Adv. Sci. | 用于闭环原位伤口管理的无线智能贴片

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前言

伤口感染是一个重大的医疗保健问题，影响着全球数百万患者的健康。有效的干预和现场检测对伤口管理非常重要。

然而，目前的方法受到耗时的分析和缺乏实时监测和及时治疗的技术的阻碍。来自中山大学深圳校区生物医学工程学院的团队介绍了一种用于无线闭环和原位伤口管理的智能伤口贴片系统 (Smart Wound Patch System，SWPS)。SWPS 集成了微流体结构、基于有机电化学晶体管 (OECT) 的传感器、电刺激模块和微型柔性印刷电路板 (FPCB)。OECT 结合了细菌响应 DNA 水凝胶涂层门，用于持续监测伤口部位的细菌毒力。

通过与 FPCB 相连的手机应用程序，可以实时检测 OECT 读数并按需提供电信号以加速伤口愈合，FPCB 包含配备并行传感和刺激电路的低功耗电子设备。在这项概念验证研究中，验证了 SWPS 的功能并展示了其在体外和体内的应用，系统扩展了有效伤口管理的工具库并实现了个性化治疗。详细工作于6月3日报道在了《Advanced Science》杂志。

SWPS的设计

a. 用于无线、连续和闭环伤口管理的智能伤口贴片系统 (SWPS) 示意图。

b. 图像显示 SWPS 的分解视图，包括硅胶封装层、FPCB 层、OECT 层和微流体层。该设备最终封装在硅胶中。

c. 照片显示 SWPS 在运动过程中牢固地粘附在肘部和膝盖上。

FPCB模块的设计

a. FPCB 的顶视图和底视图，显示 SoC、天线、放大器、电流源、电源管理和传感器连接器。

b~d. 展示FPCB 的灵活性

e. 显示 SWPS 关键组件的框图，包括蓝牙低功耗电子设备、水凝胶传感器和电刺激 (ES) 电极。

f. SWPS 中蓝牙信号的接收信号强度 (RSS) 分析，显示在 50 m 距离内可靠的无线通信。

g. 代表性 I/T 曲线显示了高模数转换器 (ADC) 采样能力，可精确区分微安级电流。

h. 代表性 V/T 和 I/T 曲线显示了 FPCB 中的信号生成模块为进一步的 ES 提供的精确电压和电流。

DNA水凝胶和微流体层的特征

a. DNA水凝胶（DNAgel）的合成。

b. DNase诱导的DNAgel消融。

c. 暴露于0.1 U mL −1 DNase I时DNAgel形状的变化。成像间隔为20分钟。

d~e. 暴露于（d）和未暴露于（e）DNase I（0.1 U mL −1 ）时DNAgels（smDNA交联率从4到12 wt.％不同）的相对体积变化。

f. 暴露于DNase I之前和之后电极（有或无DNAgel涂层）的电化学阻抗谱（EIS）分析。GCE表示裸露的玻碳电极（蓝色）；在暴露于 DNase I 之前（橙色）、30 分钟（灰色）和 60 分钟（黄色）之后，对 DNAgel 涂层的 GCE 进行了分析。频率范围为 0.1–100 kHz，直流 (DC) 电位为 0.2 V，交流 (AC) 幅度为 5 mV。

g. 微流体结构示意图由三层薄层柔性图案化聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 构成。

h~i. 显示了伤口渗出液（蓝色染料）的收集及其与 DNA 水凝胶的相互作用。

水凝胶门控 OECT 用于伤口感应的体外验证

a. 示意图，说明水凝胶门控 OECT 的工作原理。

b~c. DNA 水凝胶门控 OECT 的电气特性，包括暴露于 PBS（初始和 20 分钟后）和 0.1 UmL-1的 DNase I 时的代表性传输曲线Ids-Vg，(b) 和时间依赖性Ids曲线 (c) 。Vg范围从 0.1 到 0.75V且Vds设定为 0.1 V (b) 的传输特性。将Vds和Vg均设定为0.1V(c)，捕获时间依赖性Ids响应。

