二次损伤。另外，长期闭眼治疗会引起缺氧和水肿等问题，导致病情进一步恶化。绷带接触镜作为一种临床物理治疗方法，已被广泛用于避免角膜缺损后眼睑摩擦造成的二次损伤如激光损伤和碱烧伤。然而，其薄弱的修复能力无法加速固有的修复过程，也无法缓解基质炎症反应。最近，由各种能量供应方式(电池、电容、无线传输等)驱动的精密隐形眼镜为眼睛健康管理提供了一个先进的平台，它在眼睛疾病的诊断和治疗方面表现出巨大的潜力。然而，诸如化学品泄漏、发热和无线电磁串扰等问题需要进行严格的调查、评估和规避。因此，找到一个安全和足够的电源来驱动角膜修复的隐形眼镜是解决这个问题的关键。最近的研究表明，自供电的生物电子学可以直接建立起电信号和生物力学运动之间的转换桥梁，从而提供个有前途的自响应的诊断和治疗平台。

研究成果

角膜是一个容易受到各种伤害和创伤的组织，有一个复杂的级联修复过程，其中保持其完整性和清晰度是恢复视觉功能的关键。加强内源性电场被认为是加速角膜损伤修复的有效方法。然而，目前的设备限制和实施的复杂性阻碍了它的广泛采用。在此，电子科技大学Guang Yao & Ke Chen & Yuan Lin教授等人提出了一种受雪花启发的、眨眼驱动的柔性压电接触镜，可以将机械眨眼运动转化为单向脉冲电场，直接应用于中度角膜损伤修复。该装置在不同相对角膜碱烧伤比例的小鼠和兔子模型上得到验证，以调节微环境，缓解基质纤维化，促进上皮细胞有序排列和分化，恢复角膜的清晰度在8天的于预中，小鼠和兔子的角膜清晰度提高了 50%以上，小鼠和兔子角膜的修复率提高了52%以上。从机理上讲，该设备干预的优势在于阻断了专门参与基质纤维化的生长因子的信号通路，同时保留并利用了不可或缺的上皮代谢所需的信号通路。这项工作提出了一种高效、有序的角膜治疗技术，利用身体自发活动产生的人工内源性强化信号。相关研究以“Snowflake-inspired and blink-driven flexible piezoelectric contact lenses for effective corneal injury repair”为题发表在Nature Communications期刊上。

研究亮点

1. 提出了一种受雪花启发的眨眼驱动压电接触镜 (BPCL)，它可以避免眼睑摩擦带来的二次角膜损伤，并将日常眨眼运动转化为脉冲式 EF，以加强内源性 EF。

2. 这项工作在一个自我反应、无电池的范式中提供了一个有序、高效的角膜损伤修复策略，将日常身体活动与组织修复直接联系起来。

图文导读

Fig. 1 | Design and characterization of the BPCL.

Fig. 2 | Structural optimization， working principle， and performance of the BPCL.

Fig. 3 | Mice corneal alkali burn repair during the BPCL intervention.

Fig. 4 | Rabbit corneal alkali burn repair during the BPCL intervention.

Fig. 5 | Biological intervention mechanism of the BPCL.

总结与展望

在这里，作者提出了一种受雪花启发的 BPCL，由分形压电驻极体薄膜和蛇形 EF 生成电路组成。结构设计和性能优化可以提供理想的机械顺应性，并将微小的日常眨眼运动 (压力~4kPa)转化为足够的单向 EF (>120 mV/mm)，以加速角膜碱烧伤的修复。在小鼠和兔子模型上实现了治疗性验证。考虑到生长因子 (TGF-B、a-SMA和MMP9)的双重作用，BPCL干预在阻断专门参与肌成纤维细胞转分化的下游信号通路方面具有优势，同时保留和利用了平衡和正常代谢所需的信号通路。作为一种干预结果，小鼠的角膜清晰度、修复率和上皮厚度分别提高了53%、159%和 36%以上。兔子的角膜清晰度和修复率分别提高了 50%和 52%以上。这种突出的角膜治疗效果超过了其他基于类似角膜碱烧伤模型的非药物治疗方法的报道。总的来说，BPCL 可以缓解炎症性纤维化，减轻角膜混浊，促进有序的修复效果，提高患者的依从性。更广泛地说，这项工作通过将内源性微环境调控与有序的损伤修复联系起来提出了有效的角膜治疗方法的设计标准。

文献链接

Snowflake-inspired and blink-driven flexible piezoelectric contact lenses for effective corneal injury repair

https://doi.org/10.1038/s41467-023-39315-6

转自：“i学术i科研”微信公众号

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