可生物降解的绷带和传感器促进可持续监测和治疗

NORTHWESTERN UNIVERSITY

伊利诺伊州埃文斯顿西北大学和英国布莱顿苏塞克斯大学的研究人员创造了新的环境可持续设备的原型，这些设备可以监测血压和心跳，或治愈糖尿病溃疡等持续性疾病。

这些设备也远比概念验证阶段先进；西北大学的研究人员开发了一款性价比高、易于使用、适应性强、舒适的新型电子绷带，能够有效加速伤口愈合，有助于防止糖尿病患者的伤口感染和进一步的并发症。西北大学高级再生工程中心主任Guillermo Ameer表示，它可能在一年至18个月内准备好进行人体试验。绷带由两个小钼电极组成，连接到一个无电池的电力采集单元和一个近场通信模块，该模块与智能手机或平板电脑中的控制软件通信。

在《科学进展》杂志上发表的一项针对糖尿病小鼠的研究中，西北大学的Guillermo Ameer 教授与John Rogers教授合作，发现该设备的愈合速度比使用普通绷带的对照组快30%。John Rogers教授是生物电子学先驱，他在2018年首次提出了生物可吸收电子医学的概念。

该设备的工作原理是将小电流从位于伤口周围的外部环形电极传输到位于伤口顶部的直径约120微米的内部花朵状电极。（这项小鼠研究使用了大约1伏的电流，Ameer说，这可能会在即将对大型动物进行的研究中发生变化。）电流刺激健康的皮肤再生，其进展通过电极之间的电流差来衡量。随着伤口的愈合和干燥，电流差会减小。

也许该设备最引人注目的元素是内部电极。当伤口愈合时，再生的皮肤在电极上生长并完全吸收。外环电极和配套的电源和通信单元可以从内电极上拆卸。小鼠研究结果显示，体内钼浓度在22周内恢复到与对照组相似的水平。

Ameer说，如果他和他的同事认为这不安全，他们就不会推进这个想法。

“这是一个风险/收益问题，就像任何其他药物或医疗设备一样，”他说，“它是为一个月左右没有愈合的伤口设计的，容易感染，从而导致并发症和截肢。愈合后，皮肤会在剩余的电极上生长，你预计随着时间的推移，电极会被吸收。你可以向患者解释这一点，他们和医生可以做一个信息决定。”

他说，这项技术可能对身体难以触及或看到的部位特别有用，比如脚底。Ameer说，鉴于糖尿病的症状之一是外周神经损伤，患者可能正在遭受越来越严重但无法看到或感觉到的创伤。从设备到连接的临床医生仪表板的持续数据流或可降低或消除这种风险。

一种基于可生物降解藻类的传感器

虽然西北大学设备的一部分可以生物吸收到体内，但苏塞克斯大学开发的传感器是完全可生物降解的。它由食品级藻类粉末添加到由石墨、胆酸钠和去离子水组成的石墨烯悬浮液中，然后干燥形成纳米复合材料片。当浸泡在另一种食品级成分——氯化钙水浴中时，片材会膨胀并产生导电水凝胶。

该设备在《ACS可持续化学与工程》中进行了介绍，对于纳米复合材料来说也非常灵活（杨氏模量仅为0.6帕斯卡），并且足够灵敏，可以测量质量仅为2毫克的物体，发明人将其比作单个雨滴在其表面产生的压力。研究人员推测，高度疏水和导电的石墨烯与亲水但绝缘的藻类凝胶之间的固有排斥作用，他们称之为“界面粘附力差（poor interfacial adhesion）”，使其对机械变形的敏感性增强。研究人员总结道：“就作为机械应变传感装置的应用而言，这些低机械财产非常有利，因为它们会导致机电响应的起始变形极低。”

对于最初的应用，他们设想凝胶可以用作一系列应用中的环境传感器，包括降雨检测和检测气流泄漏，以更有效地加热或冷却建筑物。

该研究的通讯作者、苏塞克斯材料物理学讲师Conor Boland将他的实验室使用机电传感的工作与使用电化学传感的西北大学研究的电子绷带区分开来，但他表示，这两种方法在人类医疗保健中都有合法的用途。例如，他说，他的团队已经在致力于将海藻混合物转化为一种模拟人类皮肤机械财产的材料，同时还具有监测血压和呼吸频率的电子功能。

一个特别有趣的未来应用可能是脉搏血氧计，即检测血液中的氧饱和度。健康研究人员记录了目前许多商用血氧计的一个常发问题，这些血氧计使用光学传感器，通常无法准确测量深色色素患者的血氧饱和度。

Boland说：“我们的测量是一种物理测量，只要材料经过校准，它将始终具有相同的信号。” Boland承认，围绕完全生物相容性和可生物降解设备的生态系统仍处于初级阶段。虽然他的实验室的设备是完全可降解的，但他说，任何旨在延长其寿命的保护套都不会稳定约五六个小时。

他说：“我希望我们的工作能够表明这种材料的商业化是有好处的，并开启更广泛的研究。”