这是一篇关于智能伤口敷料（intelligent wound dressing, IWD）的原创性研究论文。以下是对该研究的详细学术报告。

作者与发表信息

该研究由哈尔滨工业大学（Harbin Institute of Technology）的Zhenyou Ge、Wenshang Guo、Ye Tao（通讯作者）、Haoxiu Sun、Xiangyu Meng、Liangyu Cao、Shanguo Zhang、Weiyu Liu、Muhammad Luqman Akhtar、Yu Li（通讯作者）和Yukun Ren（通讯作者）等人共同完成。其中，主要作者来自哈尔滨工业大学的机器人技术与系统国家重点实验室、机电工程学院和生命科学学院，以及长安大学（Chang’an University）的电子与控制工程学院。这项研究成果发表于期刊 Advanced Materials 上，论文在线发表日期为文章接受后，文章识别号（DOI）为10.1002/adma.202304005。

研究背景

本研究的学术焦点是慢性伤口（chronic wounds）的治疗。近年来，糖尿病足溃疡、压疮和静脉性腿部溃疡等慢性伤口的发病率显著上升，严重危害了患者的身心健康，并加重了社会医疗负担。伤口的正常愈合过程包括炎症期（inflammation）、增殖期（proliferation）和重塑期（remodeling），但多种因素（如细菌感染）可导致愈合停滞。传统的伤口敷料多为纱布和绷带，功能单一，无法主动治疗，诊断也多依赖医护人员的经验，易出现偏差。因此，能够实时监测伤口状态并进行按需治疗的智能伤口敷料成为研究热点。然而，目前多数研究仅关注单一功能（如监测或药物释放），缺乏将伤口渗出液管理（exudate management）与闭环治疗（closed-loop therapy）有效整合的综合装置。本研究的核心目标正是研发一种集渗出液自驱动清除、多参数传感监测、按需药物释放和无线控制于一体的可穿戴智能敷料，以实现对慢性伤口的高效协同治疗。

研究流程与实验方法

为实现上述目标，该研究设计并制造了由伤口贴片（wound patch, WP）和柔性电路（flexible circuit）两部分组成的智能伤口敷料系统。研究流程主要分为系统设计与制造、单模块性能验证、体外生物相容性与抗菌评价以及体内动物模型验证四个阶段。

第一阶段：系统设计与制造。 研究团队采用模块化设计思路。Wound patch（WP）是核心部件，它是一个直径30毫米的多层结构贴片，集成了四大功能模块。第一是伤口渗出液管理系统，由具有不对称润湿性的Janus薄膜和螺旋形微流控通道（microfluidic channel）组成。该Janus薄膜通过在聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）上选择性进行高功率氧等离子体（oxygen plasma）处理并立即涂覆聚乙烯醇（polyvinyl alcohol, PVA）制备而成，实现了仅允许液体从疏水侧到亲水侧的单向自驱动泵送（self-pumping），而微流控通道则用于将吸出的渗出液储存起来，防止伤口浸渍。第二是监测模块，集成了一个商用温度与湿度传感器（SHT21, Sensirion, Switzerland）。第三是治疗模块，由一个液态金属（liquid metal, LM）加热线圈和控制释放的热敏性水凝胶微球构成。液态金属被注入PDMS预成型的微通道形成加热线圈，实现了贴片的柔性可拉伸。热敏性微球则采用同轴流微流控装置，通过改变内外相流速，生成由聚N-异丙基丙烯酰胺（poly (N-isopropyl acrylamide), PNIPAM）与丙烯酰胺（acrylamide, AM）共聚物组成的单分散水凝胶微球，并负载头孢唑林钠（cefazolin sodium salt）模型药物，最后封装于海藻酸钙（calcium alginate, Ca-alg）水凝胶层中。通过掺杂0.8%的AM，水凝胶的低临界溶解温度（lower critical solution temperature, LCST）被调节至42℃，以避免体温（37℃）触发药物释放。第四是外部柔性电路系统，集成了近场通信（near-field communication, NFC）天线和微控制器单元（microcontroller unit, MCU），并与温度、湿度传感器及加热线圈相连。此外，研究团队还专门开发了一款具有图形用户界面（graphical user interface, GUI）的智能手机应用（App），用于通过NFC接收并可视化伤口数据，并无线控制液态金属加热线圈的电压通断，从而实现闭环反馈治疗。

