鲍哲南教授等人，最新Nature子刊！

基于多模式可穿戴设备的“智能”绷带可以实现实时生理监测和主动干预来促进慢性伤口的愈合。然而，在当前智能绷带技术中，传感器和刺激器的结合发展依然存在挑战。此外，尽管粘性电极对于稳健的信号转导是必不可少的，但是现有粘性敷料的分离会导致对脆弱的伤口组织的二次损伤。

这里，斯坦福大学鲍哲南教授和Geoffrey C. Gurtner等人通过开发一种灵活的生物电子系统来克服这些问题，该系统由无线供电的闭环传感和刺激电路组成，带有能够按需粘附和分离的皮肤界面水凝胶电极。在小鼠中，作者证明了该伤口护理系统可以连续监测皮肤阻抗和温度，并根据伤口环境提供电刺激。在临床前伤口模型中，与对照组相比，治疗组愈合速度快约25%，真皮重塑增强约50%。此外，作者观察到单核细胞和巨噬细胞群中促再生基因的激活，这可能增强组织再生、新血管形成和皮肤恢复。

图文解读

图1. 用于慢性伤口管理的无线智能绷带的总体设计

集成伤口管理系统包括一个无需电池的无线供电柔性印刷电路板（FPCB），用于同时进行伤口治疗和监测；以及一个组织界面导电粘合水凝胶界面，用于稳固和温和的皮肤整合(图1a，b)。由于FPCB的微薄特性和凝胶界面的低模量，智能绷带是柔性的，可以舒适地附着在伤口表面(图1c-e)。借助谐振频率为13.56 MHz的天线线圈，该智能绷带可以与外部射频识别(RFID)阅读器感应耦合。通过射频(RF)能量收集过程，天线可以提供功率以在伤口上施加电偏压用于程序化治疗，同时驱动微控制器单元(MCU)和其他集成电路(例如，振荡器和滤波器) ，根据ISO 15693协议通过MCU中的近场通信(NFC)应答器连续监测伤口阻抗和温度。

图2. 无线传感和刺激电路的验证

对于无线天线，作者设计了一个最佳电感约为1.5 µH的五匝线圈，提供高RF采集电压和宽可调性，可达到13.56 MHz的谐振频率，从而实现最大的无线通信信号增益(图2a-c)。此外，天线的品质因数(Q)约为18，这达到了能量收集效率和无线通信带宽之间的平衡(图2b)。因此，天线提供了15厘米宽且稳定的无线通信距离(图2c，d)。此外，该装置功能在弯曲时也保持稳定(图2e)。

图3. 具有按需组织粘附和脱离的低阻抗导电水凝胶电极

组织界面凝胶需要具有对伤口组织的按需粘附性以在治疗期间提供良好的粘附性；同时，在外部触发(例如，温和加热)后容易、温和地移除以减轻对脆弱伤口组织的二次损伤，并防止通常发生的医用粘合剂相关皮肤损伤(图3a)。作者通过N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)和丙烯酰胺(AAm)的热响应共价网络在PEDOT:PSS的物理交联导电聚合物网络的存在下的原位自由基聚合设计了互穿双网络结构(图3b)。PEDOT:PSS的引入显著降低了界面阻抗，在整个频率范围内具有约0°的相角(图3c)。当施加电压脉冲时，PEDOT:PSS凝胶显示出显著增强的电荷注入能力(图3d)，这确保了刺激从电子传导电路到离子传导组织的有效递送。

除了改进的电性能之外，PEDOT:PSS的引入还增强了水凝胶的机械性能。在单向拉伸试验下，复合凝胶可被拉伸至与对照聚-NIPAM凝胶类似的应变(约400%)，但具有更高的杨氏模量，从而产生增强的韧性(图3e)。最后，作者观察到，较低的临界溶解温度(LCST)转变与凝胶粘附性的显著变化相关，这可能是因为聚集的主链不再能与外表面形成有效的结合位点(图3g)。因为LCST过程是可逆的，相同水凝胶的可调粘附性可以重复多次，而低温粘附性的退化最小(图3m)。

图4. 无线智能绷带持续监测伤口生理状况和加速组织再生

无线智能绷带能够对伤口进行主动监测和闭环治疗以及通过促进再生的作用模式加速愈合，该模式由参与伤口修复的细胞增殖和聚集增加来激活。这种双模式集成推进了伤口愈合病理学领域，实现了治疗模式的优化。

总之，作者的研究目标是降低临床设备的制造成本，以便在医疗体系中广泛采用。该设备平台也可能适用于其他疾病的管理，从而实现下一代闭环生物电子医学。

文献链接

Jiang, Y., Trotsyuk, A.A., Niu, S. et al. Wireless, closed-loop, smart bandage with integrated sensors and stimulators for advanced wound care and accelerated healing. Nat Biotechnol (2022). https://doi.org/10.1038/s41587-022-01528-3

原创文章，作者：火锅面，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/10/07/0332fdca89/

鲍哲南教授等人，最新Nature子刊！

相关推荐