期刊: ACS Nano
发表时间: 2025年 (接收于2025年4月9日)
通讯作者: Jing Bai (白静), Ming Zhou (周明)
第一作者: Wei Deng (邓伟)
作者单位: 东北师范大学，多酸与网状材料化学教育部重点实验室，纳米生物传感与纳米生物分析吉林省高校重点实验室，分析测试中心，化学学院
慢性伤口感染是全球性的医疗挑战，影响着数百万人，并可能导致截肢甚至死亡等严重后果。目前临床上对伤口状况的评估主要依赖医护人员的肉眼观察或伤口培养测试，这些方法不仅主观、耗时，而且无法实时捕捉伤口动态变化的物理化学微环境。伤口渗出液作为一种可无创采集的生物流体，富含多种生物标志物，能够反映伤口的愈合阶段和感染状态。其中，氧气是伤口愈合过程中至关重要的生物标志物，低氧浓度与炎症加剧、感染严重和愈合受损密切相关。因此，实现对伤口渗出液中氧气及其他关键标志物的原位、动态、无创监测，对于评估伤口状况、指导个体化治疗具有重要意义。然而，目前尚无可穿戴设备能够实现对原始伤口渗出液中氧气的全集成、皮肤贴附式动态检测。基于此，研究团队的目标是开发首个全集成可穿戴仿生微流控伤口追踪器，用于伤口渗出液中氧气、尿酸、乳酸、pH值和温度的多重动态监测，以填补该领域的技术空白。
本研究开发了一种名为“全集成可穿戴仿生微流控伤口追踪器”的设备，其设计、制造和验证过程包含多个精密的步骤。
1. 设备的整体设计与模块构成 研究人员首先设计了该追踪器的整体架构，它由三个核心模块无缝集成，以实现从采样到分析再到数据传输的完整功能。 * 仿生微流控模块：该模块是设备的基础，用于高效、定向地原位收集和传输伤口渗出液。其设计灵感来源于番茄茎部的腺毛，研究人员模仿其独特的锥形微结构，构建了具有非对称楔形图案和超疏水/超亲水复合润湿性表面的微流控通道，实现了液体从尖端到基部的自发定向输运。 * 传感模块：该模块是设备的核心，集成了一个多重传感器阵列，用于皮肤贴附式分析伤口渗出液中的多种生物标志物。传感器阵列基于先进的微/纳米工程碳基材料构建，如银纳米枝晶修饰的碳点/碳纳米管纳米复合材料、碳点/碳纳米管纳米复合材料和激光雕刻石墨烯，以确保检测的高灵敏度和选择性。 * 电子模块：该模块由可重复使用的印刷电路板组件构成，负责信号转导、数据处理和无线通信，能够将实时监测数据传输到用户终端。
2. 传感模块的设计与性能表征 传感模块集成了针对五种关键生物标志物的传感器，研究人员对每个传感器的性能和机理进行了详细表征。 * pH传感器：通过在丝网印刷电极上修饰聚苯胺质子选择性膜制成。其检测原理是基于聚苯胺在不同pH溶液中发生的质子化和去质子化反应引起的电位变化。开路电位测试显示，该传感器在pH为4至9的范围内呈线性响应，覆盖了伤口渗出液的生理pH范围。 * 温度传感器：采用激光雕刻技术在柔性聚酰亚胺薄膜上制备了蛇形线结构的激光雕刻石墨烯。其原理是利用温度升高时电子-声子散射增强导致电阻变化的特性。该传感器在30至50°C范围内电阻变化与温度呈线性相关，且对机械应变不敏感。 * 尿酸传感器：为检测低浓度的尿酸，研究人员合成了具有多维结构的碳点/碳纳米管纳米复合材料作为电极基底。差分脉冲伏安法测试表明，该材料对尿酸电氧化表现出优异的电催化活性，传感器在50至900 μM的宽线性范围内实现了2.2 μM的低检测限。 * 氧气传感器：这是本研究的关键难点和技术突破。