《自然·生物技术》鲍哲南院士：无线智能水凝胶绷带，慢性伤口治疗新方案！

【摘要】

基于多模式可穿戴设备的“智能”绷带可以实现实时生理监测和主动干预，以促进慢性伤口的愈合。然而，目前智能绷带技术在结合传感器和刺激器方面的发展有限。此外，虽然粘性电极对于稳健的信号转导至关重要，但现有粘性敷料的分离可能会对脆弱的伤口组织造成二次损伤，而没有可切换的粘附性。

近日，斯坦福大学科研团队通过开发一种灵活的生物电子系统来克服这些问题，该系统由无线供电、闭环传感和刺激电路组成（以提供加速伤口愈合的电流刺激），为了确保电路和软皮肤组织之间的高效信号交换和能量传递，还配套设计了一种具有能够按需粘附和分离的皮肤界面的水凝胶电极（聚（3，4-乙烯二氧噻吩）和聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT/PSS））。与成熟的离子导电水凝胶相比，这种水凝胶具有双导电机制（即电子导电和离子导电），使得水凝胶在整个频域中具有较低的阻抗，从而在刺激愈合的过程中产生更有效的电荷注入。为了减轻剥离粘性电极时的二次皮肤损伤，该团队在水凝胶主链上引入了热控可逆相变聚合物，使得水凝胶在高温下的粘附力相比低温时降低了两个数量级。通过临床动物实验，发现这款智能绷带可以连续监测皮肤生理信号并提供定向电刺激，从而加速伤口闭合，增加新生血管形成并增强皮肤恢复。在老鼠身上，团队证明了该伤口护理系统可以持续监测皮肤阻抗和温度，并根据伤口环境提供电刺激。在临床前伤口模型中，与对照组相比，治疗组愈合速度快约 25%，真皮重塑增强约 50%。此外，团队观察到单核细胞和巨噬细胞群中促再生基因的激活，这可能会促进组织再生、新血管形成和真皮恢复。

【主图导读】

【智能绷带整体设计】

先前的研究表明，随着伤口愈合，皮肤阻抗增加。然而，当伤口被感染时，由于生物膜的发展，伤口阻抗会降低。随着感染的进一步发展，局部炎症会增加伤口温度。通过嵌入在可穿戴设备中的低成本传感器可以轻松捕获这两种信号，对伤口的情况实现实时监控。而电刺激可以减少细菌定植和生物膜感染，恢复体内伤口的正常愈合。此外，电刺激也被证明可以改善组织灌注，刺激免疫细胞功能，并通过称为电流性的过程加速角质形成细胞的迁移。因此电刺激可以有效促进伤口的愈合。通过整合传感系统和电刺激系统，则可以实现根据伤口情况，实现智能化的伤口护理。

智能绷带系统包括一个集成有传感器、控制器和无线供电系统的柔性电路板，以及一个组织接口导电粘性水凝胶界面，用于同时进行伤口治疗和保持与皮肤的粘合。智能绷带具有柔韧性，可以舒适地附着在伤口表面。智能绷带采用共振频率为 13.56 MHz 的天线线圈，可与外部射频识别 （RFID） 阅读器进行电感耦合。通过射频（RF）能量收集过程，天线可以无线提供电能，在整个伤口上施加电压以进行程序化治疗，同时驱动微控制器单元（MCU）和其他集成电路（例如振荡器和滤波器），通过传感器连续监测伤口阻抗和温度。

通过N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）和丙烯酰胺（AAm）的原位自由基聚合热响应共价网络，而聚（3，4-乙烯二氧噻吩）和聚苯乙烯磺酸盐的物理交联形成导电聚合物网络，将两种网络整合设计了一种互穿的双网络结构功能化水凝胶。该水凝胶具有低接触阻抗、高韧性和可调粘附性。在贴合人体过程种，可以保持低的接触阻抗，以确保可靠的传感和通过电刺激过程。水凝胶还具备高韧性，避免运动过程中的机械损坏。最后，组织接口凝胶需要按需粘附到伤口组织上，以便在治疗过程中提供良好的粘附，并且在加热后可以实现轻松、温和地去除，以减轻对脆弱损伤组织的二次损伤，。

【智能绷带的临床验证】

对比受伤小鼠在智能绷带连续电脉冲治疗和无电刺激普通无菌伤口绷带治疗的情况。发现电刺激导致伤口闭合加速和伤口阻抗显着增加，以达到更快的阻抗平台，表明能更快恢复到未受伤状态。进一步观察到受刺激伤口的新生血管形成显着增加，微血管数量增加，CD31和α-平滑肌肌动蛋白（α-SMA）表达更高。在小鼠烧伤伤口愈合治疗的过程中也观察到了类似的结果。还通过实验发现智能绷带可以显着减少伤口感染，减少总细菌菌落计数。此外，通过持续监测伤口阻抗和温度，我们的无线智能绷带可以检测感染的早期发作，并以闭环方式调节治疗，以避免进一步的伤口并发症。

【总结】

总而言之，该团队设计并制造了一种微型智能绷带，具有双通道连续感应伤口阻抗和温度，以及一个并行刺激电路，以提供用于加速伤口愈合的编程电信号。通过将传感器和刺激器集成到一个可穿戴贴片中，以及组织界面水凝胶电极的合理设计，该团队的无线智能绷带能够对伤口进行主动监测和闭环治疗，以及通过促再生作用模式，由参与伤口修复的细胞增殖增加和募集激活。这种双模式整合推动了伤口愈合病理学领域的发展，能够优化治疗方式，从而提高患者的活动能力并提高护理标准。

然而，还存在其他挑战，包括生产可扩展性（例如，降低成本、长期储存）、结合其他传感器（例如，代谢物、生物标志物、pH 值）和临床可转化性（例如，生物相容性、生物污染问题）。虽然他们的临床前演示展示了概念证明，但未来的工作包括将智能绷带扩展到人体大小，并在大型动物模型中进行初步测试，然后进行人体试验。此外，该团队的目标是降低临床设备的制造成本，以便在支付系统中得到广泛采用。最后，该团队的设备平台也可能适用于其他疾病的管理，从而实现下一代闭环生物电子医学。

封面来源：图虫创意