可生物降解的繃帶和傳感器促進可持續監測和治療

NORTHWESTERN UNIVERSITY

伊利諾伊州埃文斯頓西北大學和英國布萊頓蘇塞克斯大學的研究人員創造了新的環境可持續設備的原型，這些設備可以監測血壓和心跳，或治愈糖尿病潰瘍等持續性疾病。

這些設備也遠比概念驗證階段先進；西北大學的研究人員開發了一款性價比高、易于使用、適應性強、舒適的新型電子繃帶，能夠有效加速傷口愈合，有助于防止糖尿病患者的傷口感染和進一步的并發癥。西北大學高級再生工程中心主任Guillermo Ameer表示，它可能在一年至18個月內準備好進行人體試驗。繃帶由兩個小鉬電極組成，連接到一個無電池的電力采集單元和一個近場通信模塊，該模塊與智能手機或平板電腦中的控制軟件通信。

在《科學進展》雜志上發表的一項針對糖尿病小鼠的研究中，西北大學的Guillermo Ameer 教授與John Rogers教授合作，發現該設備的愈合速度比使用普通繃帶的對照組快30%。John Rogers教授是生物電子學先驅，他在2018年首次提出了生物可吸收電子醫學的概念。

該設備的工作原理是將小電流從位于傷口周圍的外部環形電極傳輸到位于傷口頂部的直徑約120微米的內部花朵狀電極。（這項小鼠研究使用了大約1伏的電流，Ameer說，這可能會在即將對大型動物進行的研究中發生變化。）電流刺激健康的皮膚再生，其進展通過電極之間的電流差來衡量。隨著傷口的愈合和干燥，電流差會減小。

也許該設備最引人注目的元素是內部電極。當傷口愈合時，再生的皮膚在電極上生長并完全吸收。外環電極和配套的電源和通信單元可以從內電極上拆卸。小鼠研究結果顯示，體內鉬濃度在22周內恢復到與對照組相似的水平。

Ameer說，如果他和他的同事認為這不安全，他們就不會推進這個想法。

“這是一個風險/收益問題，就像任何其他藥物或醫療設備一樣，”他說，“它是為一個月左右沒有愈合的傷口設計的，容易感染，從而導致并發癥和截肢。愈合后，皮膚會在剩余的電極上生長，你預計隨著時間的推移，電極會被吸收。你可以向患者解釋這一點，他們和醫生可以做一個信息決定。”

他說，這項技術可能對身體難以觸及或看到的部位特別有用，比如腳底。Ameer說，鑒于糖尿病的癥狀之一是外周神經損傷，患者可能正在遭受越來越嚴重但無法看到或感覺到的創傷。從設備到連接的臨床醫生儀表板的持續數據流或可降低或消除這種風險。

一種基于可生物降解藻類的傳感器

雖然西北大學設備的一部分可以生物吸收到體內，但蘇塞克斯大學開發的傳感器是完全可生物降解的。它由食品級藻類粉末添加到由石墨、膽酸鈉和去離子水組成的石墨烯懸浮液中，然后干燥形成納米復合材料片。當浸泡在另一種食品級成分——氯化鈣水浴中時，片材會膨脹并產生導電水凝膠。

該設備在《ACS可持續化學與工程》中進行了介紹，對于納米復合材料來說也非常靈活（楊氏模量僅為0.6帕斯卡），并且足夠靈敏，可以測量質量僅為2毫克的物體，發明人將其比作單個雨滴在其表面產生的壓力。研究人員推測，高度疏水和導電的石墨烯與親水但絕緣的藻類凝膠之間的固有排斥作用，他們稱之為“界面粘附力差（poor interfacial adhesion）”，使其對機械變形的敏感性增強。研究人員總結道：“就作為機械應變傳感裝置的應用而言，這些低機械財產非常有利，因為它們會導致機電響應的起始變形極低。”

對于最初的應用，他們設想凝膠可以用作一系列應用中的環境傳感器，包括降雨檢測和檢測氣流泄漏，以更有效地加熱或冷卻建筑物。

該研究的通訊作者、蘇塞克斯材料物理學講師Conor Boland將他的實驗室使用機電傳感的工作與使用電化學傳感的西北大學研究的電子繃帶區分開來，但他表示，這兩種方法在人類醫療保健中都有合法的用途。例如，他說，他的團隊已經在致力于將海藻混合物轉化為一種模擬人類皮膚機械財產的材料，同時還具有監測血壓和呼吸頻率的電子功能。

一個特別有趣的未來應用可能是脈搏血氧計，即檢測血液中的氧飽和度。健康研究人員記錄了目前許多商用血氧計的一個常發問題，這些血氧計使用光學傳感器，通常無法準確測量深色色素患者的血氧飽和度。

Boland說：“我們的測量是一種物理測量，只要材料經過校準，它將始終具有相同的信號。” Boland承認，圍繞完全生物相容性和可生物降解設備的生態系統仍處于初級階段。雖然他的實驗室的設備是完全可降解的，但他說，任何旨在延長其壽命的保護套都不會穩定約五六個小時。

他說：“我希望我們的工作能夠表明這種材料的商業化是有好處的，并開啟更廣泛的研究。”