慢性傷口愈合能力受損，嚴(yán)重影響患者生活質(zhì)量，全球超 4000 萬人受其困擾，經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)沉重。近年來，傷口敷料和繃帶發(fā)展迅速，如具備控釋藥物功能的水凝膠敷料、能提供電刺激的可穿戴敷料，還有利用抗生素、光熱療法等技術(shù)的敷料，這些在傷口治療上有一定效果，但存在局限。多數(shù)敷料無法清潔和引流傷口滲出液，導(dǎo)致滲出液積聚，阻礙傷口愈合；而自泵式敷料雖能引流，但缺乏傳感模塊，難以評估傷口愈合狀態(tài)。此外，現(xiàn)有能監(jiān)測傷口 pH 的敷料，無法動(dòng)態(tài)感知 pH 變化。因此，開發(fā)能動(dòng)態(tài)反映傷口狀態(tài)且持續(xù)引流滲出液的智能繃帶指的研究。

為此，清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系王晗帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)就發(fā)布了相關(guān)研究成果，該成果以“Chronic wound management: a liquid diode-based smart bandage with ultrasensitive pH sensing ability”發(fā)布在《Microsystems & Nanoengineering》期刊。團(tuán)隊(duì)通過開發(fā)一種集成了生物相容性液態(tài)二極管膜和超靈敏3D聚苯胺網(wǎng)（M-PANI）基pH生物傳感器的智能繃帶，成功實(shí)現(xiàn)了傷口滲出液的單向排出和傷口pH環(huán)境的動(dòng)態(tài)監(jiān)測。這一成果為慢性傷口管理提供了新的解決方案，有望推動(dòng)傷口護(hù)理技術(shù)的發(fā)展，并為家庭傷口管理提供了創(chuàng)新的方法。

本研究通過將超親水聚醚砜（PES）膜與疏水熱塑性聚氨酯（TPU）膜結(jié)合形成雙層膜結(jié)構(gòu)，構(gòu)建出具有不對稱潤濕性的液態(tài)二極管。同時(shí)，通過在PES膜上絲網(wǎng)印刷三電極系統(tǒng)，并在TPU膜上進(jìn)行靜電紡絲，將基于超靈敏3D聚苯胺網(wǎng)（M-PANI）的pH生物傳感器集成到液態(tài)二極管中。最終，將M-PANI固定在碳纖維紙上，形成智能繃帶的傳感部分（見圖1d）。

該智能繃帶整合了生物相容性液態(tài)二極管膜和基于超靈敏 3D 聚苯胺網(wǎng)（M-PANI）的 pH 生物傳感器。液態(tài)二極管膜能實(shí)現(xiàn)傷口滲出液單向排出，防止外部液體回流，保持傷口清潔干燥；M-PANI 的 pH 生物傳感器可動(dòng)態(tài)感應(yīng)傷口 pH 環(huán)境。如圖 1a 展示智能繃帶由雙層膜、集成絲網(wǎng)印刷碳電極和便攜式電化學(xué)工作站構(gòu)成，工作時(shí)傷口滲出液經(jīng)液態(tài)二極管接觸傳感器，實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。

基于 M-PANI 的 pH 生物傳感器靈敏度高達(dá) 61.5mV/pH ，檢測范圍為 pH4.0 - 10.0，涵蓋正常（pH4.5 - 5.0）和感染傷口（pH7.0 - 9.0）的 pH 范圍。從圖 2a - c 的開路電位 - 時(shí)間（OCPT）曲線及線性擬合可看出其性能，對應(yīng)不同 pH 值的 PBS 溶液，傳感器呈現(xiàn)良好線性關(guān)系（參考圖 5：Performance characterization of the M-PANI/SPCE for pH sensing）

