华人科学家发明生发帽:自发电治脱发,临近商业化

电刺激可以生发是已经被证实了的,而这顶帽子的神奇之处在于嵌入了能够利用机械能发电的纳米贴片每天佩戴即可生发

威斯康星大学麦迪逊分校王旭东(Xudong Wang)团队开发了这款毛发生长刺激装置该装置可以通过日常的身体动作来发电,并且该装置微型化,可以被植入棒球帽

9 月 10 日,这项让“沙漠变绿洲”的研究发表在著名期刊《ACS 纳米》(ACS Nano)上。

图 | 这顶帽子嵌入了能够通过机械能发电的纳米贴片。(来源:Alex Holloway, University of Wisconsin–Madison)

大鼠 9 天长出 2 毫米毛发

事实上,脱发患者有其他选择。米诺地尔(minoxidil)和非那雄胺(finasteride)就是美国 FDA 批准的外用涂液或吞服药片,当然还有植发手术。只是米诺地尔并非对所有人都有效,非那雄胺会减弱人的性欲,植发手术则让人痛苦且费用高昂。

一种非侵入性、非药物的、便捷的治疗手段是人们期望的。温和的低频电脉冲刺激皮肤可以让休眠的毛囊激活,这是一种非侵入性的生物效应,可以通过增强钙离子进入跨膜离子通道向毛囊真皮乳头细胞流动,促进线粒体中 ATP 合成,激活蛋白激酶,刺激蛋白合成和细胞分裂。

此前的电刺激生发装置受到技术和电池限制,脱发患者需要每天花费数小时与笨重的电刺激设备相伴。王旭东要解决佩戴便捷的困境。

王旭东团队开发的这个无线电刺激贴片正是利用轻微的电刺激增强真皮细胞中的毛发生长因子。这款设备由两个模块组成,其一是有 2 个摩擦层的发电机,其二是提供交流电场的电极。

图 | 电刺激贴片的构成示意图。(来源:Xudong Wang, University of Wisconsin–Madison)

图 | 电刺激贴片的使用示意图。(来源:Xudong Wang, University of Wisconsin–Madison)

图 | 粉色框是电刺激贴片处理12天后的大鼠皮肤,其他框是对照。(来源:Xudong Wang, University of Wisconsin–Madison)

他们采用了一款纳米发电机,可以从佩戴者日常运动中收集能量来发电。这款贴片仅 1 毫米厚,由多层不同负荷的聚合物材料组成。研究人员将贴片附着在大鼠背部,其背部的弯曲和舒展带动贴片摩擦发电。大鼠试验结果显示,微弱电刺激的生发效果比米诺地尔还要好。在 9 天时间里,大鼠背部长出 2 毫米毛发,而同期的米诺地尔试验大鼠只长出 1 毫米毛发

究其机理,显微镜观察大鼠皮肤发现,贴片似乎能够释放促进毛发生长的角质化细胞生长因子和血管内皮生长因子而起作用。

这是一款自主激活的装置,简单易用,且由于电脉冲温和,所以副作用微弱。

王旭东让自己的父亲成为第一个吃螃蟹的人。他把这个贴片植入到了一顶棒球帽中,那么贴片的摩擦材料在人的头皮运动中会生电。使用 1 个月后,已经秃头数年的王旭东父亲长出了不少新发。

这个装置只能让休眠的毛囊激活,而不会使光秃秃的头顶重新生发。王旭东说,这个帽子只适合刚刚秃顶或头发稀疏的人群,如果是已经秃顶多年,则不适用。

王旭东正在寻求这个产品原型在临床进行测试。

专访王旭东:让父亲先行先试

DeepTech:你们为何会选择这个研究方向?

王旭东:十几年来我一直在做人体机械能向电能的转换这方面的工作,就是把人体的运动转换成为电能,然后把它作为电源来带动可植入身体的医疗器械。数年前我们认识到,人体很多机能可以由弱电来控制,比如说细胞的繁殖或者神经刺激。

我们就想,既然能够通过人体来产生这些电能,我们能不能用它来给人体这些生理过程提供一个额外的帮助?

那么人体的运动和身体机能的调控就形成了一个完整的循环,所以我们做了一系列的工作。比如说我们做了一个可植入胃部的器械,可以通过胃的运动来刺激迷走神经来提供饱腹感,从而控制进食来达到减肥的效果。还有一个工作就是通过人体皮肤小的震动或移动来产生一个电刺激,从而帮助皮肤伤口的恢复,那么伤口恢复的时间可以从 2 个星期缩短到 3 天。

头发也是皮肤的一部分,这是我们最近的一个工作。因为我们都知道电刺激对于毛囊细胞吸收养分有帮助,然后我们就做了这个实验以后,发现效果很不错。

DeepTech:你们为何选择摩擦发电呢?

