哈尔滨工业大学任玉坤教授团队Advanced Materials：用于渗出液管理和慢性伤口按需治疗的无线闭环智能敷料

导语

各种慢性疾病的患病率正逐年增加，由此引发的压疮、糖尿病足、下肢静脉性溃疡等慢性创面也呈现出高发病率，造成身体上的不适与痛苦。另外较为常见的是多种创伤、烧伤、烫伤、细菌感染伤口、术后创口不愈合等所致的慢性伤口。这些大幅增加的经久不愈的慢性伤口病历正在危害人们身心健康、降低生活和生存质量及增加社会医疗保障负担。

有鉴于此，哈尔滨工业大学任玉坤教授团队在该领域开展了研究，报道了一种由伤口渗出管理、传感器监测、闭环治疗和柔性电路模块组成的可穿戴式智能伤口敷料。相关成果在线发表于Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202304005）。

前沿科研成果

用于渗出液管理和慢性伤口按需治疗的无线闭环智能敷料

图1.智能伤口敷料的设计、结构和操作概述（图片来源：Advanced Materials）

该智能伤口敷料可实现伤口渗出管理和按需伤口治疗之间的有效协同，它由两部分组成：一、伤口贴片；二、配备近场通信(NFC)天线的柔性电路，如图1所示。整个器件采用模块化设计方案，其中伤口敷料为可更换部件，柔性电路和电源为固定部件。三部分通过排线卡扣连接，柔性电路和电源可重复使用，减少了使用成本。针对不同的伤口大小，设计并制作了直径10-30mm的伤口敷料用于治疗。温敏水凝胶微球可以装载各种抗生素、透明质酸钠、生长因子，用于慢性伤口的治疗，针对伤口愈合的不同时期具有普适性。

图2.伤口渗出液处理的自泵送和微流体储存功能（图片来源：Advanced Materials）

伤口贴片的伤口渗出液管理模块可实现渗出液的自泵送和储存，如图2所示。伤口渗出液可以通过这些处理过的通孔进入软微流体系统存储区域。周围疏水PDMS层限制了伤口渗出液向四周扩散流动，从而确保渗出液大部分流入微流体收集层进行存储。

图3.液态金属加热线圈的设计与功能（图片来源：Advanced Materials）

传感模块可以同时检测伤口的温度和湿度，通过连接外部的NFC集成电路传输到智能手机。同时，将分析的结果反馈到驱动微控制器单元（MCU）实现药物的按需释放。通过电压控制液态金属加热电路，实现热敏水凝胶微球按需释放药物，如图3所示。使用液态金属作为加热电路，使伤口贴片灵活，可拉伸，更舒适。

图4.温敏水凝胶微球实现按需药物释放（图片来源：Advanced Materials）

聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）热敏水凝胶由于体积热敏特性，已被广泛用作受控药物递送的载体。微流体乳化法是生产PNIPAM微粒的好方法。在玻璃毛细管中，通过外相流体对内相流体的剪切形成不同直径的液滴。生成的液滴在特氟龙管中输送的过程中施加紫外光照，同步固化形成PNIPAM水凝胶微球。利用异丙醇和去离子水将水凝胶微球从油相中分离并冷冻干燥。每次使用之前，将干燥的微球在药液中浸泡24h，并将热响应颗粒包覆在海藻酸钙水凝胶层中，如图4所示。通过控制液态金属线圈的通断电来实现敷料中温敏水凝胶微球的药物热释放功能。

图5. 智能伤口敷料促进小鼠感染伤口愈合（图片来源：Advanced Materials）

此外，伤口贴片的模块化设计可以降低更换组件的成本，适应不同的伤口尺寸。通过集成NFC天线，柔性电路允许通过电感耦合传输数据。此外，还开发了具有图形用户界面的APP，以实现数据的记录，分析和可视化以及控制药物释放过程。最后，通过小鼠伤口感染模型验证，闭环智能伤口敷料可以连续监测温度和湿度信息，并根据伤口情况提供按需给药反馈治疗，在加速伤口愈合、促进组织再生、促进胶原沉积等方面发挥重要作用，如图5所示。此外，这种智能伤口敷料可以与其他传感器和药物输送系统组合或集成，为慢性伤口治疗的可穿戴敷料提供一种全新思路，在可穿戴医疗器械领域具有重要应用前景。

总结

研究团队设计并制作了一种能够管理伤口渗出物，以及监测伤口温湿度信息并通过智能手机反馈按需热释药的智能伤口敷料，来实现慢性伤口的治疗。通过将自泵送微流体通道、温湿度传感器、液态金属加热线圈、载药温敏水凝胶集成到一个可穿戴伤口敷料中，以及具有NFC功能的柔性电路系统设计和智能手机可视化界面，智能伤口敷料实现了（1）伤口渗出物的自泵送和存储，（2）伤口温湿度信息监测和闭环反馈治疗，以及（3）模块化组装和对不同伤口大小的适应性。所设计的伤口敷料具有一定的抗菌性能和良好的生物相容性。小鼠伤口模型动物试验的数据表明，智能伤口敷料在减少炎症反应、加速伤口愈合进程、促进再上皮化和胶原蛋白沉积方面具有重要作用。

该工作以“Wireless and Closed-loop Smart Dressing for Exudate Management and On-demand Treatment of Chronic Wounds”为题发表在Advanced Materials上（DOI: 10.1002/adma.202304005）。哈尔滨工业大学博士研究生葛振友为该论文第一作者，哈尔滨工业大学陶冶副教授、李钰教授和任玉坤教授为该论文共同通讯作者。该研究获得国家级青年人才项目、国家自然科学基金、哈工大“理工医交叉研究项目”等经费支持。

课题组简介

任玉坤教授课题组基于十五年的微流控与机械设计研究积累，主要开展面向人民生命健康与国家重大需求的应用基础科学研究工作，在微流控医工交叉装备及系统领域开展了深入研究。详见课题组主页：http://homepage.hit.edu.cn/renyukun

教授简介

团队负责人任玉坤教授为哈尔滨工业大学长聘教授/博导，国家级青年人才，哈尔滨工业大学青年科学家工作室负责人，机械设计系副主任（主管研究生工作），作为第一完成人获黑龙江省自然科学二等奖、黑龙江省教育厅自然科学一等奖、黑龙江省博后青年英才计划、哈工大青年拔尖人才计划支持等，入选2020、2021、2022爱思维尔中国高被引学者（机械工程），2021年全球顶尖前十万科学家。以第一/通讯作者，在国内外著名期刊发表SCI学术论文近百篇，谷歌学术H系数29，i10系数85，担任中国力学学会微纳尺度流动专业组委员、国际期刊《Electrophoresis》编委、《应用力学学报》青年编委、国家自然科学基金重点、面上及青年项目的评审专家、教育部学位委员会学位论文评审专家。

邀稿

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