【背景介紹】
由於傷口癒合過程的損害以及截肢和死亡的風險，致病性感染作為慢性傷口最常見的併發症已成為全球性的醫療保健挑戰。目前，以薄膜、海綿和水凝膠形式的敷料是臨床傷口處理的主要選擇。然而，當前傷口敷料是被動治療，難以同時實現實際傷口治療並滿足慢性傷口的動態需求。因此，非常需要一種智能傷口敷料系統，以實現實時監控和按需治療。
目前，研究人員開發了多種形式的可穿戴設備通過監視體溫、心率、血壓、血氧水平和汗液標記物，以評估人體的健康水平。隨著可穿戴保健設備的實現，由傳感器組成的新一代智能傷口敷料通過檢測與傷口癒合過程有關的理化信號，可以解決當前傷口敷料面臨的這些問題。為了實現早期檢測傷口的狀態，溫度、pH值、炎症因子以及細菌分泌的毒素和酶等物理化學標記物已被用作指示劑。其中，與傷口部位的炎症和感染狀態密切相關的溫度被認為是最重要和最有希望的指標之一。如今，開發的用於體溫測量的紅外溫度計、比色傳感器和電子溫度傳感器等工具中，電子溫度傳感器具有靈敏度高、精度高以及在臨床中易於操作等優點。因此，通過設計集成的柔性溫度傳感器或許有希望成為具有實時傷口溫度監測功能的智能傷口敷料。
此外，按需給藥是智能傷口敷料的另一必要條件，該敷料根據傷口病理需要來釋放治療藥物。雖然研究人員已進開發了一些先進的傷口敷料，但是基本都未考慮到感染引起的溫度升高也可能觸發熱響應性藥物載體釋放抗生素。因此，需要由單獨的外源性刺激控制的藥物釋放系統。
【成果簡介】
基於此，浙江大學的馬列教授、董樹榮教授和李石堅教授（共同通訊作者）聯合報導了一種智能的柔性電子集成傷口敷料，其能夠通過集成傳感器實時監測傷口溫度，以作為病理感染的早期預測指標。通過將紫外線（UV）響應的抗菌水凝膠和UV的發光二極體（LED）集成到系統中以實現按需處理，從而可控的原位釋放抗生素。利用集成傳感器連續監測傷口溫度，並通過藍牙功能傳輸到可攜式終端設備（如智慧型手機）。當傷口溫度持續保持高於預設閾值（如40℃）時，將診斷出感染的傷口，並打開集成的UV LED以觸發原位釋放抗生素。作為柔性電子集成傷口敷料的演示，此概念驗證了克服傷口癒合過程的狀態，並為實施動態干預治療提供了新的策略。
【圖文解析】
解析：如圖1所示：（1）上層是柔性電子層，其中電源管理模塊、電路控制模塊、藍牙晶片在兩側對稱分布，而溫度傳感器和四個UV LED嵌入中部區域。（2）下層是3 mm厚的紫外線響應抗菌水凝膠，其中慶大黴素（GS）被共價接在聚乙二醇（PEG）上，並在365 nm的紫外線照射下原位釋放；（3）整個系統由外部電池供電。傷口溫度的波動可以通過柔性溫度傳感器連續監測，因為它具有很高的靈敏度和無縫的皮膚接觸。此外，安裝了受控程序的智慧型手機配備了集成系統，用於接收和處理收集的數據。一旦溫度在給定時間段內超過安全極限（本文中為40℃），則會啟動警報和干預程序。
圖1、智能-柔性電子集成傷口敷料的結構和工作原理示意圖
解析：在傳統的抗菌敷料中，抗生素主要以物理方式負載和被動釋放，導致抗生素過度使用和細菌產生耐藥性。因此，為了克服這些問題並實現按需給藥，如圖2a所示方案製備了紫外線響應性抗菌水凝膠（UR-水凝膠）。將GS與疊氮化PEG-5000的丙烯酸酯（N3-PEG5000丙烯酸酯）共軛獲得聚合物前藥，然後在過硫酸銨（APS）和四甲基乙二胺（TEMED）的存在下，通過丙烯酸丙二醇酯（PEGDA）將其交聯形成水凝膠。由於GS接頭PEG丙烯酸酯的二甲氧基硝基苯基乙基酯在365 nm的紫外線照射下可裂解，因此可確保GS只能在紫外線照射後從水凝膠中釋放出來。如圖2c所示，從多藥前體中裂解出的GS的百分比隨紫外線暴露時間的延長而增加。此外，當在多藥前體上施加動態紫外線時，GS釋放呈開-關狀態（圖2c中的紅線），證明由多藥前體組成的UR-水凝膠具有按需GS釋放的紫外線響應釋放特性。研究了水凝膠中GS的紫外線響應釋放行為（圖2d）。隨著紫外線照射時間的增加，GS的釋放量顯著增加。但是當照射時間增加到10和20分鐘時，釋放的GS量沒有明顯增加。圖像和相應的統計結果表明，對於NR-水凝膠組，雖然預先輻照了水凝膠較長的時間，但是未檢測到細菌菌落數量的明顯差異（圖2e）。在紫外線照射下，GS從UR-水凝膠中釋放出GS和對紫外線敏感的抗菌作用證明，根據傷口的需要，GS可以在UV觸發下以受控的方式從UR-水凝膠中釋放。
圖2、智能傷口敷料的可控釋藥的抗菌性測試
【小結】
綜上所述，作者開發了一種智能的柔性電子集成傷口敷料，該敷料能夠實時監測傷口溫度，以早期診斷感染，並通過UV觸發原位釋放抗生素以便按需治療。集成的溫度傳感器可以連續收集傷口溫度，並通過藍牙設備將傷口溫度實時傳輸到智慧型手機，利用UV LED遠程控制原位釋放抗生素。體外研究表明，該集成系統具有良好的柔性、出色的生物相容性、高監測靈敏度以及在潮濕環境中的長期耐久性。通過在小型豬中創建感染模型，驗證了該集成系統實時監控傷口狀態、早預測感染以及根據需要治療感染的能力。在該系統中，作者提供了一種新穎的策略，即通過將先進的生物材料與柔性傳感器技術結合，來解決未知的傷口癒合過程。在本文中，傷口感染在傷口癒合過程中用作病理模型，並且溫度被選擇為監測標誌之一。鑒於傷口修復過程的複雜性和多樣性，還需要研究更多的病理過程，並且需要進一步開發集成有不同傳感組件和治療藥物的先進系統來治療不同疾病。
文獻連結：
Smart Flexible Electronics - Integrated Wound Dressing for Real - Time Monitoring and On - Demand Treatment of Infected Wounds . Adv. Sci., 2020, DOI: 10.1002/advs.201902673 .
來源：高分子科學前沿
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