引言

慢性伤口愈合一直是全球临床医学中的重大挑战，涉及糖尿病溃疡、手术切口不愈合等多种复杂因素。传统的伤口敷料功能单一，无法实时监测伤口状态并提供精准治疗。香港城市大学生物医学工程系，香港青年科学院院士于欣格副教授团队在《Nature Communications》发表了一项突破性研究，提出了一种名为ISAFE（Intelligent Stretchable Adhesive Fully-permeable Electronic wound bandage）的智能电子伤口敷料。该敷料集成了生物活性界面、多模态传感器和自适应药物释放系统，实现了无电池、无线通信、透气防水、可拉伸的闭环伤口管理，为慢性伤口治疗提供了全新的解决方案。

 实验方法 

该论文的实验方法主要包括以下几个关键步骤：

1. BEWI（生物活性电子-伤口界面）的制备

▪  通过共电纺丝技术制备SEBS（苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯）和GelMA（明胶甲基丙烯酸酯）复合纤维膜。

▪  通过紫外光交联GelMA纤维，并浸入硝酸银和单宁酸溶液中原位合成银纳米颗粒（Ag NPs），赋予材料抗菌性和导电性。

▪  测试材料的机械性能（拉伸性、粘附性）、生物相容性（细胞存活、增殖）、抗菌性能（对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制效果）以及促进伤口愈合的能力（细胞迁移实验）。

2. 可拉伸生物传感器的设计与测试

▪  基于预拉伸策略制备可拉伸的金电极，用于葡萄糖、pH和温度（Tem）传感器的构建。

▪  通过电化学方法修饰传感元件（如葡萄糖氧化酶、氧化铱等），并测试传感器的灵敏度、线性范围、稳定性和抗干扰能力。

▪  验证传感器在拉伸状态下的性能稳定性。

3. 无电池无线通信与按需药物释放系统的实现

▪  利用近场通信（NFC）技术实现无线供电和数据传输，通过智能手机控制电路。

▪  设计离子电渗模块，通过电压调控实现抗生素等药物的局部释放，测试释放量与电压和时间的关系。

4. 体内外实验验证

▪  体外实验：测试材料的生物相容性、抗菌性和促愈合性能。

▪  动物实验：在糖尿病大鼠模型上评估ISAFE对伤口愈合的促进作用，监测伤口葡萄糖、pH和温度的变化，并通过组织学分析（H&E染色、Masson染色）和免疫组化验证其效果。

▪  临床试验：在10名患者中测试ISAFE的伤口监测准确性，并与商业仪器数据对比。

5. 分子动力学模拟与有限元分析

▪  模拟Ag NPs与单宁酸、聚合物的相互作用机制。

▪  通过有限元分析优化电路设计的机械性能。

创新亮点 

1. 多功能生物活性电子-伤口界面（BEWI）

▪  材料设计：采用共静电纺丝技术制备了SEBS（苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯）/GelMA（明胶甲基丙烯酸酯）复合纤维膜，兼具弹性、生物相容性和促愈合性能。

▪  抗菌与促愈合：通过原位合成银纳米颗粒（Ag NPs）和负载抗生素，赋予敷料强效抗菌能力（对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率>90%）。

▪  透气与防水：采用Tegaderm医用胶带作为封装层，实现优异的气体交换能力（WVTR ~50 g/m²/h）和防水性能（可在PBS中浸泡7天不短路）。

▪  皮肤粘附性：通过单宁酸（TA）介导的多重相互作用（氢键、静电吸引等），BEWI的剪切强度和剥离强度显著高于商用纤维蛋白胶（剪切强度~40 kPa，剥离强度~800 N/m）。

2. 可拉伸多模态生物传感器

▪  实时监测：集成葡萄糖、pH、温度（Tem）传感器，用于动态监测伤口渗出物的生化指标：

▪  机械稳定性：传感器在30%拉伸下仍保持稳定信号输出，适用于关节等动态部位。

3. 无电池无线供能与闭环治疗

▪  NFC技术：通过智能手机无线供电和数据传输，实现无电池操作，避免频繁更换电源。

▪  自适应药物释放：根据传感器数据智能调控离子电渗疗法，按需释放抗生素（如青霉素），显著降低感染风险（动物实验中细菌负载减少>80%）。

4. 临床验证与动物实验

▪  糖尿病大鼠模型：ISAFE组伤口愈合速度显著快于对照组（14天愈合率>90%），且胶原密度和血管生成更优。

▪  10例患者临床试验：涵盖18-95岁不同伤口类型（压力性溃疡、下肢溃疡等），传感器数据与商用仪器一致性>80%，证实其临床实用性。

图文解析

 图1：展示了ISAFE系统的整体设计，包括其作为多功能伤口电子设备的示意图，能够实现闭环传感和治疗。图中还比较了传统伤口敷料与ISAFE在踝关节伤口治疗中的应用效果，并展示了ISAFE在不同身体部位的贴合性和变形能力

 图2：详细描述了BEWI（生物活性电子-伤口界面）的制备过程和特性表征，包括其导电性、拉伸性能、生物降解性、水蒸气透过率以及组织粘附性。通过XRD、SEM等分析手段验证了其结构和功能

 图3：通过体外实验评估了BEWI的生物相容性、促进愈合和抗菌性能。实验结果显示BEWI能够促进细胞迁移、加速伤口闭合，并对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌表现出显著的抗菌效果

 图4：展示了基于可拉伸SEBS薄膜的葡萄糖、pH和温度传感器的特性。这些传感器具有高灵敏度、线性响应和稳定性，能够满足皮肤集成伤口监测的需求

图5：通过动物实验验证了ISAFE在糖尿病大鼠伤口监测和加速愈合中的有效性。结果显示ISAFE组的伤口闭合率最高，且通过组织学分析证实了其在促进表皮再生和胶原形成方面的优势

图6：通过免疫组化和转录组分析揭示了ISAFE治疗伤口的作用机制，包括减少炎症反应、促进血管生成和细胞增殖，并调控了与免疫和修复相关的基因表达

 图7：临床评估了ISAFE在10名患者中的实际应用效果，展示了其葡萄糖、pH和温度传感器的准确性，并分析了这些参数与伤口愈合评分的相关性，证实了其在临床中的实用性

总结

本研究成功开发了一种完全可拉伸、皮肤粘附、可渗透、防水且多功能的智能伤口电子敷料 (iSAFE)，实现了对伤口渗出液的原位监测、伤口愈合的加速以及智能伤口治疗。iSAFE系统由生物活性电子-伤口界面 (BEWI)、可拉伸多模式生物传感器阵列、自适应药物释放模块以及封装的可拉伸可渗透控制电路组成。它具有生物相容性、与皮肤高度贴合、超薄（与表皮厚度相似）、易于在各种身体部位粘附的特点。封装的电路层既可渗透又防水，有利于气体交换同时防止细菌入侵和短路。综上所述，iSAFE系统不仅能够有效预防伤口感染、加速伤口愈合，还能实现原位伤口监测与智能治疗之间的闭环反馈。无论是体外、体内研究还是临床评估，都充分证明了iSAFE在综合伤口护理方面的有效性和实用性。这一集成解决方案为生物材料与电子产品在表皮和可植入应用领域的无缝结合开辟了新的可能性，有望重新定义未来的伤口管理策略。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-61261-8