水凝胶基多功能诊疗贴片，用于糖尿病伤口的实时监测和按需治疗

MEMS 2024-03-07 00:02

无法愈合的慢性伤口对公共卫生构成重大挑战，特别是在糖尿病的情况下。受高血糖的影响，糖尿病患者伤口愈合受损、炎症延长、上皮动力学降低，很大程度上会导致慢性创伤的产生，严重者将引发截肢甚至是死亡的发生。伤口愈合是一个动态且复杂的过程，特异性实时监测伤口，及时诊断，并调整治疗方案，以满足糖尿病慢性伤口患者的复杂需求，仍然是慢性伤口监护领域的重大挑战。尽管目前已存在许多关于刺激响应型多功能聚合物材料的伤口贴片研究，但此类贴片仍存在无法提供伤口愈合的实时信息，易受环境干扰，释药量不准确等问题，阻碍了伤口的个性化精准有效的治疗。

为解决上述问题，中山大学蒋乐伦/易长青教授团队联合以色列理工学院Hossam Haick提出了一种新的基于聚合物水凝胶的糖尿病伤口多功能诊疗贴片，旨在解决伤口实时监测和按需治疗的关键需求，促进糖尿病患者慢性非愈合伤口的最佳愈合。该贴片采用了多功能和电响应的聚合物材料，利用智能水凝胶和可穿戴生物电子设备的交叉结合来促进糖尿病伤口按需管理。智能多功能水凝胶（MFCPH）是这一创新设计的核心，具有高载药率、导电性和抗菌能力等特性，为伤口愈合创造了有利的环境，通过电化学检测技术可连续监测伤口部位葡萄糖和pH值水平，并根据伤口状况通过离子导入和电刺激提供个性化精准治疗。这项工作结合了智能多功能聚合物材料和电控治疗方法，为慢性伤口管理的创新方法提供了新思路。

该工作以“Polymer Hydrogel-Based Multifunctional Theranostics for Managing Diabetic Wounds”为题近期发表在《Advanced Functional Materials》期刊上。中山大学深圳校区生物医学工程学院硕士生龚霞，博士生郑颖和南华大学电气工程学院杨健副教授为论文的共同第一作者，蒋乐伦教授，易长青教授，以色列理工学院的Hossam Haick教授为论文的共同通讯作者。

针对糖尿病创面的闭环给药，研究人员研制了一种无线伤口诊疗管理系统。该系统主要由定制的智能手机App、可穿戴电子设备和诊疗贴片组成（图1）。这种创新的伤口治疗系统的一个吸引人的特点在于智能多功能水凝胶（MFCPH）与可穿戴生物电子设备的集成。此外，研究人员开发了一种双电化学生物传感平台，用于实时和同时检测伤口pH和葡萄糖水平。装载胰岛素的MFCPH与一对离子电泳电极结合，根据伤口部位pH和葡萄糖水平，用于电控按需胰岛素给药以及施加电刺激。

图1 一种用于糖尿病伤口处理的无线诊疗系统

集成的诊疗贴片包括柔性电极阵列层、防渗环和载药MFCPH。柔性电极阵列层可对pH、葡萄糖浓度进行连续监测。pH传感电极在3 ~ 9的pH值范围内表现出了阶跃电压响应，pH的灵敏度为-61.7 mV/pH，线性良好，具有可逆pH值的检测能力及特异性。葡萄糖传感器对葡萄糖具有良好的响应，动态线性范围为0 ~ 14 mM，灵敏度为0.48 μA/mM，同样也具备良好的检测特异性。MFCPH是通过在聚丙烯酰胺水凝胶网络中引入导电聚合物PDA-PPy纳米原纤维来开发的。这些亲水性纳米纤维，由纳米颗粒原位形成，与水凝胶基质结合形成纳米网，允许更均匀的电刺激，药物递送和可见光通过。

图2 诊疗贴片的制备及表征

载药MFCPH具备伤口可视化的能力，高剂量载药能力（85.8 ± 3.6%），良好的导电性（电导率1.6 S/m）、电控释药能力、长期使用的无毒性和广谱抗菌性能。糖尿病大鼠在体闭环伤口管理实验表明，诊疗贴片可以对伤口部位的葡萄糖浓度水平进行8小时的连续监测，与商业化的血糖仪检测的数据高度一致。同时，当伤口部位葡萄糖浓度过高时，诊疗贴片可以通过离子导入对MFCPH的胰岛素进行按需电控释放，将葡萄糖浓度降低至正常水平。此外，使用该诊疗贴片进行伤口管理的糖尿病大鼠的伤口愈合速度最快 (10天内愈合率达93.8%)，愈合效果最佳，明显优于其他组。因此，该系统提供了一种精确有效的方法来加速糖尿病伤口的愈合，同时抑制细菌感染，从而实现智能伤口管理。