为了在复杂且低氧浓度的伤口渗出液中进行检测，研究人员在碳点/碳纳米管基底上电沉积了高效的氧还原电催化剂——银纳米枝晶，并覆盖了一层选择性聚二甲基硅氧烷扩散膜。聚二甲基硅氧烷膜允许氧气透过，同时阻隔其他生物分子。利用安培法，该传感器在5至100 mmHg的动态范围内对氧气有线性响应，并表现出高选择性和稳定性。 * 乳酸传感器：采用安培型酶传感器，将乳酸氧化酶固定在普鲁士蓝-壳聚糖薄膜中。乳酸氧化酶催化乳酸氧化产生过氧化氢，普鲁士蓝作为电子媒介可实现低电位下检测过氧化氢，有效避免了其他物质的干扰。传感器在1至30 mM范围内检测性能良好。
3. 微流控模块的设计与性能验证 研究人员利用高速摄像对比验证了仿生微流控模块的定向液体传输能力。当人工伤口渗出液接触采样单元的次级楔形采样器时，液体能够在约0.55秒内自发、定向地沿通道传输并汇集到中央收集区。而采用对称矩形图案或移除超亲水涂层的对照组则无法实现定向传输。这证明了非对称楔形图案和超润湿性对比是实现高效定向收集的关键。
4. 设备在动物模型上的整体验证与应用评估 为了全面评估设备性能，研究人员使用了小鼠模型进行了严格的体内验证。 * 伤口监测验证：研究人员在正常小鼠背部构建了全层皮肤伤口模型，并将其分为无菌接种组和细菌接种组。他们将设备佩戴在小鼠伤口上，对伤口渗出液中的五种生物标志物进行了长达72小时的动态、无线、同步监测。 * 伤口管理潜力评估：为进一步验证设备在特定疾病伤口管理中的作用，研究选用了糖尿病小鼠模型，模拟高风险患者的伤口状况。在制造细菌感染伤口后，一部分伤口接受局部高压氧治疗，另一部分作为对照不接受治疗。使用该设备持续监测两组伤口的生物标志物变化，并结合伤口照片和组织学评估进行对比。
1. 正常伤口与感染伤口的生物标志物动态变化 在无菌接种的伤口中，设备监测到伤口渗出液的氧气水平在初始阶段下降，随后随着伤口愈合开始回升。而尿酸、乳酸、pH和温度的水平则呈现先升高后逐渐降低的趋势。这些变化与伤口缺氧、细胞无氧酵解、炎症反应和血管生成等病理生理过程相符。相比之下，在细菌接种的伤口中，氧气的下降幅度和尿酸、乳酸、pH、温度的上升幅度均更为显著。统计分析证实，感染伤口与未感染伤口在这五种标志物水平上存在显著差异，且氧气水平与其他四种标志物水平之间存在强相关性。
2. 糖尿病伤口管理的监测与治疗评估 在糖尿病小鼠实验中，通过分析生物标志物数据并参照前期的伤口风险评估标准，该设备在第1天便成功检测到伤口感染，这早于传统的肉眼观察。随后的局部高压氧治疗实验显示，接受治疗的伤口，其渗出液中的生物标志物水平逐渐从“高感染风险”范围恢复至“低感染风险”范围，伤口愈合过程在照片和组织学评估中也得到证实。相反，未接受治疗的伤口则长期处于高风险状态，愈合缓慢。
本研究成功开发了首个能够无创、贴肤、动态监测伤口渗出液中氧气及其他关键标志物的全集成可穿戴设备。其科学价值在于首次实现了对原始伤口渗出液中氧气的集成化实时监测，并证实了通过多重生物标志物同步分析来全面理解伤口微环境的可行性。研究揭示了在伤口愈合和感染过程中，氧气与其他代谢、炎症标志物之间的动态关联。其应用价值在于，该设备为伤口管理提供了一种客观、量化的评估工具，能够比传统方法更早地发现感染风险，尤其在糖尿病等高风险人群中，有望指导个体化的治疗干预，例如通过监测结果来评估局部高压氧治疗的效果，为未来开发精准化、智能化的伤口护理策略奠定了坚实基础。