Science Advances一种可伸缩无线可穿戴生物电子系统，用于感染慢性伤口的多重监测和联合治疗

原文题目：A stretchable wireless wearable bioelectronic system for multiplexed monitoring and combination treatment of infected chronic wounds

通讯作者：Wei Gao

隶属单位：加州理工学院工程与应用科学系医学工程系

DOI：10.1126/sciadv.adf7388

慢性伤口的特征是愈合受损或停滞，炎症长期和不受控制，以及细胞外基质（ECM）功能受损。仅在美国，就有超过6万人患有慢性不愈合的伤口，包括糖尿病溃疡，无法愈合的手术伤口，烧伤和静脉相关溃疡，每年给医疗保健系统造成超过5亿美元的惊人经济负担。慢性伤口愈合是一个高度复杂的生物过程，由四个整合和重叠的阶段组成：止血、炎症、增殖和重塑。目前的疗法包括皮肤移植、皮肤替代品、负压伤口治疗等，可能是有益的，但经常需要手术或手术干预。伤口部位的微生物感染会严重延长愈合过程，导致坏死、败血症甚至死亡。局部和全身性抗生素越来越多地用于患有慢性不愈合伤口的患者，但抗生素的过度使用，滥用和误用通常导致细菌耐药性升级，导致发病率和死亡率急剧增加。作为一种替代治疗方法，电刺激已显示出对伤口愈合过程的实质性影响，包括刺激成纤维细胞增殖和分化为肌成纤维细胞和胶原蛋白形成，角质形成细胞迁移，血管生成和吸引巨噬细胞。然而，目前报道的电刺激设备通常需要笨重的设备和电线连接，这使得它们在实际临床使用中极具挑战性。对于副作用最小的慢性伤口的个性化治疗，迫切需要更有效、完全可控且易于实施的疗法。

在愈合过程的每个阶段，伤口渗出物的化学成分都会发生重大变化，表明愈合阶段甚至存在感染。例如，体温升高与细菌感染有关，温度变化可以提供与伤口床愈合、炎症和氧合相关的各种因素的信息;酸度（pH）表示具有平衡蛋白酶活性和有效ECM重塑的愈合状态，此外，伤口环境中pH升高可能是感染的迹象;尿酸（UA）升高表明伤口严重程度，活性氧和炎症过多，并显示免疫系统对炎性细胞因子的反应;乳酸和铵是糖尿病足溃疡软组织感染诊断和血管生成的关键标志物;伤口渗出物葡萄糖与血糖和细菌活性有很强的相关性，为临床糖尿病伤口治疗提供了重要的治疗指导。

数字健康和柔性电子产品的最新进展已将传统医学转变为远程家庭医疗保健。可穿戴生物传感器可以实时和连续监测各种生物流体中的物理生命体征和生理生物标志物，如汗液，唾液和组织液。一般来说，理想的伤口敷料应提供湿润的伤口环境，防止继发感染，去除伤口渗出物，促进组织再生。尽管可穿戴技术开辟了广阔的前景，但要充分发挥其在实际慢性伤口管理应用方面的潜力，仍存在重大挑战：慢性不愈合伤口对可穿戴设备的柔韧性、透气性和生物相容性提出了很高的要求，以保护伤口床免受细菌渗透和感染，并调节伤口渗出液水平;复杂的伤口渗出物基质可能严重影响生物传感器的性能，因此，很少有关于生物传感器在体内长期评估的报告;个性化的伤口管理既需要有效的伤口治疗，也需要密切监测伤口渗出液中关键的伤口愈合生物标志物;缺乏小型化的用户交互完全集成的闭环可穿戴系统以及对此类系统体内的评估阻碍了其实际使用。

为了应对这些挑战，研究人员在这里介绍了一个完全集成的无线可穿戴生物电子系统，该系统通过多重和多模态伤口生物标志物分析有效监测伤口床的生理状况，并通过电响应受控药物递送进行联合治疗，用于抗炎抗菌治疗和外源性电刺激组织再生。可穿戴贴片具有机械柔韧性，可拉伸性，并且可以在整个伤口愈合过程中保形地粘附在皮肤伤口上，防止任何不希望的不适或皮肤刺激。由于伤口复杂的病理生理环境，与先前报道的单分析物传感相比，伤口渗出物生物标志物的多重分析可以为有效的慢性伤口管理提供更全面和个性化的信息。在这方面，根据伤口生物标志物在反映慢性伤口感染、代谢和炎症状态方面的重要性，选择一组伤口生物标志物，包括温度、pH、铵、葡萄糖、乳酸和UA。使用定制设计的电化学生物传感器阵列，可以原位实现复杂伤口渗出物中这些生物标志物的实时选择性监测。在感染糖尿病伤口的啮齿动物模型中，对可穿戴系统的多重监测、生物标志物定位和联合治疗的能力进行了长时间的体内评估。可穿戴贴片收集的多重生物标志物信息揭示了微环境的空间和时间变化以及感染伤口在不同愈合阶段的炎症状态。此外，电调制抗生素输送与可穿戴技术上的电刺激相结合，大大加快了慢性伤口闭合。

除了多路复用生物传感器外，可穿戴贴片还配备了按需电响应药物释放系统，其中装有抗菌和抗炎肽。在施加的正电压下，电活性水凝胶将迅速释放双功能肽，该肽可以在愈合的初始阶段有效消除细菌并调节伤口部位的炎症反应，在糖尿病大鼠的夹板切除伤口模型中。按需给药可以很容易地用不同的电活性水凝胶进行修饰，以递送其他几种带正电荷或负电荷的药物和生物分子（例如，蛋白质、肽和生长因子）。电刺激治疗模块的集成可以促进伤口再生过程中的细胞运动和增殖以及ECM沉积和重塑，从而实现快速有效的皮肤伤口愈合。

原文题目：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf7388#sec-3

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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