西工大黃維院士團(tuán)隊(duì)李鵬教授、王騰蛟副教授 Mater. Horiz.：糖尿病傷口生理信號監(jiān)測功能可粘附/自愈合/抑菌智能柔性敷料
糖尿病及其并發(fā)癥是全球衛(wèi)生系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)，其中糖尿病傷口具有持續(xù)高血糖、血管生成減少、炎癥反應(yīng)上調(diào)等特點(diǎn)，導(dǎo)致創(chuàng)面愈合困難。更嚴(yán)重的是，糖尿病傷口被細(xì)菌污染、定植造成感染后，會(huì)延長傷口炎癥期，阻礙傷口愈合。利用柔性電子材料監(jiān)測及治療糖尿病傷口是解決這些問題的可行方案之一。然而，已報(bào)道的促糖尿病傷口愈合功能柔性電子材料性能仍有待提高，例如易受外部應(yīng)力破壞、對皮膚的粘附能力不足，以及缺乏必要的抑菌性能，都限制了它們在糖尿病傷口治療中的應(yīng)用。此外，鑒于糖尿病傷口復(fù)雜病理特征，亟需開發(fā)具有良好皮膚粘附性、自愈合性及抑菌性的智能柔性敷料，實(shí)現(xiàn)糖尿病傷口的pH、血糖濃度、體溫等非電生理信號以及糖尿病患者電生理信號的及時(shí)監(jiān)測，對于輔助醫(yī)護(hù)人員長期管理糖尿病患者的健康狀況具有重要意義。
近日，西北工業(yè)大學(xué)柔性電子研究院黃維院士團(tuán)隊(duì)李鵬教授、王騰蛟副教授開發(fā)了一種具有皮膚粘附及自愈合功能的糖尿病傷口智能柔性敷料，能夠監(jiān)測糖尿病傷口的血糖、pH、體溫等生理非電信號及糖尿病患者心電、肌電、腦電等生理電信號（圖1）。該智能柔性敷料的襯底材料通過含脲基嘧啶酮等單體的自由基共聚合制備，其豐富的氫鍵、離子間作用力及陽離子鏈段，賦予了材料良好的皮膚粘附、自愈合及本征抑菌特性。
圖1 智能柔性敷料襯底結(jié)構(gòu)及使用示意圖
智能柔性敷料的皮膚粘附性可以保證柔性器件與皮膚的充分接觸，提升器件對生理信號監(jiān)測的準(zhǔn)確性。本文中，智能柔性敷料柔性襯底（PADU）設(shè)計(jì)采取多重氫鍵的濕粘附機(jī)制來提升材料對皮膚等組織表面的粘附作用（圖2）。其中PADU襯底對糖尿病和健康小鼠皮膚均表現(xiàn)出良好的粘附性，粘附強(qiáng)度超過13 kPa，表明PADU適合作為智能柔性敷料的襯底，以保證敷料與皮膚的緊密貼合。
圖2 智能柔性敷料襯底的粘附性能表征
糖尿病傷口智能柔性敷料通過在PADU襯底表面集成葡萄糖、pH、溫度傳感器來制備。在葡萄糖記錄實(shí)驗(yàn)中，首先測試了不同掃描速率下的循環(huán)伏安曲線。從圖3中可以看出，各掃描速率下的循環(huán)伏安曲線形狀幾乎一致，且清晰地顯示出氧化還原峰，表明電極處發(fā)生了電化學(xué)過程。然后測試了智能柔性敷料在0.1 M PBS緩沖液中不同濃度葡萄糖溶液下的循環(huán)伏安曲線和電流-時(shí)間曲線，以評價(jià)智能柔性敷料對不同濃度葡萄糖的響應(yīng)（圖3b、3c和3d）。隨著葡萄糖濃度的增加，氧化還原峰的電流逐漸增大，峰的位置向增加電位的方向移動(dòng)（圖3b）。統(tǒng)計(jì)分析表明，電流強(qiáng)度與葡萄糖濃度在1 ~ 30 mM范圍內(nèi)呈明顯的線性函數(shù)關(guān)系（圖3c, R2 = 0.9992）。這些結(jié)果表明智能柔性敷料具有通過記錄電流強(qiáng)度來記錄葡萄糖濃度的能力。通過測量開路電位（OCP）評估了智能柔性敷料對不同pH值的響應(yīng)（圖3f）。如圖3g所示，在pH值為4~7時(shí)，OCP-pH曲線呈良好的線性函數(shù)關(guān)系（R2 = 0.9967）。結(jié)果表明，智能柔性敷料可以通過測量OCP來記錄pH值。溫度傳感器在變溫條件下進(jìn)行了測試。如圖3h記錄了智能柔性敷料電阻隨溫度變化而變化，證明智能柔性敷料能夠快速、可靠地實(shí)時(shí)響應(yīng)18.8℃至40.0 ℃的溫度變化（圖3h）。統(tǒng)計(jì)分析也證明了傳感器的響應(yīng)與溫度之間存在很好的線性函數(shù)關(guān)系（圖3i, R2 = 0.9980）。結(jié)果表明，該智能柔性敷料可以將電阻變化轉(zhuǎn)化為溫度變化，從而記錄溫度變化。該智能柔性敷料能快速可靠地記錄葡萄糖、pH值和溫度，適合實(shí)時(shí)記錄傷口愈合情況。
