星标“医工学人”，第一时间获取医工交叉领域新闻动态~
本篇综述文章于5月23日发表在《npj Flexible Electronics》，探讨了具备生物相容性的印刷电子学和传感技术在智能伤口敷料开发中的融合应用。它强调了医疗保健从传统的以医院为中心的模式向个性化的、以患者为中心的方法的转变，突出了“可穿戴实验室”的概念。
文章论述了印刷电子学如何利用可拉伸薄膜、生物衍生材料和有机电子学来制造与身体兼容、可生物降解甚至可生物吸收的伤口监测系统。这些系统旨在将伤口生物标志物转化为可操作的愈合信息，以便及时干预，以应对慢性伤口带来的巨大负担。该综述涵盖了各种生物标志物、材料（基底和油墨）、印刷技术、传感原理，以及具有按需给药潜力的单一和多传感器贴片的开发。
01
引言与背景
● 医疗保健系统正在向个性化、以患者为中心的模式发展，即“可穿戴实验室”概念。
● 这依赖于柔软、适形且生物相容的传感器将生物信号转化为可操作的愈合信息。
● 印刷电子学因其可利用可拉伸箔片、生物衍生功能材料和有机电子学，在开发这些柔性电子平台方面优于传统的微电子制造，从而能够实现可生物降解和生物可吸收的伤口监测系统。
● 慢性伤口给人类带来了严重的生理、生物、心理和经济负担。例如，仅在欧洲就有18%的糖尿病患者（至少600万人）患有慢性伤口 ，工业化国家将其医疗保健总预算的2-4%用于慢性伤口治疗。
● 传统的伤口诊断依赖于医生对伤口颜色、大小和气味的视觉检查，这对于早期发现感染或深层生物分子变化通常不够充分。这还可能涉及侵入性程序，如拭子或活检，这些程序耗时且可能干扰伤口。
● 智能伤口敷料提供实时伤口状态监测，减少了频繁更换敷料、医院就诊的需求，并改善了患者的舒适度和治疗效果。
02
伤口监测的关键生物标志物
伤口愈合涉及复杂的细胞和分子相互作用，监测各种生物标志物可以为了解这一过程提供见解。
图1
● 生物/物理标志物：
○生物电特性（阻抗）：活细胞在愈合过程中电气特性会发生变化。阻抗测量可以追踪伤口大小、闭合、上皮形成和新细胞成熟情况（图1b）。
○温度：伤口温度通常在最初3天内升高（炎症），然后下降。持续升高可能表明感染 (图1c)。感染区域与正常皮肤相比，平均温差可达 2.46℃。
○湿度（渗出液）：平衡的湿润环境可促进愈合，而过多的水分会阻碍愈合并损害周围皮肤。监测湿度可以优化敷料更换 (图1d)。
○应变：伤口部位的机械力可以调节愈合质量和速度。
● 生物化学和生物学生物标志物：
○pH：正常皮肤pH<5，而新鲜伤口约为7.4。随着愈合的进行，pH通常会下降(图1e)。pH突然升高可能表明感染，而pH长时间偏高则表明伤口具有慢性特征。
○伤口渗出液成分：这种液体含有电解质、营养物质、炎症介质、生长因子、尿酸以及中性粒细胞和巨噬细胞等细胞(图1f)。慢性伤口通常含有升高的蛋白酶（如基质金属蛋白酶 – MMPs）和促炎细胞因子。平衡的MMP活性对愈合至关重要。尿酸升高可指示伤口严重程度，细菌定植可降低其浓度。
○细菌生物负荷：细菌的存在可导致炎症、感染和慢性化(图1g)。生物膜（细菌菌落在细胞外聚合物基质中）保护微生物，并可能抑制愈合。例如，带有生物膜的糖尿病小鼠的伤口愈合明显延迟（4周时为56%，而对照组为97%）。
○氧气：缺氧会损害愈合，尽管它也可以刺激血管再生。充足的氧合对于组织重建和预防感染至关重要。
03
用于智能伤口敷料的印刷电子学 (PE)
● 伤口护理用印刷电子学的组成部分：
图2
○ 基底
■纺织品：常用于伤口敷料（如棉纱布），具有透气性和渗出液吸收性 。可通过集成功能纤维或印刷使其变得“智能”。
■纸张：低成本、可生物降解、生物相容，具有天然毛细作用，可用于微流控和渗出液吸收。
■水凝胶：3D亲水聚合物网络，可保持伤口湿润环境并可包含治疗剂。
■聚氨酯(PU)：用于商业绷带（如Opsite™、Tegaderm™），具有生物相容性、透明性和气体渗透性 。静电纺纳米纤维PU可增强上皮再生。
