可生物降解的繃帶和傳感器促進(jìn)可持續監測和治療

NORTHWESTERN UNIVERSITY

伊利諾伊州埃文斯頓西北大學(xué)和英國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(jìn)；西北大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一款性?xún)r(jià)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(jìn)一步的并發(fā)癥。西北大學(xué)高級再生工程中心主任Guillermo Ameer表示，它可能在一年至18個(gè)月內準備好進(jìn)行人體試驗?？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)表的一項針對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(xué)先驅?zhuān)?018年首次提出了生物可吸收電子醫學(xué)的概念。

該設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(shuō)，這可能會(huì )在即將對大型動(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(zhù)傷口的愈合和干燥，電流差會(huì )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(shí)，再生的皮膚在電極上生長(cháng)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(shuō)，如果他和他的同事認為這不安全，他們就不會(huì )推進(jìn)這個(gè)想法。

“這是一個(gè)風(fēng)險/收益問(wèn)題，就像任何其他藥物或醫療設備一樣，”他說(shuō)，“它是為一個(gè)月左右沒(méi)有愈合的傷口設計的，容易感染，從而導致并發(fā)癥和截肢。愈合后，皮膚會(huì )在剩余的電極上生長(cháng)，你預計隨著(zhù)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)，他們和醫生可以做一個(gè)信息決定?！?/p>

他說(shuō)，這項技術(shù)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(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)越嚴重但無(wú)法看到或感覺(jué)到的創(chuàng )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(fēng)險。

一種基于可生物降解藻類(lèi)的傳感器

雖然西北大學(xué)設備的一部分可以生物吸收到體內，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合材料片。當浸泡在另一種食品級成分——氯化鈣水浴中時(shí)，片材會(huì )膨脹并產(chǎn)生導電水凝膠。

該設備在《ACS可持續化學(xué)與工程》中進(jìn)行了介紹，對于納米復合材料來(lái)說(shuō)也非常靈活（楊氏模量?jì)H為0.6帕斯卡），并且足夠靈敏，可以測量質(zhì)量?jì)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，高度疏水和導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(chēng)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(chǎn)非常有利，因為它們會(huì )導致機電響應的起始變形極低?！?/p>

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(huán)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(xué)講師Conor Boland將他的實(shí)驗室使用機電傳感的工作與使用電化學(xué)傳感的西北大學(xué)研究的電子繃帶區分開(kāi)來(lái)，但他表示，這兩種方法在人類(lèi)醫療保健中都有合法的用途。例如，他說(shuō)，他的團隊已經(jīng)在致力于將海藻混合物轉化為一種模擬人類(lèi)皮膚機械財產(chǎn)的材料，同時(shí)還具有監測血壓和呼吸頻率的電子功能。

一個(gè)特別有趣的未來(lái)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(gè)常發(fā)問(wèn)題，這些血氧計使用光學(xué)傳感器，通常無(wú)法準確測量深色色素患者的血氧飽和度。

Boland說(shuō)：“我們的測量是一種物理測量，只要材料經(jīng)過(guò)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(tài)系統仍處于初級階段。雖然他的實(shí)驗室的設備是完全可降解的，但他說(shuō)，任何旨在延長(cháng)其壽命的保護套都不會(huì )穩定約五六個(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?！?/p>