可生物降解的繃帶和傳感器促進(jìn)可持續(xù)監(jiān)測(cè)和治療

NORTHWESTERN UNIVERSITY

伊利諾伊州埃文斯頓西北大學(xué)和英國(guó)布萊頓蘇塞克斯大學(xué)的研究人員創(chuàng)造了新的環(huán)境可持續(xù)設(shè)備的原型，這些設(shè)備可以監(jiān)測(cè)血壓和心跳，或治愈糖尿病潰瘍等持續(xù)性疾病。

這些設(shè)備也遠(yuǎn)比概念驗(yàn)證階段先進(jìn)；西北大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一款性價(jià)比高、易于使用、適應(yīng)性強(qiáng)、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(jìn)一步的并發(fā)癥。西北大學(xué)高級(jí)再生工程中心主任Guillermo Ameer表示，它可能在一年至18個(gè)月內(nèi)準(zhǔn)備好進(jìn)行人體試驗(yàn)?？噹в蓛蓚€(gè)小鉬電極組成，連接到一個(gè)無(wú)電池的電力采集單元和一個(gè)近場(chǎng)通信模塊，該模塊與智能手機(jī)或平板電腦中的控制軟件通信。

在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)針對(duì)糖尿病小鼠的研究中，西北大學(xué)的Guillermo Ameer 教授與John Rogers教授合作，發(fā)現(xiàn)該設(shè)備的愈合速度比使用普通繃帶的對(duì)照組快30%。John Rogers教授是生物電子學(xué)先驅(qū)，他在2018年首次提出了生物可吸收電子醫(yī)學(xué)的概念。

該設(shè)備的工作原理是將小電流從位于傷口周?chē)耐獠凯h(huán)形電極傳輸?shù)轿挥趥陧敳康闹睆郊s120微米的內(nèi)部花朵狀電極。（這項(xiàng)小鼠研究使用了大約1伏的電流，Ameer說(shuō)，這可能會(huì)在即將對(duì)大型動(dòng)物進(jìn)行的研究中發(fā)生變化。）電流刺激健康的皮膚再生，其進(jìn)展通過(guò)電極之間的電流差來(lái)衡量。隨著傷口的愈合和干燥，電流差會(huì)減小。

也許該設(shè)備最引人注目的元素是內(nèi)部電極。當(dāng)傷口愈合時(shí)，再生的皮膚在電極上生長(zhǎng)并完全吸收。外環(huán)電極和配套的電源和通信單元可以從內(nèi)電極上拆卸。小鼠研究結(jié)果顯示，體內(nèi)鉬濃度在22周內(nèi)恢復(fù)到與對(duì)照組相似的水平。

Ameer說(shuō)，如果他和他的同事認(rèn)為這不安全，他們就不會(huì)推進(jìn)這個(gè)想法。

“這是一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)/收益問(wèn)題，就像任何其他藥物或醫(yī)療設(shè)備一樣，”他說(shuō)，“它是為一個(gè)月左右沒(méi)有愈合的傷口設(shè)計(jì)的，容易感染，從而導(dǎo)致并發(fā)癥和截肢。愈合后，皮膚會(huì)在剩余的電極上生長(zhǎng)，你預(yù)計(jì)隨著時(shí)間的推移，電極會(huì)被吸收。你可以向患者解釋這一點(diǎn)，他們和醫(yī)生可以做一個(gè)信息決定?！?/p>

他說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)可能對(duì)身體難以觸及或看到的部位特別有用，比如腳底。Ameer說(shuō)，鑒于糖尿病的癥狀之一是外周神經(jīng)損傷，患者可能正在遭受越來(lái)越嚴(yán)重但無(wú)法看到或感覺(jué)到的創(chuàng)傷。從設(shè)備到連接的臨床醫(yī)生儀表板的持續(xù)數(shù)據(jù)流或可降低或消除這種風(fēng)險(xiǎn)。

一種基于可生物降解藻類(lèi)的傳感器

雖然西北大學(xué)設(shè)備的一部分可以生物吸收到體內(nèi)，但蘇塞克斯大學(xué)開(kāi)發(fā)的傳感器是完全可生物降解的。它由食品級(jí)藻類(lèi)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(fù)合材料片。當(dāng)浸泡在另一種食品級(jí)成分——氯化鈣水浴中時(shí)，片材會(huì)膨脹并產(chǎn)生導(dǎo)電水凝膠。

該設(shè)備在《ACS可持續(xù)化學(xué)與工程》中進(jìn)行了介紹，對(duì)于納米復(fù)合材料來(lái)說(shuō)也非常靈活（楊氏模量?jī)H為0.6帕斯卡），并且足夠靈敏，可以測(cè)量質(zhì)量?jī)H為2毫克的物體，發(fā)明人將其比作單個(gè)雨滴在其表面產(chǎn)生的壓力。研究人員推測(cè)，高度疏水和導(dǎo)電的石墨烯與親水但絕緣的藻類(lèi)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(duì)機(jī)械變形的敏感性增強(qiáng)。研究人員總結(jié)道：“就作為機(jī)械應(yīng)變傳感裝置的應(yīng)用而言，這些低機(jī)械財(cái)產(chǎn)非常有利，因?yàn)樗鼈儠?huì)導(dǎo)致機(jī)電響應(yīng)的起始變形極低。”

對(duì)于最初的應(yīng)用，他們?cè)O(shè)想凝膠可以用作一系列應(yīng)用中的環(huán)境傳感器，包括降雨檢測(cè)和檢測(cè)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(xué)講師Conor Boland將他的實(shí)驗(yàn)室使用機(jī)電傳感的工作與使用電化學(xué)傳感的西北大學(xué)研究的電子繃帶區(qū)分開(kāi)來(lái)，但他表示，這兩種方法在人類(lèi)醫(yī)療保健中都有合法的用途。例如，他說(shuō)，他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在致力于將海藻混合物轉(zhuǎn)化為一種模擬人類(lèi)皮膚機(jī)械財(cái)產(chǎn)的材料，同時(shí)還具有監(jiān)測(cè)血壓和呼吸頻率的電子功能。

一個(gè)特別有趣的未來(lái)應(yīng)用可能是脈搏血氧計(jì)，即檢測(cè)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(jì)的一個(gè)常發(fā)問(wèn)題，這些血氧計(jì)使用光學(xué)傳感器，通常無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量深色色素患者的血氧飽和度。

Boland說(shuō)：“我們的測(cè)量是一種物理測(cè)量，只要材料經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，它將始終具有相同的信號(hào)?！?Boland承認(rèn)，圍繞完全生物相容性和可生物降解設(shè)備的生態(tài)系統(tǒng)仍處于初級(jí)階段。雖然他的實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備是完全可降解的，但他說(shuō)，任何旨在延長(zhǎng)其壽命的保護(hù)套都不會(huì)穩(wěn)定約五六個(gè)小時(shí)。

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