Nat Biotechnol | 鲍哲南等开发集成无线传感和刺激的智能创可贴助力慢性伤口愈合
对于医疗保健系统来说，慢性伤口管理是一个巨大的医疗负担。每年在美国就有多达600万名患者，由于多种身体慢性基础疾病导致伤口无法最终自然愈合，需要长期忍受无法愈合的慢性伤口所带来的组织感染，功能障碍，甚至其他严重并发症引起致死/致残。
面对慢性伤口管理这一巨大医疗挑战，目前的临床标准治疗方案依然是基于绷带/纱布等传统的伤口敷料。虽然目前有一些其他方案，比如引入生长因子，细胞外基质，人造皮肤，负压疗法等，这些方法都无法彻底解决复杂的慢性伤口问题。而基于可穿戴设备的智能创可贴则可以集成多种生理学传感器和治疗设备，根据实时检测的伤口状态主动加以治疗，从而达到自主闭环伤口管理的理想效果。
然而，现有的智能创可贴技术在同时集成传感和治疗功能方面还没有很大进展，其在临床相关的疾病模型的效果和机理也没有深入的研究。此外，由于伤口自身非常娇弱的特性，除了确保电路和组织间能有稳固的信号/能量传递，人们同时还需要根据特殊的应用场景，设计出安全可靠的皮生物电子界面。
2022年11月24日，美国斯坦福大学化工系的鲍哲南和Geoffrey Gurtner团队在Nature Biotechnology杂志在线发表了论文Wireless, closed-loop, smart bandage with integrated sensors and stimulators for advanced wound care and accelerated healing，展示了两个实验室合作开发的集成了无线传感和刺激的智能创可贴在慢性伤口管理和组织再生中的应用，并系统研究了电击加速愈合背后的分子生物学机理。
在这篇工作中，作者们设计了一个微型化的柔性电路板（总共约100微米厚），包括基于13.56 MHz谐振频率的能量收集天线，单片机和其他信号产生和处理电路。整个器件可以实现双通道连续测量伤口的阻抗和温度信息，并且通过NFC近场通讯技术可以实时发送给电脑或手机。同时，该设备还具有闭环发送程序可控电刺激的功能，从而实现对于慢性伤口的同时传感和治疗。
为了确保电路和组织间有效的能量传递和信号交换，作者们设计了一个基于聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）的低阻抗高粘性的水凝胶电极。相比于传统的离子导电凝胶，PEDOT:PSS所独有的离子-电子双导体性质可以确保在整个频率范围内的低阻抗和高电荷注入容量。而为了解决现有医用粘胶在剥离时由于应力过大导致的二次伤口损伤，本文中作者引入了拥有温控可逆相变的聚 (N-异丙基丙烯酰胺) 骨架。作者随后展示了这一新型生物电子界面在体温（37 oC）时巨有极大的皮肤粘性，可以保持长期稳定的电极接触。而在略微提升的温度下（40 oC）,该凝胶则会完全丧失粘性，可以被轻松得从皮肤上取下，而不会引入任何额外的张力。
在多个临床前动物模型中（整皮切除，烧伤，糖尿病伤口，细菌感染等），作者们展示了轻薄的智能创可贴可以稳定得附着在小鼠皮肤表面，而不会影响其正常运动。同时，无线传感器可以持续检测皮肤的生理学状态（阻抗和温度），并且可以控制发送电学刺激信号来促进伤口愈合，新血管形成，和皮肤组织再生。在有伤口感染情况时，阻抗和温度传感器可以在临床上肉眼可见的症状出现前就定量判定感染情况，并且自动开始电击治疗杀菌，以闭环控制方式避免伤口感染后的复杂情况。
最后，为了理解前文所观察到的伤口加速愈合背后的分子机制，作者们利用单细胞测序技术对治疗后的伤口组织进行了深入的研究。指的一提的是，由于智能创可贴的轻薄无线特征，作者们得以使用复杂的连体共生模型来观察电击过程对于以往很难研究的、在血液中循环的免疫细胞的影响。在分析单细胞测序结果后，作者发现在所有免疫细胞中，巨噬细胞在电击情况下，有最多种基因出现了统计学显著的表达差异。在电击治疗组中，作者也找到了一系列会促进组织再生的基因的上表达，尤其是关于激活M2巨噬细胞的标志物。最后，通过流式细胞仪和免疫荧光染色，作者进一步在蛋白表达层面确认了电击对M2巨噬细胞的激活作用，从而揭示了电击治疗对促进伤口愈合和组织再生的积极作用。
本文共同第一作者为斯坦福大学化工系博士后蒋圆闻，斯坦福大学生物工程系博士Artem Trotsyuk，斯坦福大学化工系博士后牛思淼。
来源：BioArt
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