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基于多模式可穿戴設(shè)備的“智能”繃帶可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)生理監(jiān)測(cè)和主動(dòng)干預(yù)來(lái)促進(jìn)慢性傷口的愈合。然而，在當(dāng)前智能繃帶技術(shù)中，傳感器和刺激器的結(jié)合發(fā)展依然存在挑戰(zhàn)。此外，盡管粘性電極對(duì)于穩(wěn)健的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)是必不可少的，但是現(xiàn)有粘性敷料的分離會(huì)導(dǎo)致對(duì)脆弱的傷口組織的二次損傷。

這里，斯坦福大學(xué)鮑哲南教授和Geoffrey C. Gurtner等人通過(guò)開(kāi)發(fā)一種靈活的生物電子系統(tǒng)來(lái)克服這些問(wèn)題，該系統(tǒng)由無(wú)線(xiàn)供電的閉環(huán)傳感和刺激電路組成，帶有能夠按需粘附和分離的皮膚界面水凝膠電極。在小鼠中，作者證明了該傷口護(hù)理系統(tǒng)可以連續(xù)監(jiān)測(cè)皮膚阻抗和溫度，并根據(jù)傷口環(huán)境提供電刺激。在臨床前傷口模型中，與對(duì)照組相比，治療組愈合速度快約25%，真皮重塑增強(qiáng)約50%。此外，作者觀察到單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞群中促再生基因的激活，這可能增強(qiáng)組織再生、新血管形成和皮膚恢復(fù)。

圖文解讀

圖1 用于慢性傷口管理的無(wú)線(xiàn)智能繃帶的總體設(shè)計(jì)

集成傷口管理系統(tǒng)包括一個(gè)無(wú)需電池的無(wú)線(xiàn)供電柔性印刷電路板（FPCB），用于同時(shí)進(jìn)行傷口治療和監(jiān)測(cè)；以及一個(gè)組織界面導(dǎo)電粘合水凝膠界面，用于穩(wěn)固和溫和的皮膚整合(圖1a，b)。由于FPCB的微薄特性和凝膠界面的低模量，智能繃帶是柔性的，可以舒適地附著在傷口表面(圖1c-e)。借助諧振頻率為13.56 MHz的天線(xiàn)線(xiàn)圈，該智能繃帶可以與外部射頻識(shí)別(RFID)閱讀器感應(yīng)耦合。通過(guò)射頻(RF)能量收集過(guò)程，天線(xiàn)可以提供功率以在傷口上施加電偏壓用于程序化治療，同時(shí)驅(qū)動(dòng)微控制器單元(MCU)和其他集成電路(例如，振蕩器和濾波器) ，根據(jù)ISO 15693協(xié)議通過(guò)MCU中的近場(chǎng)通信(NFC)應(yīng)答器連續(xù)監(jiān)測(cè)傷口阻抗和溫度。

圖2 無(wú)線(xiàn)傳感和刺激電路的驗(yàn)證

對(duì)于無(wú)線(xiàn)天線(xiàn)，作者設(shè)計(jì)了一個(gè)最佳電感約為1.5 μH的五匝線(xiàn)圈，提供高RF采集電壓和寬可調(diào)性，可達(dá)到13.56 MHz的諧振頻率，從而實(shí)現(xiàn)最大的無(wú)線(xiàn)通信信號(hào)增益(圖2a-c)。此外，天線(xiàn)的品質(zhì)因數(shù)(Q)約為18，這達(dá)到了能量收集效率和無(wú)線(xiàn)通信帶寬之間的平衡(圖2b)。因此，天線(xiàn)提供了15厘米寬且穩(wěn)定的無(wú)線(xiàn)通信距離(圖2c，d)。此外，該裝置功能在彎曲時(shí)也保持穩(wěn)定(圖2e)。

圖3 具有按需組織粘附和脫離的低阻抗導(dǎo)電水凝膠電極

組織界面凝膠需要具有對(duì)傷口組織的按需粘附性以在治療期間提供良好的粘附性；同時(shí)，在外部觸發(fā)(例如，溫和加熱)后容易、溫和地移除以減輕對(duì)脆弱傷口組織的二次損傷，并防止通常發(fā)生的醫(yī)用粘合劑相關(guān)皮膚損傷(圖3a)。作者通過(guò)N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM)和丙烯酰胺(AAm)的熱響應(yīng)共價(jià)網(wǎng)絡(luò)在PEDOT:PSS的物理交聯(lián)導(dǎo)電聚合物網(wǎng)絡(luò)的存在下的原位自由基聚合設(shè)計(jì)了互穿雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(圖3b)。PEDOT:PSS的引入顯著降低了界面阻抗，在整個(gè)頻率范圍內(nèi)具有約0°的相角(圖3c)。當(dāng)施加電壓脈沖時(shí)，PEDOT:PSS凝膠顯示出顯著增強(qiáng)的電荷注入能力(圖3d)，這確保了刺激從電子傳導(dǎo)電路到離子傳導(dǎo)組織的有效遞送。

除了改進(jìn)的電性能之外，PEDOT:PSS的引入還增強(qiáng)了水凝膠的機(jī)械性能。在單向拉伸試驗(yàn)下，復(fù)合凝膠可被拉伸至與對(duì)照聚-NIPAM凝膠類(lèi)似的應(yīng)變(約400%)，但具有更高的楊氏模量，從而產(chǎn)生增強(qiáng)的韌性(圖3e)。最后，作者觀察到，較低的臨界溶解溫度(LCST)轉(zhuǎn)變與凝膠粘附性的顯著變化相關(guān)，這可能是因?yàn)榫奂闹麈湶辉倌芘c外表面形成有效的結(jié)合位點(diǎn)(圖3g)。因?yàn)長(zhǎng)CST過(guò)程是可逆的，相同水凝膠的可調(diào)粘附性可以重復(fù)多次，而低溫粘附性的退化最小(圖3m)。

圖4 無(wú)線(xiàn)智能繃帶持續(xù)監(jiān)測(cè)傷口生理狀況和加速組織再生

無(wú)線(xiàn)智能繃帶能夠?qū)谶M(jìn)行主動(dòng)監(jiān)測(cè)和閉環(huán)治療以及通過(guò)促進(jìn)再生的作用模式加速愈合，該模式由參與傷口修復(fù)的細(xì)胞增殖和聚集增加來(lái)激活。這種雙模式集成推進(jìn)了傷口愈合病理學(xué)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了治療模式的優(yōu)化。

總之，作者的研究目標(biāo)是降低臨床設(shè)備的制造成本，以便在醫(yī)療體系中廣泛采用。該設(shè)備平臺(tái)也可能適用于其他疾病的管理，從而實(shí)現(xiàn)下一代閉環(huán)生物電子醫(yī)學(xué)。

文獻(xiàn)鏈接

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

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