圖3 智能柔性敷料記錄葡萄糖、pH值和溫度水平
智能柔性敷料對糖尿病患者的電生理信號監(jiān)測具有重要意義，可以對糖尿病患者異常電生理信號波動(dòng)進(jìn)行預(yù)警。作者通過在PADU襯底印制金箔電極，實(shí)現(xiàn)對患者心電信號（ECG）、肌電信號（EMG）、腦電圖（EEG）等電生理信號的采集。如圖4a所示，在靜態(tài)狀態(tài)下，智能柔性敷料的心電圖采集與醫(yī)用電極一致，存在一個(gè)代表性的心電波形周期。然后采集不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的心電圖。結(jié)果表明，智能柔性敷料無論在運(yùn)動(dòng)、扭曲、拉伸下均能穩(wěn)定采集心電，而商用電極采集的心電質(zhì)量明顯下降（圖4b）。這是由于PADU的良好粘附性，智能柔性敷料可以緊密貼合皮膚，使其適合于獲取運(yùn)動(dòng)中的ECG。測試了不同狀態(tài)下智能柔性敷料的靈敏度和信噪比。在所有狀態(tài)下，智能柔性敷料的靈敏度都明顯優(yōu)于商用電極，扭曲和拉伸下的信噪比也優(yōu)于商用電極（圖4c）。握拳時(shí)腕屈肌收縮并產(chǎn)生肌電圖。因此，用這種方法測試了智能柔性敷料收集肌電圖的能力。如圖4d所示，在握住不同重量的握力器時(shí)，收集得到了不同強(qiáng)度的肌電圖。當(dāng)握力從5 kg增加到15 kg時(shí)，繃帶測得的肌電振幅從0.082 mV增加到0.226 mV，說明握力越大肌肉收縮越強(qiáng)，肌電越強(qiáng)。同樣，智能柔性敷料也可以收集不同細(xì)微肌肉運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的肌電圖，如放松、拉伸、握緊，產(chǎn)生不同的信號（圖4h）。同時(shí)對智能柔性敷料進(jìn)行了EEG采集檢測。成人自發(fā)性腦電波以8 ~ 12 Hz的α波為主，閉眼時(shí)波幅最高，睜眼后波幅明顯下降。如圖4f和4g所示，在睜眼/閉眼模式下，智能柔性敷料采集的腦電圖在8-12 Hz范圍內(nèi)顯示出明顯的α波，與商用電極采集的波形和幅度相當(dāng)。當(dāng)人腦視覺皮層接收到固定頻率的視覺刺激時(shí)，會(huì)在刺激頻率的基頻或多頻處產(chǎn)生連續(xù)的反應(yīng)，這種集中的反應(yīng)我們稱之為穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位（SSVEP）。如圖4i和4j所示，曲線在各自的刺激頻率下呈現(xiàn)出明顯的響應(yīng)峰。智能柔性敷料采集的腦電圖波形、響應(yīng)峰位置及峰值與商用電極相似，表明該智能柔性敷料采集的腦電圖質(zhì)量與商用電極相當(dāng)。以上結(jié)果證明，智能柔性敷料可以用于監(jiān)測心電、肌電和腦電等電生理信號，有助于臨床輔助糖尿病患者健康狀況的長期管理。
圖4智能柔性敷料監(jiān)測電生理信號
該工作以“Skin-Adhesive and Self-Healing Diagnostic Wound Dressings for Diabetic Wounds Healing Recording and Electrophysiological Signal Monitoring”為題發(fā)表在Materials Horizons上。西北工業(yè)大學(xué)柔性電子研究院黃維院士，李鵬教授和王騰蛟副教授為論文的通訊作者。西北工業(yè)大學(xué)柔性電子研究院博士研究生侯子碩，碩士研究生王雷為共同第一作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、陜西省杰出青年科學(xué)基金、陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和重慶市自然科學(xué)基金等的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D3MH02064A
