Nature Biotechnology:无线智能绷带!

时间:2022年11月28日
来源:Nature Biotechnology

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斯坦福大学的研究人员报告说,他们已经开发出一种无线智能绷带,通过监测伤口愈合过程和同时治疗伤口,在加速组织修复方面显示出了希望。研究人员说,他们的设备促进伤口更快愈合,增加损伤组织的新血液流动,并通过显著减少疤痕形成来促进皮肤的恢复。

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Wireless smart bandage    

图:人体手臂上的无线智能绷带    


有些伤口就是无法愈合。感染、糖尿病等疾病和免疫系统受抑制往往会阻碍愈合。慢性创伤可能持续数月,并导致焦虑和抑郁。在最糟糕的情况下,它们会危及生命。治疗费用已飙升至每年250亿美元。

然而,到目前为止,治疗慢性伤口的解决方案还很少,但斯坦福大学的研究人员现在报告称,他们已经开发出一种无线智能绷带,通过监测伤口愈合过程和同时治疗伤口,在加速组织修复方面显示出了希望。研究人员表示11月24日出版th自然生物技术他们的设备促进伤口更快闭合,增加损伤组织的新血液流动,并通过显著减少疤痕形成来促进皮肤恢复。

智能绷带由无线电路组成,使用阻抗/温度传感器来监测伤口愈合的进展。如果伤口愈合较差或检测到感染,传感器会通知中央处理单元在伤口床上施加更多的电刺激,以加速组织闭合,减少感染。研究人员能够在智能手机上实时追踪传感器数据,而不需要电线。

工程奇迹  

电子层,包括微控制器单元(MCU)、无线电天线、存储器、电刺激器、生物传感器和其他组件,只有100微米厚——大约是一层乳胶漆的厚度。

所有的电路都在一种巧妙设计的水凝胶上运行,水凝胶是一种橡胶状的、皮肤状的聚合物,它被集成在一起,既能向受伤的组织提供治愈性的电刺激,又能收集实时的生物传感器数据。

水凝胶中的聚合物经过精心设计,可以在需要时安全地附着在伤口表面,当加热到仅高于体温几度(40°C/104°F)时,可以干净、轻柔地拔出,而不会对伤口造成伤害。

“在封闭伤口时,智能绷带在愈合时起到保护作用,”该研究的共同第一作者、斯坦福工程学院K.K. Lee化学工程教授鲍哲安实验室的博士后学者Yuanwen Jiang说。“但它不是一个被动的工具。这是一种积极的愈合设备,可以改变慢性伤口的治疗标准。”

此前有报道称,电刺激也被称为电促作用,可以加速角质形成细胞向伤口部位的迁移,限制细菌感染,防止伤口表面生物膜的形成,从而主动促进组织生长,帮助组织修复。研究人员能够采用这项经过充分研究的技术,并将其与实时生物传感器数据集成,从而提供一种由生物传感器提供信息的新型自动化治疗方式。

智能绷带的生物传感功能可以监测当地环境中的生物物理变化,提供实时、快速、稳健和极其准确的方法来测量伤口状况。从技术上讲,智能绷带会在伤口愈合时感知皮肤的导电性和温度变化——伤口愈合时电阻抗增加,炎症消退时局部温度下降。“智能绷带的刺激和感知功能集于一体,可以加速愈合,但它也可以跟踪伤口的改善情况。”同样是该研究的第一作者之一的Artem Trotsyuk说,他在Geoffrey Gurtner医学博士的实验室完成了他的研究生工作,Geoffrey Gurtner医学博士曾是斯坦福医学院强生杰出外科教授(荣誉退休),目前是图森市亚利桑那大学外科学系主任和生物医学工程教授。“我们认为,它代表了一种新的模式,将使新的生物发现和探索以前难以验证的关于人类愈合过程的假设成为可能。”

可喜的结果,新的方向  

研究人员将他们的研究更进一步,冒险了解电刺激为什么以及如何更快地愈合伤口。他们现在相信电刺激促进了促再生基因的激活,比如Selenop,一种抗炎基因被发现有助于清除病原体和伤口修复,它被证明能促进肌肉和软组织的生长。同样,电刺激增加了白细胞的数量,即单核细胞和巨噬细胞,通过招募更多的M2抗炎巨噬细胞,这在之前的报道中是促进再生的,在伤口愈合的增殖阶段所需的细胞外基质形成中起着关键作用。

研究人员警告说,智能绷带目前还只是一个概念验证,尽管很有前景。然而,仍存在许多挑战。这些包括增加设备的尺寸以适应人类的规模,降低成本,解决长期数据存储问题——如果需要和机会出现,所有这些都是大规模生产的必要条件。同样,可能会添加一些目前尚未集成的新传感器,如那些测量代谢物、生物标记物和ph值的传感器。在临床应用中还存在一些潜在的障碍,如水凝胶排斥,皮肤可能对设备产生反应,并产生糟糕的凝胶-皮肤组合,或传感器的生物污染,这可能导致刺激。

尽管存在这些障碍,研究人员仍在向前推进,并对他们的智能绷带的潜力保持乐观,为慢性创伤患者带来希望。

文章标题

Wireless, closed-loop, smart bandage with integrated sensors and stimulators for advanced wound care and accelerated healing


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