慢性伤口愈合能力受损，严重影响患者生活质量，全球超 4000 万人受其困扰，经济负担沉重。近年来，伤口敷料和绷带发展迅速，如具备控释药物功能的水凝胶敷料、能提供电刺激的可穿戴敷料，还有利用抗生素、光热疗法等技术的敷料，这些在伤口治疗上有一定效果，但存在局限。多数敷料无法清洁和引流伤口渗出液，导致渗出液积聚，阻碍伤口愈合；而自泵式敷料虽能引流，但缺乏传感模块，难以评估伤口愈合状态。此外，现有能监测伤口 pH 的敷料，无法动态感知 pH 变化。因此，开发能动态反映伤口状态且持续引流渗出液的智能绷带指的研究。
为此，清华大学生物医学工程系王晗带领的团队就发布了相关研究成果，该成果以“Chronic wound management: a liquid diode-based smart bandage with ultrasensitive pH sensing ability”发布在《Microsystems & Nanoengineering》期刊。团队通过开发一种集成了生物相容性液态二极管膜和超灵敏3D聚苯胺网（M-PANI）基pH生物传感器的智能绷带，成功实现了伤口渗出液的单向排出和伤口pH环境的动态监测。这一成果为慢性伤口管理提供了新的解决方案，有望推动伤口护理技术的发展，并为家庭伤口管理提供了创新的方法。
本研究通过将超亲水聚醚砜（PES）膜与疏水热塑性聚氨酯（TPU）膜结合形成双层膜结构，构建出具有不对称润湿性的液态二极管。同时，通过在PES膜上丝网印刷三电极系统，并在TPU膜上进行静电纺丝，将基于超灵敏3D聚苯胺网（M-PANI）的pH生物传感器集成到液态二极管中。最终，将M-PANI固定在碳纤维纸上，形成智能绷带的传感部分（见图1d）。
该智能绷带整合了生物相容性液态二极管膜和基于超灵敏 3D 聚苯胺网（M-PANI）的 pH 生物传感器。液态二极管膜能实现伤口渗出液单向排出，防止外部液体回流，保持伤口清洁干燥；M-PANI 的 pH 生物传感器可动态感应伤口 pH 环境。如图 1a 展示智能绷带由双层膜、集成丝网印刷碳电极和便携式电化学工作站构成，工作时伤口渗出液经液态二极管接触传感器，实现相关功能。
基于 M-PANI 的 pH 生物传感器灵敏度高达 61.5mV/pH ，检测范围为 pH4.0 - 10.0，涵盖正常（pH4.5 - 5.0）和感染伤口（pH7.0 - 9.0）的 pH 范围。从图 2a - c 的开路电位 - 时间（OCPT）曲线及线性拟合可看出其性能，对应不同 pH 值的 PBS 溶液，传感器呈现良好线性关系（参考图 5：Performance characterization of the M-PANI/SPCE for pH sensing）
图2. M-PANI/SPCE 用于 pH 传感的性能表征 a M-PANI/SPCE 在 pH 从 4.0 增加到 10.0 时的开路电位 - 时间（OCPT）响应。b M-PANI/SPCE 在 pH 4.0 至 10.0 范围内的可逆性评估。c M-PANI/SPCE 的开路电位与 pH 的线性曲线拟合，范围为 4.0 至 10.0。d M-PANI/SPCE 在储存期间的稳定性评估。生物传感器在第 1 天、第 3 天、第 7 天、第 28 天从 4°C 冰箱中取出，使用不同 pH 值的 PBS 通过 OCPT 测量研究其性能。e M-PANI/SPCE 在连续使用下的稳定性评估。f 在使用 0 小时和 48 小时后，M-PANI/SPCE 在不同 pH 值（4.0 至 10.0）下的 OCPT 响应。g 循环伏安曲线和 h 峰值氧化电流直方图，说明 M-PANI/SPCE 的批间差异。i 在 pH 7.5 的 PBS 和 pH 8.0 的 DMEM 中加入 110mM 葡萄糖、55mM KCl、0.4ng/mL cTnI 以及上述干扰物的混合物，对 M-PANI/SPCE 进行选择性测试。误差条表示平均值的标准误差（N=3）
传感模块稳定性优异，48 小时动态测试和 28 天储存后，检测信号仅下降 4.8%；重复性高，设备间相对标准偏差（RSD）为 3.1%。图 2d 展示了 28 天储存期内不同时间的 OCPT 响应变化，体现稳定性；图 2g、h 通过对多个 M-PANI/SPCE 在 0.5M H2SO4溶液测试，得出 RSD体现重复性。
为评估智能绷带实用性，研究采用模拟皮肤和大鼠进行测试。在大鼠实验中，对圆形全层皮肤伤口（直径 0.8cm）使用智能绷带和传统纱布对比，结果显示智能绷带能减少渗出液积聚和敷料粘连，加速伤口愈合。图 3d、e 展示伤口愈合过程中面积变化，智能绷带组恢复率更高；图 7f 通过组织染色，表明智能绷带不干扰真皮层修复且促进新生血管形成，体现其临床应用潜力。
图 3：智能绷带的临床前动物测试 a 从第 0 天到第 12 天动物实验工作流程的示意图。b 展示智能绷带在大鼠上应用的实物图像。c 换药过程中拍摄的实物图像。上面的伤口用所提出的智能绷带覆盖，无粘连，而下面的伤口用纱布覆盖，去除时显示明显粘连。d 每只大鼠两侧圆形伤口的面积（N=3）。插图显示圆形伤口在第一天的恢复率。e 一系列显示纱布组和智能绷带组伤口面积随时间变化的图像。f 从正常皮肤、用传统纱布恢复的皮肤和用所提出的智能绷带恢复的皮肤在 11 天后收获的皮肤组织的代表性横截面组织学图像。上面的图像是苏木精 - 伊红（H&E）染色，下面的图像是 Masson 三色染色。比例尺bar=0.5mm
综上所述，本研究成功开发了一种基于液体二极管的智能绷带，集成生物相容性液体二极管膜和超灵敏 3D 聚苯胺网 pH 生物传感器，实现伤口渗出液单向引流和 pH 环境动态监测。其传感器性能优异，在模拟皮肤和大鼠实验中展现出良好的临床应用潜力。该智能绷带不仅为慢性伤口管理提供了创新方法，满足了先进伤口护理需求，推动伤口护理领域的发展，还有助于降低患者痛苦和医疗成本，且其组件在其他领域也有拓展应用潜力，对个性化健康管理和精准医疗意义重大。
文章来源：https://doi.org/10.1038/s41378-024-00801-6