d. 以20分钟为间隔评估I ds与其基线的归一化瞬态偏差。

e. 对 PBS 中不同浓度的金黄色葡萄球菌（S. aureus ）悬浮液的OECT 读数（I ds偏差）进行量化。

f. 对各种化学物质的OECT读数进行量化，包括DNase I（0.1 U mL-1）、葡萄糖（Glu，5 mm）、尿酸（UA，300µm）、乳酸（LA，10 µm）和牛血清白蛋白（BSA，15 mm）。

g. 对各种细菌的OECT读数进行量化，包括金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌（S. epidermidis）、大肠杆菌（E. coli）、铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）和痤疮丙酸杆菌（C. acnes）。测试细菌的浓度为106 CFU mL-1。

h~i. OECT结构在反复弯曲（h）和扭曲（i）下的传输特性。双尾配对学生t检验，n = 5，从五个设备收集；NS，不显著，*** p < 0.001；误差线表示标准差。

使用 SWPS 进行体内伤口处理

a. SWPS 用于伤口处理的示意图。

b. 带有 SWPS 的自由活动大鼠的照片。

c. 1 小时内使用和不使用 SWPS 的大鼠的移动轨迹。

d. 伤口闭合的照片显示 9 天内未经 (对照) 和经电刺激 (ES) 治疗的伤口再生进展。e. 对金黄色葡萄球菌在伤口部位定植后四天内 OECT 读数的定量研究。

f. 比较对照组和经 30 分钟或 1 小时电刺激的 ES 组之间的标准化伤口面积变化。

g. 代表性图像显示大鼠的 Masson 三色染色皮肤组织样本。

h. 用 HE 和 Masson 三色染色的肉芽组织切片 (g 中的虚线框) 显示炎症细胞和胶原纤维的分布。

i. 对照组和 ES 组肉芽组织中炎症细胞的量化 (每 100 000 µm2)。配对样本t检验，n = 5；NS，不显著，*p<0.05，***p<0.001；误差线表示标准差。

结论

在本研究中，作者团队开发了一种能够无线、闭环、原位管理慢性伤口的 SWPS。这种集成式可穿戴系统结合了微流体结构、基于 OECT 的生物传感器、ES 策略和灵活的电子技术，可实现原位伤口感染监测和及时治疗。使用 SWPS 成功实现了体外和体内环境中细菌毒力的实时监测。此外，通过将 SWPS 技术与编程电信号相结合，证明了 SWPS 技术在体内加速伤口愈合方面的可行性。

由于读出仪器和模块集成的复杂性，直接监测伤口部位的细菌毒力仍然具有挑战性。为了解决这个问题，我们采用了基于 DNAgel 的 OECT 传感器来原位监测细菌毒力。由于采用 OECT 组装，其设备检测限较低。此外，与需要冷热循环条件的物理交联相比，本研究中引入的交联方法不涉及此类实验条件，并且可以通过共价键提供更稳定的水凝胶网络。因此，本文OECT 设备的制造和存储相对经济高效且简单。该策略避免了对复杂读出仪器的需求，实现了低成本的系统设计和制造，并显着提高了传感器灵敏度。为使用可编程水凝胶原位检测其他微生物标记物铺平了道路。

虽然伤口监测和治疗平台已经取得了重大进展，但现有的大多数方法仅侧重于检测或治疗。此外，目前的伤口管理系统面临着与伤口感染的可控性和可视化相关的挑战。为了解决这些问题，我们在 SWPS 中集成了电路设计与具有直观人机交互的手机应用程序。这种组合可以实时监测感染，并可以根据患者的个人需求定制可编程电疗。

作为一项概念验证研究，本文最后展示了 SWPS 技术在啮齿动物伤口闭环管理中的功能。事实上，仍存在需要改进的领域。例如，集成更先进的微流体结构或微针阵列用于可编程药物输送将显著增强动物的生化治疗。此外，还需要进行多项进一步的深入研究，包括生物相容性测试、长期评估和非啮齿动物和灵长类动物的疗效评估。

▼原文文献

Z. Liu, H. Song, G. Lin, W. Zhong, Y. Zhang, A. Yang, Y. Liu, J. Duan, Y. Zhou, K. Jiao, D. Ding, Y. Feng, J. Yue, W. Zhao, X. Lin, Wireless Intelligent Patch for Closed-loop In Situ Wound Management. Adv. Sci.

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编译 | 刘帅

来源 | Advanced Science

审核 | 医工学人

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