智能敷料的研發現狀與應用展望

張 喆 王 瑞 羌培華 伏立松 李孟軒

（1.天津工業大學，天津，300387；2.南通醋酸纖維有限公司，江蘇南通，226000；3.天津師范大學，天津，300384）

目前，判斷創面愈合情況需要去除敷料直接觀察，這會破壞創面微環境，影響創面愈合。智能敷料可以通過監測創面溫度的變化及微生物含量來判斷創面是否感染，通過監測創面濕度、pH 值、氧含量等因素來判斷創面微環境是否利于愈合［1］，大大減少敷料的更換次數，減輕患者的痛苦，還可以實現遠程醫療服務功能，達到個體化醫療。本研究總結了目前一些智能敷料的制備方法及其性能特點，綜述了智能敷料的研發進展，為后續研究建立較全面的背景知識體系提供理論參考。

1 智能敷料的制備方法

醫用敷料能用于加速傷口處的組織再生，具有預防和治療感染及恢復皮膚的優良特性［2］。目前醫用敷料大致可以分為生物種類、人造合成類和新型功能復合類三大類。其中生物種類包括棉紗布、膠原蛋白敷料、殼聚糖敷料、海藻酸鹽敷料；人造合成類包括薄膜敷料、水膠體敷料、水凝膠敷料、泡沫敷料；新型功能復合類包括銀離子敷料和復合敷料［3］。

1.1 敷料基底的選擇

已報道研究中的敷料基底多為棉紗布類和薄膜類。棉紗布類來源廣泛，價格低廉，吸液能力較好，但易黏連傷口，不隔菌，易干燥；薄膜類貼合性和透氣性好，但吸液能力差。兩種敷料均無法滿足不同類型及不同愈合時期傷口的愈合要求。要求智能敷料基底無毒，具有一定的拉伸性、透氣性和機械強度，并具有良好的貼附性和生物相容性，不易引發過敏反應。除此之外，還需針對不同原因形成、不同愈合時期的傷口選擇適當的基底，智能敷料還需要滿足作為傳感器載體的要求：耐油、脂肪、稀酸、稀堿等大多數溶劑，優良的耐摩擦性、尺寸穩定性和電絕緣性［4］。今后對基底的選擇需滿足上述要求，可以是市售的敷料，也可以根據不同敷料的優缺點制備復合敷料。

1.2 制備方法的選擇

智能敷料可以通過比色法反映創面愈合情況，如變色敷料，也可以使用柔性傳感器對微環境進行監控，如智能傳感敷料。

1.2.1 變色敷料制備方法

在傷口愈合過程中出現感染等癥狀時，創面微環境會發生變化，變色敷料可以通過顏色變化發出預警。變色敷料的制備方法包含染色法和紡絲法兩種。染色法是指將敏感染料（溫敏、pH 敏感染料等）通過染整的方法整理到敷料上；紡絲法則是將敏感染料摻入紡絲液中，通過紡絲技術制得變色纖維，而后采用變色纖維制備醫用敷料。變色敷料制備方法簡單、臨床應用方便、生產成本低，但也存在顏色變化不明顯、易受外部環境影響等問題，未來仍需對這些問題進行深入研究，以提高變色敷料在臨床應用中的準確性。

1.2.2 智能傳感敷料制備方法

智能傳感敷料是將傳感器、生物敷料、數據傳輸系統有機結合而構建的，能夠實時、動態反映創面相關信息的一種新型高技術產品［5］。傳感器是智能傳感敷料的核心部件，用于制備柔性傳感器的材料必須具有一定的拉伸性、透氣性和機械強度，以及良好的貼附性和生物相容性。目前制備智能敷料用的柔性傳感器常采用噴墨打印和絲網印刷技術。

噴墨打印是一種材料節約型沉積技術，油墨從墨水腔內噴射到基材上，隨著表面張力輔助流沿著基材表面流動，墨滴通過溶劑蒸發法干燥后形成要打印的圖像［6］，具有可批量制備、重復率高、圖案形狀靈活可控的優點；絲網印刷是指印刷時通過刮膠擠壓，使油墨通過圖案化的網孔轉移到承印物上，形成與絲網上圖案一樣的印刷方法［7］，具有操作簡單、成本低、環境污染小、容易圖案化等優點。除了上述兩種制備技術外，還有軟光刻技術、轉移印刷技術、磁控濺射技術等，在制備柔性傳感器時，需要根據監控指標、使用材料來選擇合適的制備方法。

2 智能敷料的研發進展

智能敷料在傷口治療和創面微環境監護方面具有明顯優勢和發展潛力，近年來逐漸成為研究熱點。然而，由于創面信息的復雜性和現有傳感技術醫療轉化的遲滯性，智能敷料的研究與發展受到一定限制。已報道研究中的智能敷料多數只能監控創面微環境的一種指標，對多個指標監控的研究相對較少，以下將分別介紹監控單一指標和多個指標的智能敷料研發進展。

