基于温差发电效应的智能伤口敷料研究：加速愈合并实现无线监测

作者及机构
本研究的通讯作者为新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院的Lei Wei教授团队，合作单位包括上海交通大学医学院附属第九人民医院修复科、东华大学纺织科技创新中心等。论文于2025年5月27日发表在*Nature Biomedical Engineering*期刊，标题为”A thermogalvanic cell dressing for smart wound monitoring and accelerated healing”（DOI: 10.1038/s41551-025-01440-6）。

学术背景

研究领域与动机
慢性伤口（如糖尿病足溃疡）因血管异常和免疫缺陷导致愈合周期长达8-12周，现有敷料无法实时监测伤口状态或主动干预。尽管柔性电子器件已集成多传感器和外接电源用于伤口管理，但其临床适用性受限于透气性、生物相容性和供电问题。本研究提出利用伤口与敷料间的温度梯度，通过热电化学电池（thermogalvanic cell, TGC）产生内源性电刺激，实现零外源供能的主动治疗。

理论基础
1. 热电效应：基于Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原对的温差发电原理，温度梯度（δT）可产生电势差（δV），其热电功率达1.7–3.6 mV/K，远超传统液态电解质体系。
2. 电刺激促愈合机制：外电场可协同内源性电场（endogenous electric field）促进上皮细胞迁移、血管生成和巨噬细胞极化。
3. 材料选择：海藻酸钠（alginate）水凝胶具有生物相容性和止血功能，Fe²⁺/Fe³⁺交联网络可提供抗菌活性（通过芬顿反应产生活性氧ROS）。

研究流程与方法

1. TGC敷料制备与表征

材料合成
- 基底构建：采用静电纺丝技术制备热塑性聚氨酯（TPU）纳米纤维框架，负载海藻酸钠粉末后，通过FeSO₄/Fe₂(SO₄)₃溶液交联形成三维网络结构。
- 规模化生产：敷料尺寸达30 cm × 16 cm，成本为1.047 m²/100美元（补充表1）。

结构表征
- 扫描电镜（SEM）显示敷料底层为致密纤维膜，中间为Fe²⁺/Fe³⁺交联的水凝胶（图2e-g）。
- X射线光电子能谱（XPS）证实Fe²⁺/Fe³⁺均匀分布，完全替代原Na⁺（图2i-j）。
- 流变学测试表明交联后储能模量（G′）高于损耗模量（G″），具备凝胶特性（图2b-c）。

2. 机械性能与渗出物管理

• 拉伸测试：敷料可拉伸至原长度的450%，循环100次后仍保持稳定性（补充图7）。
  
• 单向导湿设计：疏水性TPU外层与亲水性水凝胶构成“自泵送”结构，水蒸气透过率（WVT）达0.674–0.870 mL/cm²·24h，优于棉纱布（图3b-c）。
  
• 离子泄漏控制：7天内Fe离子释放量<20 μg/cm²，且水凝胶可重新吸附游离Fe离子（图3d-e）。
  

3. 热电性能验证

• 温差发电：在δT=5 K时产生48 mV电势，通过有限元模拟（COMSOL）显示电场集中于伤口边缘（图4f）。
  
• 活体验证：大鼠伤口模型显示敷料使伤口中心-表皮电势差从73 mV提升至126 mV（图4h-i）。
  

4. 抗菌与生物相容性

• 抗菌实验：30分钟内对铜绿假单胞菌（*P. aeruginosa*）和金黄色葡萄球菌（*S. aureus*）杀灭率>99.9%（图5a-c）。
  
• 细胞实验：CCK-8测试显示成纤维细胞（L929）存活率与对照组无差异；划痕实验证明电场使细胞迁移率提升40%（补充图22）。
  

5. 动物模型验证

• 糖尿病大鼠模型：14天后TGC组愈合率达93.4%，显著高于对照组（66.0%）和纯海藻酸钠组（87.4%）（补充图26h）。
  
• 猪感染伤口模型：TGC组第14天未愈合面积仅18.9%，较对照组（39.5%）提升20.6%，且细菌载量降低2–3个数量级（图5l-n）。
  

6. 无线监测系统开发

• 硬件集成：设计蓝牙低功耗（BLE）模块，实时采集电压/电流信号（图6b-c）。
  
• 智能分析：通过神经网络分类伤口状态（急性/慢性/感染），准确率>90%（图6f）。
  
• 呼吸监测：敷料电流输出可反映猪模型的静息、快速呼吸等状态（图6k）。
  

主要结果与逻辑关联

1. 材料优化结果：Fe²⁺/Fe³⁺交联水凝胶兼具机械强度与热电性能，为后续活体实验奠定基础。
   
2. 动物实验数据：大鼠与猪模型验证了敷料加速愈合和抗菌的双重功能，且热电效应与愈合程度正相关（红外热成像显示温度差随愈合消失，补充图25）。
   
3. 转录组分析：RNA-seq发现TGC组上调基因富集于炎症消退和上皮化通路（如CXCL4、COL1A1），说明电场促进组织重塑（图5h-i）。
   

结论与价值

科学价值
- 首次将热电化学效应应用于伤口敷料，实现自供电电刺激治疗。
- 揭示Fe²⁺/Fe³⁺-海藻酸钠体系的多功能协同机制（热电、抗菌、导湿）。

应用价值
- 临床转化潜力：敷料可裁剪适配不规则伤口，成本可控。
- 扩展场景：适用于烧伤、神经性溃疡等复杂伤口管理。

研究亮点

1. 零外源供能：利用体温差发电，解决传统电子敷料需外接电源的瓶颈。
   
2. 多模态集成：单一材料同时实现治疗（电刺激、抗菌）与监测（温度、渗出物、呼吸）。
   
3. 临床兼容性：通过大规模动物实验（猪模型）验证安全性和有效性。
   

其他创新
- 开发自适应神经网络算法，实现伤口状态的无线预警（补充视频2-5）。
- 发现Fe离子“释放-再吸附”动态平衡机制，避免金属毒性（图3e）。

（注：文中所有实验细节均参考原文图表及补充材料，统计显著性以p<0.05为阈值。）