圖2. M-PANI/SPCE 用于 pH 傳感的性能表征 a M-PANI/SPCE 在 pH 從 4.0 增加到 10.0 時(shí)的開路電位 - 時(shí)間（OCPT）響應(yīng)。b M-PANI/SPCE 在 pH 4.0 至 10.0 范圍內(nèi)的可逆性評估。c M-PANI/SPCE 的開路電位與 pH 的線性曲線擬合，范圍為 4.0 至 10.0。d M-PANI/SPCE 在儲存期間的穩(wěn)定性評估。生物傳感器在第 1 天、第 3 天、第 7 天、第 28 天從 4°C 冰箱中取出，使用不同 pH 值的 PBS 通過 OCPT 測量研究其性能。e M-PANI/SPCE 在連續(xù)使用下的穩(wěn)定性評估。f 在使用 0 小時(shí)和 48 小時(shí)后，M-PANI/SPCE 在不同 pH 值（4.0 至 10.0）下的 OCPT 響應(yīng)。g 循環(huán)伏安曲線和 h 峰值氧化電流直方圖，說明 M-PANI/SPCE 的批間差異。i 在 pH 7.5 的 PBS 和 pH 8.0 的 DMEM 中加入 110mM 葡萄糖、55mM KCl、0.4ng/mL cTnI 以及上述干擾物的混合物，對 M-PANI/SPCE 進(jìn)行選擇性測試。誤差條表示平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差（N=3）

傳感模塊穩(wěn)定性優(yōu)異，48 小時(shí)動(dòng)態(tài)測試和 28 天儲存后，檢測信號僅下降 4.8%；重復(fù)性高，設(shè)備間相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為 3.1%。圖 2d 展示了 28 天儲存期內(nèi)不同時(shí)間的 OCPT 響應(yīng)變化，體現(xiàn)穩(wěn)定性；圖 2g、h 通過對多個(gè) M-PANI/SPCE 在 0.5M H2SO4溶液測試，得出 RSD體現(xiàn)重復(fù)性。

為評估智能繃帶實(shí)用性，研究采用模擬皮膚和大鼠進(jìn)行測試。在大鼠實(shí)驗(yàn)中，對圓形全層皮膚傷口（直徑 0.8cm）使用智能繃帶和傳統(tǒng)紗布對比，結(jié)果顯示智能繃帶能減少滲出液積聚和敷料粘連，加速傷口愈合。圖 3d、e 展示傷口愈合過程中面積變化，智能繃帶組恢復(fù)率更高；圖 7f 通過組織染色，表明智能繃帶不干擾真皮層修復(fù)且促進(jìn)新生血管形成，體現(xiàn)其臨床應(yīng)用潛力。

圖 3：智能繃帶的臨床前動(dòng)物測試 a 從第 0 天到第 12 天動(dòng)物實(shí)驗(yàn)工作流程的示意圖。b 展示智能繃帶在大鼠上應(yīng)用的實(shí)物圖像。c 換藥過程中拍攝的實(shí)物圖像。上面的傷口用所提出的智能繃帶覆蓋，無粘連，而下面的傷口用紗布覆蓋，去除時(shí)顯示明顯粘連。d 每只大鼠兩側(cè)圓形傷口的面積（N=3）。插圖顯示圓形傷口在第一天的恢復(fù)率。e 一系列顯示紗布組和智能繃帶組傷口面積隨時(shí)間變化的圖像。f 從正常皮膚、用傳統(tǒng)紗布恢復(fù)的皮膚和用所提出的智能繃帶恢復(fù)的皮膚在 11 天后收獲的皮膚組織的代表性橫截面組織學(xué)圖像。上面的圖像是蘇木精 - 伊紅（H&E）染色，下面的圖像是 Masson 三色染色。比例尺bar=0.5mm

綜上所述，本研究成功開發(fā)了一種基于液體二極管的智能繃帶，集成生物相容性液體二極管膜和超靈敏 3D 聚苯胺網(wǎng) pH 生物傳感器，實(shí)現(xiàn)傷口滲出液單向引流和 pH 環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測。其傳感器性能優(yōu)異，在模擬皮膚和大鼠實(shí)驗(yàn)中展現(xiàn)出良好的臨床應(yīng)用潛力。該智能繃帶不僅為慢性傷口管理提供了創(chuàng)新方法，滿足了先進(jìn)傷口護(hù)理需求，推動(dòng)傷口護(hù)理領(lǐng)域的發(fā)展，還有助于降低患者痛苦和醫(yī)療成本，且其組件在其他領(lǐng)域也有拓展應(yīng)用潛力，對個(gè)性化健康管理和精準(zhǔn)醫(yī)療意義重大。

文章來源：https://doi.org/10.1038/s41378-024-00801-6