2.1 監控單一指標的智能敷料

2.1.1 創面pH 監控

pH 值的大小對創面愈合影響顯著，研究認為，接近中性（pH 值為7）的環境最適宜細菌生長，易引起傷口發炎；微酸性的環境（pH 值為5）更有利于增加纖維細胞活性，并且抑制細菌滋生，減少感染和發炎癥狀；微堿性的環境（pH 值為9）被證實在燒傷愈合中會起到促進作用［8］。

通過比色法和熒光變化法判斷創面pH 值是最簡單可行的方法，田玉玲等［9］將燦爛黃、剛果紅、茜素3 種染料分別整理到棉紗布上，試驗結果表明，整理后的敷料在 pH 值為 3 和 pH 值為 8 時顏色有明顯差異，但在pH 值為5～8 的區間顏色變化不明顯。TAMAYOL A 等［10］將 pH 敏感 染料包裹到介孔二氧化硅顆粒中，通過微流體紡絲制備pH 敏感纖維，并采用該敏感纖維制備醫用敷料，可通過智能手機拍照顯示纖維顏色，但基于圖像的顏色判斷易受到光照和圖像質量的影響。

使用傳感器將大大提高監控的準確性，SRIDHAR V 等［11］設計了一種 pH 敏感水凝膠敷料，將夾帶pH 敏感水凝膠的電感線圈整理到覆銅聚酰胺薄膜上制得pH 敏感水凝膠敷料，如圖1所示。其原理是pH 值變化引起水凝膠形變導致線圈電感變化，由外接儀表顯示pH 值變化，其存在的問題是水凝膠形變易受其他因素影響。RAHIMI R 等［12］將碳/聚苯胺復合材料通過噴墨打印技術整理到柔性基材上制得電化學pH 響應敷料，其工作原理是傳感器對pH 值變化具有Nernstian 響應，該敷料具有良好的拉伸性，可準確監控環境pH 值變化，但作用時間短，未達實時監控。POORIA M 等［13］采用載藥復合敷料為基底，碳/聚苯胺和銀/氯化銀電極為傳感器材料，金電極為加熱器材料制備智能敷料，并與外部電子設備連接，該敷料可對創面pH 實時監控，在傷口感染時還可釋放藥物促進愈合，pH 監控及可控藥物釋放的智能敷料如圖2 所示。

圖1 pH 敏感水凝膠敷料

圖2 pH 監控及可控藥物釋放的智能敷料

2.1.2 創面溫度監控

創面溫度是創面愈合的重要指標，研究表明急性創面形成后的初期，創面溫度升高有利于創面愈合；在慢性創面中，局部溫度的突然升高是典型的創面感染及炎癥現象［14］。智能敷料對創面實時監控可確保溫度處在利于傷口愈合的范圍，并且可以協助判斷創面是否感染。

MATZEU G 等［15］使用多壁碳納米管熱敏電阻與RFID 無線射頻識別技術制成無線傳感系統，可監控人體皮膚溫度，但尚未應用到創面監控領域。NAJAFABADI A H 等［16］將銀墨材料通過絲網印刷技術整理到納米纖維基底上制備電阻溫度傳感器敷料，測試結果表明，溫度在25 ℃～35 ℃變化時與電阻呈相對線性的關系，但該敷料與創面的黏合性不足。

研究人員將傳感器設計成仿生結構，并與敷料結合以解決敷料與創面黏合性不足的問題 。 HATTORI Y 等［17］將銅電極設計成超薄絲狀蛇形結構，將其作為電阻器層壓在聚酰亞胺襯底上，制得監控傷口溫度的智能敷料，如圖3 所示。試驗結果證明，絲狀蛇形結構可提高傳感器的黏附性，通過指示燈顏色變化可實現創面溫度監控。OH J H 等［18］使用熱響應水凝膠與導電復合材料制備電阻式溫度傳感器，具有較高的熱敏性，在25 ℃～40 ℃之間可以準確檢測到0.5 ℃的皮膚溫度變化；將傳感器與仿章魚觸手微結構的聚二甲基硅氧烷（以下簡稱PDMS）結合，可提高傳感器與創面的貼附性，使智能敷料的監控更準確。

圖3 監控傷口溫度的智能敷料

2.1.3 創面細菌監控

創面細菌定植會剝奪傷口愈合的氧氣和營養，延長炎癥期，導致傷口難以愈合，目前最常見的創面細菌類型是銅綠假單胞菌和金黃色葡萄球菌［19］。臨床上通過培養法鑒別創面的細菌，此種方法所需時間較長，為此，研究人員開發了便攜式生物傳感器對細菌進行快速篩選。