王旭东:我想说的是,其实并不一定非得要摩擦发电,它只不过是我们的一个选项,也可以用别的方式,比如压电、电磁等方式来将机械能转化为电信号,关键是我们怎么把电势控制好,把它用起来。

DeepTech:这项工作的基础包括能够收集电能的纳米发电机,这是你们之前的工作基础吗?

王旭东:我们一直在做发电机这方面的工作。发电机本身尺寸是比较小的,关键是我们怎么用一个合理的设计,把人体的比如很随便的摆动变成一个有规律的、连续的电压信号,然后把这个信号运用到头发刺激上面。因为我们的头部运动很不规则,这就需要转变成一个有规则的电压。

DeepTech:试验中大鼠头颈运动幅度比较大,频率也比较高,而人的头颈运动强度和频率远远比不上大鼠,这会不会影响发电效率?

王旭东:如果用到人就需要不同的设计,就需要重新设计发电机,要用一种新的设计来把人的头部运动转变成为连续的电信号来刺激皮肤。我们现在已经有这方面的专利了。

DeepTech:大鼠 9 天长出 2 毫米的毛发,那人的电刺激毛发生长速度是不是要慢一些?

王旭东:我们现在还没有这个实验数据。电信号能够帮助毛囊细胞更多地从外界吸收营养,促进生长因子分泌,所以头发毛发确实会长得快一些,然后毛囊细胞也会变得更多一些。

DeepTech:你的父亲对这顶帽子的使用体验是怎样的,有什么直观的感受?

王旭东:他感觉不到任何不同,因为这个电场非常小,所以人体根本感受不到什么,就像戴正常的帽子一样,所以这也是我们这个设备的优势之一。

我父亲 70 多岁了,他头顶已经三四年没有头发了,佩戴帽子 1 个月,头顶中间就长出来一层新发,还比较密,大概两三厘米。

另外,他从来没有用过其他生发治疗手段。

DeepTech:现在发表的这个研究相当于一个产品的原型,如果要转化成商业化产品,这个原型还需要做哪些改进?

王旭东:要成为一个能上市的产品,我觉得还是比较快的,其实它是非常接近实际产品的。我们现在已经做了一顶帽子,就可以直接佩戴,并且确实有用。

我们下一步准备申请上人体试验,如果有一定效果,待申请批准以后,只需要找到合适的厂家,我们就可以把这个帽子直接进入市场。其实没有很大的进入市场的障碍。

因为能量收集的系统和电子系统都很成熟了,基本上可以直接应用,我们需要进行能量产的设计即可。

DeepTech:FDA(美国食品药品监督管理局)会对这类产品有监管要求吗?

王旭东:这个它不需要 FDA 批准,因为它不是一种吃进去的药品,也不是侵入式的医疗器械,相当于是一款美容器械,所以只需要对有效性的一个证明就可以了。

王旭东简介

王旭东,威斯康星大学麦迪逊分校材料科学与工程系教授。他于 1998 年获得吉林大学材料科学与工程学士学位,于 2001 年获得湖南大学化学工程学士学位,于2005 年获得佐治亚理工学院材料科学与工程博士学位,师从王中林教授。他目前的研究兴趣包括氧化物纳米结构的生长机理和开发组装技术;开发纳米发电机在生物医疗器具方面的应用;并研究压电极化和半导体功能之间的耦合效应。

王旭东于 2007 年被《麻省理工科技评论》评为 35 岁以下科技创新 35 人;2009年美国陶瓷学会授予 Ross Coffin Purdy 奖;2011 年获美国国防部高级研究计划局青年教师奖(DARPA Young Faculty Award);2012 年获杰出青年教授奖(NSF CAREER Award);2015 年获斯宾格勒学院学者奖(Spangler Faculty Scholar Award, UW-Madison);2017 年获维拉斯学院早期职业调查员奖(Vilas Faculty Early Career Investigator Award);2019 年美国总统奖(PECASE);并于 2019 年被推选为美国医药及工程学院会士。

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参考:

https://www.newscientist.com/article/2217050-a-hat-that-zaps-the-scalp-with-electricity-helps-reverse-male-balding/

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b03912

https://phys.org/news/2019-09-electric-tech-reverse-baldness.html

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