■硅酮：生物相容、透明、可拉伸的弹性体，适用于药物输送和嵌入式电子产品的微流控通道。
■聚合物薄膜（PET、PEN、聚对二甲苯C、聚酰亚胺）：柔性、生物相容 。聚酰亚胺具有高热稳定性。
○ 功能性油墨 ：由功能性材料（导电、半导体或绝缘）、树脂、溶剂等组成，其流动特性针对特定的印刷技术进行了调整 。基于纳米颗粒的油墨通常需要烧结。
■ 导电油墨：
■ 银 (Ag)：普遍使用，导电性优异，稳定，具有抗菌性 。纳米颗粒Ag油墨允许低温烧结 (T=T0(1–σ/r))。金属有机分解 (MOD) 油墨具有优势。
■ 铜 (Cu)：导电性好，价格低廉，具有抗菌性，但易于氧化（可通过MOD油墨、特殊固化来缓解）。
■ 碳基（炭黑、石墨、碳纳米管）：储量丰富，价格便宜，多孔结构适用于生物传感器。
■ 石墨烯：激光诱导石墨烯 (LIG) 提供了一种在柔性基底上制造石墨烯的简便方法 。MXenes材料也崭露头角。
■ PEDOT:PSS：一种有前景的导电聚合物，透明，生物相容，可拉伸 (图2R3)。
■ 半导体油墨：
■ 金属氧化物 (MOX)：灵敏度高，稳定性好，用于生化传感器（pH、气体）。
■ 有机半导体（如P3HT、并五苯、聚苯胺）：柔性、可溶液加工、生物相容 。聚苯胺用于pH传感器。
■ 介电/绝缘油墨：聚合物如PMMA、PVDF、硅酮、PU 。可包含高介电常数陶瓷。
■ 生物来源油墨：源自蚕丝蛋白、墨鱼汁黑色素、鸡蛋清蛋白、角蛋白、虫胶、木质素、纤维素、壳聚糖，具有生物相容性和生物降解性。
○ 生物相容性印刷电子学
■ 物理相容性：通过本质柔性材料（如导电聚合物）或结构设计（如蛇形图案实现可拉伸性）来实现。
■ 生物相容性：需要无过敏性、无毒的材料，并仔细设计/封装以防止污染、细胞毒性或刺激。对Ag和C层浸出物的研究表明，C的影响最小，而Ag离子会降低细胞活力。
04
传感与驱动原理
● 几何传感：由应变/压力引起的电阻或电容变化。
● 生物阻抗：组织的电特性指示成分、伤口大小，或实现电阻抗断层成像 (EIT)。
● 生物电势：用于ECG、EEG、EMG等的电压测量。
● 压电效应：机械应力产生电压（反之亦然），用于压力/应变传感或驱动。
● 热电效应（塞贝克效应）：温差产生电压，用于温度或应变传感。
● 电阻温度系数 (TCR)：电阻随温度变化，用于温度、湿度或细胞生长监测。
● 电化学：氧化还原反应，用于检测病原体、pH、生物分子。
● 光伏/电致发光：光产生（LED用于驱动）或检测（光电二极管用于SpO2、pH）。
05
用于伤口监测的柔性传感器和驱动器
图3
● EIT成像传感器 (图3R1)：用于无创伤口成像，无需移除敷料，可监测伤口深度和组织变化 。在纺织品上印刷已有报道 。面临电极凝胶干燥的挑战；需要柔软、稳定的界面（如共晶凝胶、导电水凝胶） 。已实现将传感器3D打印到活体组织上。
● 温度传感器 (图3R2)：基于TCR或塞贝克效应。采用蛇形图案或应变不敏感的热电元件的可拉伸设计。基于果胶的传感器显示出高灵敏度。
● 应变传感器 (图3R3)：优化机械力以促进愈合。可采用无线、可缝合的纤维传感器。
● 湿度传感器：基于阻抗、电容或热学方法。用于优化敷料更换，避免浸渍 。可解耦液体体积和成分。
● pH传感器 (图3R4)：使用氧化铱、PANI、石墨烯或PEDOT:PSS等材料。已开发出基于纤维和可拉伸的版本。
● 细菌检测传感器 (图3R5)：通过直接检测（抗体标记）或间接检测（代谢物）。基于DNA水凝胶的传感器，可对细菌DN酶产生响应 (图3R5)。
● 伤口渗出液生物分子传感器（MMPs、细胞因子）：使用荧光、电化学免疫分析等方法。例如，用于MMPs的多孔硅微腔或石墨烯FET。
● 生物可吸收传感器：这些传感器在完成功能后会降解并被身体吸收，无需手术移除。
图4
○材料：导体（镁(Mg)、锌(Zn)、钼(Mo)）；半导体（硅(Si)、ZnO）；电介质（氧化镁(MgO)、丝蛋白、PLA、PLGA、PEG、POMaC、PGS）。
