脱发者的福音——可穿戴的全向脉冲发生器自我激活的电刺激实现头发再生

科技工作者之家 2019-09-30

来源:CBG资讯

原标题:ACS Nano:脱发者的福音——可穿戴的全向脉冲发生器自我激活的电刺激实现头发再生

脱发症通常是由于生长因子缺乏或毛发周期障碍导致的,属于一种皮肤病。在美国,2015年约有3500万男性和2100万女性遭受脱发困扰。目前,脱发的主要治疗方法包括局部治疗、口服药物和植发以恢复健康的头发生长周期。

由于无创性和高吸收性,局部治疗是患者最常见的选择。米诺地尔和非那雄胺口服液是FDA批准的两种药物,广泛用于预防和治疗脱发。但是,由于米诺地尔和非那雄胺只能减少脱发,而不能显着增加毛囊的数量,因此需要患者持续使用药物以产生持久效果。

此外,这两种药可能会引起严重的副作用,例如性功能障碍、过度肥大和胎儿缺陷。作为服用药物的替代方法,植发可以帮助患者长出新头发,但是需要进行几轮手术,投入大量成本和时间,并且会给人带来不适感。

因此,迫切需要开发一种非侵入性、非药物学、成本有效且方便的方法来治疗脱发。当前,科研人员已经开发了几种有希望的非药物疗法,例如热、激光和电刺激,并且正逐渐进入临床研究阶段。其中,电刺激可诱导非侵入性生物学效应,称为电致增生(ETG)。尽管最佳ETG参数尚未得到临床证实,但通常使用0.1-10 V cm和频率<15 Hz范围内的交变电场,这对组织的损害可忽略不计。ETG可以通过电压门控跨膜离子通道增强钙离子向真皮乳头细胞的流入,促进线粒体中ATP的合成,激活蛋白激酶,并刺激蛋白的合成和细胞分裂。ETG作用能够调节多种头发生长因子的分泌,促进毛囊增殖,延长生长期,并最终促进头发再生。尽管最先进的体外处理设备已使其尺寸最小化以适应可穿戴设备,但由于电池容量和输出电流的限制,整个系统仍然庞大且不便于日常使用。

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 图1 可穿戴的电刺激设备构造示意图

(来源:ACS Nano)

美国威斯康星大学麦迪逊分校王旭东教授团队和蔡伟波教授团队合作设计了一种通用的可运动激活且可穿戴的电刺激设备(m-ESD),该设备可通过随机的身体运动有效地促进头发再生。

作者从Sprague-Dawley(SD)大鼠和裸鼠上获得了显着促进的毛发再生结果。当使用m-ESD时,作者在SD大鼠上观察到更高的毛囊密度和更长的毛干长度。

研究表明,m-ESD可以促进毛囊增殖并改善血管内皮生长因子(VEGF)和角质形成细胞生长因子(KGF)的分泌,从而减轻毛发角蛋白病,增加毛囊数量并促进遗传缺陷裸鼠的毛发再生。尽管在此研究中使用了大鼠和裸鼠模型,但是在这种电刺激下该研究成为评估人类毛囊产生效果的有价值的一步。

相关成果以“Self-Activated Electrical Stimulation for Effective HairRegeneration via a Wearable Omnidirectional Pulse Generator”为题发表在国际化学权威杂志ACS Nano上(DOI: 10.1021/acsnano.9b03912)。

作者构建的m-ESD主要由两个模块组成:用作电脉冲发生器的全向摩擦电发生器(OTG)和提供空间分布电场的一对叉指式修整电极。OTG通过柔软的Ecoflex带连接,而Ecoflex带可以在约900%的应变极限内任意拉伸、弯曲和扭曲。作者将纳米结构的聚四氟乙烯膜上的一对同心金电极阵列设计为电荷转移电极(CTE),以收集运动过程中产生的静电荷;并将CTE和指状电极安装在聚对苯二甲酸乙二醇酯基底上。作者还在正方形聚对苯二甲酸(PET)上制造了同心铜环电极阵列,该正方形PET作为底部摩擦电层用于产生摩擦电荷(CGE),整个OTG被聚酰亚胺薄膜包裹。

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图2 可穿戴的电刺激设备刺激头发生长情况示意图

(来源:ACS Nano)

作者将m-ESD应用于大鼠进行毛发再生研究。m-ESD附着在大鼠的背面, CGE层固定在大鼠的头部,CTE层固定在颈部和背部。基于此设计,头部和颈部的所有随机运动都可以生成振幅相似的电脉冲。这些电脉冲被传输到固定的敷料垫,并向暴露的皮肤提供交替的电场,以刺激头发再生。老鼠动作产生的电压VPP为320 mV,类似于计算机控制的摇床感应产生的电压。m-ESD的长期稳定性已通过商用振荡器测试。连续运行28天后,所有设备均显示出良好的结构完整性,而没有任何可观察到的缺陷。几乎不变的电压幅度证实了m-ESD出色的稳定性和耐用性。这种高度灵活且可伸展的装置对大鼠的正常日常行为产生了最小的影响。

此外,与电刺激和米诺地尔方法用于临床头发再生相比,m-ESD表现出更快、更有效的头发增生,且治疗时间更短。作者通过分析证实,m-ESD产生的自生电脉冲可以显着促进SD大鼠的毛发再生和毛囊增殖。在确认了对SD大鼠毛发再生的积极作用后,作者进一步研究了m-ESD产生的电脉冲如何影响具有21天毛发周期的遗传缺陷裸鼠的毛发再生。与米诺地尔、维生素D3和生理盐水处理相比,作者在21天的生长期中研究了m-ESD刺激的头发再生行为。对于裸鼠模型,脱发是由于毛发生长进入了触媒期和端粒期。触媒后,毛囊处于触媒期休眠,毛囊干细胞在触媒-生长期过渡时被激活,从而开始新一轮的毛发生长。这种现象表明电刺激仅促进头发生长,而对自然头发生长周期的影响却很小。与其他对照区组相比,m-ESD产生的头发明显更长,密度更高,出现时间更长。

小结:美国威斯康星大学麦迪逊分校Xudong Wang教授团队和蔡伟波教授团队合作开发了一种通用的可运动激活且可穿戴的电刺激设备(m-ESD),该设备可通过随机的身体运动有效地促进头发再生。在剃毛的SD大鼠上,m-ESD能够促进毛发从休止期转变为生长期,从而加快毛发生长并促进毛囊增殖。与其他传统的药物疗法相比(米诺地尔和维生素D3),m-ESD区域的毛发生长率为每天0.73mm,米诺地尔为每天0.41 mm,维生素D3为每天0.33 mm,m-ESD刺激产生的毛囊密度是米诺地尔和维生素D3治疗区域的141%。m-ESD刺激可以通过影响毛发生长因子(VEGF和KGF)的旁分泌机制克服遗传性角蛋白紊乱并在裸鼠上实现有效的毛发再生。在非药物自供电的可穿戴电子设备的背景下,作者的开发提供了有效的头发再生策略。期望它能够迅速发展成为一种实用且简便的解决方案,以解决全世界数十亿人遭受的脱发问题。

来源:BeanGoNews CBG资讯

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