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作者及发表信息

本研究由Hongshuang Guo、Ming Bai、Yingnan Zhu等共同完成，主要作者来自天津大学化学工程与技术学院（Tianjin University）和郑州大学药学院（Zhengzhou University）。论文标题为《Pro-Healing Zwitterionic Skin Sensor Enables Multi-Indicator Distinction and Continuous Real-Time Monitoring》，发表于Advanced Functional Materials（AFM）期刊，2021年，DOI编号10.1002/adfm.202106406。

学术背景

研究领域：本研究属于柔性电子皮肤与生物医学工程交叉领域，聚焦于开发一种多功能仿生皮肤传感器，用于实时监测糖尿病慢性伤口的多个生理指标（温度、应变、葡萄糖浓度），同时促进伤口愈合。

研究动机：
1. 现有技术的局限性：传统电子皮肤（electronic skin）或离子皮肤（ionic skin）难以在单一传感单元中区分多重刺激信号（如温度、压力、葡萄糖），导致信号干扰。
2. 临床需求：糖尿病溃疡因高血糖导致血管收缩和细胞膜硬化，难以愈合。实时监测伤口感染（温度）、肿胀（应变）和血糖水平对治疗至关重要，但现有智能敷料多依赖光学信号（如荧光酶），存在检测不连续、酶活性下降等问题。

研究目标：
开发一种基于两性离子（zwitterionic）水凝胶的“三明治结构”传感器系统，实现以下功能：
- 同时区分温度、应变和葡萄糖浓度信号；
- 通过电信号实现连续实时监测；
- 兼具抗菌性和促伤口愈合能力。

研究流程与方法

1. 水凝胶设计与合成

• 材料组成：以两性离子单体羧基甜菜碱（SBMA）为基础，引入温敏性N-异丙基丙烯酰胺（NIPAAM）和葡萄糖响应性甲基丙烯酰胺苯硼酸（MPBA），通过自由基聚合制备多响应水凝胶（SB-N-MB）。
  
• 结构优化：通过调整SBMA、NIPAAM和MPBA的比例（如2:1:1、1:2:1），优化水凝胶的机械强度、溶胀率和导电性。
  
• 表征实验：
  
  • 扫描电镜（SEM）：观察孔结构，SB-N-MB(2:1:1)孔径最小，交联密度最高。
    
  • 流变学测试：SB-N-MB(2:1:1)的储能模量（G′）最高，弹性变形能力优异。
    
  • X射线光电子能谱（XPS）和红外光谱（FTIR）：证实单体成功聚合。
    

2. 机械性能与生物相容性测试

• 力学性能：SB-N-MB(2:1:1)的拉伸应变达273%，压缩应力达1424 kPa，显著优于对照组（SB-N水凝胶）。
  
• 抗菌性：通过BSA-FITC吸附实验和金黄色葡萄球菌（S. aureus）粘附实验证明，两性离子水凝胶的抗蛋白吸附和抗菌性能优于商用敷料（Duoderm）。
  
• 生物相容性：细胞实验（NIH-3T3）、溶血实验（<0.8%）和人体皮肤贴附试验均显示优异的安全性。
  

3. 传感器构建与信号区分

• 三明治结构设计：
  
  • 上层水凝胶：检测温度（R2）和应变（R0）；
    
  • 下层水凝胶：检测温度、应变和葡萄糖（R1）；
    
  • 中间隔离层（VHB弹性体）：防止葡萄糖信号干扰上层。
    
• 信号解耦原理：
  
  • 应变通过电容变化（C）测量；
    
  • 温度通过电阻差值（R2−R0）计算；
    
  • 葡萄糖通过电阻差值（R1−R2）区分。
    

4. 体内外实验验证

• 体外测试：
  
  • 温度响应（25–65°C）：电阻变化与NIPAAM含量正相关；
    
  • 葡萄糖响应（0.5–5%）：MPBA与葡萄糖结合导致电阻下降；
    
  • 应变响应（3–11.95%）：电容与应变呈线性关系。
    
• 体内应用：
  
  • 在糖尿病小鼠伤口模型中，传感器实时监测温度（感染）、应变（肿胀）和葡萄糖浓度，数据通过无线传输至手机或电脑。
    
  • 促愈合效果：SB-N-MB敷料组的伤口收缩率（67.8%）显著高于Duoderm组，胶原沉积更有序。
    

主要结果与逻辑关系

1. 材料性能：SB-N-MB(2:1:1)的综合性能最优，兼具高机械强度、温敏性和葡萄糖响应性。
   
2. 信号区分：三明治结构成功解耦三重信号，避免交叉干扰。
   
3. 临床应用：传感器在体内实现连续监测，且两性离子水凝胶的抗菌性和生物相容性加速了伤口愈合。
   

结论与价值

1. 科学价值：
   
   • 首次在单一传感单元中实现温度、应变和葡萄糖的三重信号区分，为多刺激响应电子皮肤提供了新思路。
     
   • 两性离子水凝胶的抗菌和促愈合特性拓宽了其在慢性伤口管理中的应用。
     
2. 应用价值：
   
   • 可作为智能伤口敷料，实时预警感染风险，优化糖尿病伤口治疗策略。
     

研究亮点

1. 创新性设计：通过“三明治结构”和两性离子水凝胶的协同作用，解决了多信号干扰难题。
   
2. 多功能集成：传感器兼具监测、促愈合和抗菌功能，超越了传统光学信号敷料的局限性。
   
3. 临床转化潜力：无线实时监测系统为糖尿病溃疡的个性化治疗提供了可行方案。
   

其他有价值内容

• 专利潜力：文中提到的信号解耦算法（如电阻差值计算）可能具有专利申请价值。
  
• 扩展应用：该传感器系统可进一步适配其他生理指标（如pH、乳酸），用于更广泛的健康监测场景。