第二阶段：单个功能模块的性能评估。 研究人员针对不同模块进行了一系列体外测试。对于渗出液管理系统，通过观察胎牛血清（fetal bovine serum, FBS）溶液在Janus薄膜上的单向传输行为，并测量薄膜两侧在不同微孔直径下的突破压力（breakthrough pressure），验证了其自泵送功能。通过模拟伤口渗出液流速（10 μl min⁻¹），证明了微流控通道能在约18分钟内被填满，实现定量收集与储存。对于加热和传感电路，通过施加0.5V至3.0V的不同电压，测试了液态金属加热线圈的温控性能（25-70℃），并通过红外（infrared, IR）热成像与COMSOL多物理场仿真结果对比，验证了在2.5V电压下，水凝胶表面可稳定维持在约42℃。该系统还展示了良好的动态响应，能在32℃和42℃之间通过脉冲电压快速切换。对贴片进行的拉伸测试表明，其最大伸长率达47%，且在10%应变下的循环拉伸测试中显示出良好的机械可靠性。对于药物控释系统，研究首先在显微镜下观察了PNIPAM水凝胶微球在25℃至42℃间的体积收缩行为，然后分别在25℃、37℃和42℃的恒温水浴中，通过定时取样和紫外分光光度计（uv spectrophotometer）测量吸光度的方法，评估了头孢唑林的释放曲线。结果显示，42℃加热15分钟可实现近乎完全的药物释放，释放量较室温下高出40%以上，且在循环加热刺激下呈现出“开-关”（on-off）模式的脉冲释放特征，证明了按需控释的潜力。

第三阶段：体外抗菌效果和生物相容性评价。 研究人员通过智能手机App控制液态金属线圈加热，诱导药物释放，进行抑菌圈（zone of inhibition, ZOI）实验，以验证该系统对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus, *S. aureus*）和大肠杆菌（Escherichia coli, *E. coli*）的抗菌效果。结果显示，加热给药组的抑菌圈直径显著大于未加热组，与阳性对照组相当，证实了温控药物释放的有效抗菌能力。同时，时间-杀伤动力学和抗生物膜活性实验也支持了这一结论。在生物相容性方面，将NIH-3T3细胞与伤口贴片的浸提液共培养1、3、5天，通过CCK-8法测定细胞活性均超过91%，白细胞相容性测试中不同水凝胶的溶血率均低于0.5%，且在人体手臂佩戴6小时无显著刺激或过敏反应，表明该智能敷料具有良好的细胞和血液相容性。

第四阶段：体内动物模型验证。 研究采用感染伤口小鼠模型进行体内疗效评估。在每只小鼠背部创建两个对称的圆形伤口，右侧伤口接种金黄色葡萄球菌构建感染模型，左侧伤口不作处理。小鼠被随机分为五组：对照组、单纯泵出组、单纯治疗组、泵出与治疗协同组以及商业敷料组。通过佩戴智能伤口敷料，协同组小鼠的伤口愈合速度、肉芽组织生成质量等均优于其他各组。数据分析显示，协同治疗能更快地使因感染而升高的伤口温度恢复正常，并能通过监测相对湿度反映伤口状态。12天后处死动物，对伤口组织进行苏木精-伊红（hematoxylin and eosin, H&E）染色、马松三色（Masson’s trichrome, MTC）染色以及针对CD31和CD163的免疫组织化学染色。组织学分析定量结果表明，协同治疗组的表皮厚度显著增加，新生微血管（CD31阳性）数量更多且密度更高，胶原沉积（MTC染色）更为丰富，而炎症因子CD163的表达水平则降低。

研究结论与价值

该研究成功地设计并制造了一种集伤口渗出液管理、温湿度监测和闭环按需药物治疗于一体的新型无线智能伤口敷料。研究结论表明，这种多功能协同的敷料能有效控制感染、减轻炎症反应、促进血管新生和胶原沉积，从而加速慢性伤口的愈合过程。其科学价值在于为多功能集成化智能敷料的设计提供了一个创新的平台和范例，验证了渗出物管理与主动治疗相结合所产生的协同增效作用。在应用价值上，该系统具有无线控制、柔性可穿戴、模块化适配不同伤口尺寸等优势，极大地提升了患者使用的舒适性和便利性，并为远程精确医疗和个性化伤口护理提供了可行的技术方案，有望减轻患者反复就诊的负担。

研究亮点

本研究的创新点十分突出。首先，它首次在同一可穿戴平台上实现了慢性伤口管理的两大核心功能——“被动”的渗出液管理（通过结构与材料实现自驱动清除与储存）和“主动”的闭环治疗（基于传感反馈的按需给药）——的有机融合与协同作用，超越了现有单一功能敷料的局限性。其次，液态金属加热电路和热响应性水凝胶微球的运用，使装置在保持柔性可拉伸以适应皮肤变形的同时，实现了对药物释放的精准时空调控。此外，研究中开发的Janus薄膜用于长效稳定的单向泵送和将NFC技术、传感器、智能手机App集成以实现非接触式无线闭环控制的系统设计，也具有重要的方法学创新价值。