○实例：可生物降解的应变和压力传感器 (图4R1)；生物可吸收无线电疗系统 (图4R2)；无线生物可吸收温度传感器 (图4R3)。
○挑战：材料性能、降解动力学控制、降解副产物的生物相容性、高性能器件的制造（PE可能有所帮助）以及电源（可生物降解电池正在兴起）。
● 用于伤口愈合调制的驱动器：
○刺激：光疗法（LED/OLED阵列增加生长因子）；热管理（焦耳加热器维持最佳温度）；电刺激（改善血流、减轻疼痛、抑制细菌）。
○药物输送：驱动器触发受控、靶向释放。
● 多传感模式和按需治疗：同时追踪多个生物标志物，提供伤口愈合过程的整体视图。
图5
○实例：纸基（pH、尿酸、EIT）；PETAL（比色传感、AI辅助(图5b)；VeCare（微流控、多种生物标志物）(图5c)；基于水凝胶和缝合线的传感器(图5d, 5e)。
图6
○按需治疗实例：具有渗出液管理和按需药物释放功能的无线闭环伤口敷料(图6R1)；无电池智能绷带，用于监测和药物输送(图6R2)；多模式传感和组合治疗平台(图6R3)。
06
关键结论与未来展望
图7
智能伤口敷料是印刷电子学的一个创新应用，展示了技术与功能之间的协同作用。伤口敷料平台的多样性（如纺织品、水凝胶、硅酮和缝合线）决定了其对特定基底的需求，而传统电子制造方法难以适应这种多样性，使得印刷电子学成为必然选择。
a. 可持续性与电子废物是智能伤口敷料广泛应用后需要关注的挑战。解决方案包括采用模块化设计（一次性传感部件和可重复使用的电子读出单元）和开发可印刷的生物降解功能材料。
b. 瞬态/生物可降解电子材料的制造是一个关键挑战，印刷电子学因其灵活性和对非传统材料的适应性而非常适合此类应用。
c. 生物传感器的限时稳定性和对特定伤口类型（手术/烧伤/褥疮）生物标志物的精确识别与量化仍需进一步研究，特别是细胞因子、MMPs、微生物标志物等，以提供更深入的愈合信息。
d. 紧凑设计中的多功能集成是未来趋势，例如开发能够同时测量温度和应变，或压力和湿度的单一传感器，这可能需要创新的传感器架构和材料选择。
e. 设计原则必须指导功能开发，同时兼顾良好的可穿戴性，例如可实现多重传感、通信和药物输送的单一生物可吸收纤维或与智能手机评估系统配对的比色传感平台。
f. 传感元件需要在身体运动引起的大变形下保持完整，并在高度水合条件下保持粘附性。
g. 针对伤口治疗的按需定制解决方案是未来的重要一步。例如，利用水凝胶的类组织特性和自适应打印系统，开发基于诊断的定制化智能伤口敷料 。
h. 从概念验证到规模化生产存在巨大鸿沟。利用现有工业规模的工艺（如丝网/凹版印刷和刮刀式涂布）进行实验室规模开发，并结合在线表征和机器学习辅助的生产过程优化，将有助于缩小这一差距，实现更自动化的生产。
尽管体外和体内研究结果令人鼓舞，但这些智能敷料尚未进入大规模临床试验，部分原因是其复杂性（多材料、多传感器、药物和设备的双重审批）导致监管途径漫长。市场准入和成功还取决于证明成本效益和与医疗保健协议的无缝集成。
▼参考资料
[1] Jose, M., Vijjapu, M.T., Neumaier, L. et al. Convergence of biocompatible printed electronics and sensing in wound dressings: a leap forward in sustainable health monitoring. npj Flex Electron 9, 46 (2025).
https://doi.org/10.1038/s41528-025-00421-8
END
编辑 | 刘帅
排版 | 张艳青
审核 | 医工学人理事会
扫码加入医工学人，进入综合及细分领域群聊，参与线上线下交流活动
推荐阅读
点击关注医工学人 最新直播
本篇文章来源于微信公众号: 医工学人