SISMAET H J 等［20］將一次性的電化學傳感器通過絲網印刷技術整理到敷料上，該傳感器可通過檢測綠膿素確定銅綠假單胞菌。YUE H等［21］使用特異性有毒噬菌體修飾在羧基石墨烯包覆的玻璃碳電極上制備可熒光的生物傳感器，將其與敷料結合，可對創面銅綠假單胞菌進行檢測，并且具有較高的特異性。

相比銅綠假單胞菌檢測，金黃色葡萄球菌的檢測更加困難。SUAIFAN G A 等［22］報道了一種基于比色法的生物傳感器，其中的磁性納米粒子與金黃色葡萄球菌接觸時，傳感器的顏色從黑色變為金色，將其嵌入醫用敷料中可用于檢測創面金黃色葡萄球菌。

盡管這些便攜式生物傳感器為當前技術提供了有效的替代方法，但仍需對其可靠性以及與醫用敷料的可結合性進行研究。

2.1.4 創面氧含量監控

氧氣是細胞代謝的重要物質，在愈合過程中起到關鍵作用。 正常創面的氧氣分壓為10 mmHg～30 mmHg，創面發炎時會更低，而局部組織的氧氣分壓在50 mmHg～100 mmHg 適合創面愈合［23］，對創面氧含量的實時監控有助于選擇適當療法加快傷口愈合。

LI Z X 等［24］將參比染料和卟啉-樹枝狀聚合物熒光粉分散到水膠體敷料中，通過特制成像設備可監控燒傷創面的耗氧量，制得監控傷口氧含量的智能敷料如圖4 所示，但該敷料無法測量創面氧氣分壓的具體數值。LUO J 等［25］使用固態質子導電基體，并以PDMS 為透氧膜通過低溫共燒陶瓷工藝制備了微流體Clark 型氧傳感器，實現了精確的氧氣測定和溶解氧的實時檢測，可與敷料結合對創面氧含量進行監控。

圖4 監控傷口氧含量的智能敷料

2.1.5 創面其他因素監控

除上述指標外，創面微環境還包括濕度、創面分泌物和壓力等。敷料內連續的水分含量測量對于敷料更換和干燥或壞死組織的清創十分重要。Ohmedics 已開發出一種名為“Wound Sense TM”的商用傷口水分監測系統，使用由一次性氯化銀電極組成的水分傳感器，根據干濕狀態下電極阻抗不同放映創面的濕度，該產品已得到歐盟認可。

尿酸是創面分泌物之一，研究表明它與創面的嚴重程度及微生物感染有關。PETAR K 等［26］采用絲網印刷技術研制了一種監控創面尿酸含量的生物傳感器，并將傳感器貼于敷料上，可以監控創面尿酸含量，并將監測信息傳輸到智能手機上，制得的監控傷口尿酸的智能敷料如圖5 所示。

圖5 監控傷口尿酸的智能敷料示例

負壓傷口療法［27］可促進某些傷口（如靜脈腿潰瘍）的愈合，但壓力過大也會產生負面影響，因此需要監控創面壓力。目前，對柔性壓力傳感器的研究已十分廣泛［28］，在醫療上的應用也相對成熟。

2.2 監控多指標的智能敷料

由于創面微環境復雜多變，各個指標之間會相互影響，對多指標的同時監控將會更高效的反映創面的愈合情況。

FAROOQUI M F 等［29］設計了一種監控多指標的智能敷料，如圖6 所示。該敷料可通過電容傳感器監控出血狀況及創面壓力（以介電常數改變監控出血，以厚度變化監控壓力），碳基油墨絲網印刷的電阻傳感器監控創面pH 值，并使用可拆卸和重復使用的電子設備傳輸信息；該敷料對壓力及出血量的監控可達極小的數量級，且電阻值與pH 值具有良好的線性關系。李石堅等［30］公開了一種電子皮膚的專利，包括可監控傷口溫度、濕度、腫脹拉應力、皮膚阻抗、心電圖和血氧變化的傳感單元，將數據傳輸至手機APP 的主控單元，以及收到反饋后主動釋放促進因子干預傷口愈合的執行單元。韓波［31］將市售的傳感器和藍牙模塊及微處理器等整合到硬質電路板上，設計出集創面監控和數據傳輸于一體的集成系統，并將其嵌入棉紗布中制備成智能敷料，通過手機APP 接收信號，可對創面溫濕度及壓力實時監控。

圖6 監控多指標的智能敷料

監控多指標的智能敷料還處于初步研究階段，在對前人研究的總結中，我們發現將無線信號傳輸設備設計成可拆卸且重復使用的獨立模塊，可以大大節約成本。未來的研究可以此為基礎，解決前人研究中存在的集成系統柔性差、傳感器與皮膚貼附性差以及接受信號的手機APP 設計不完善等問題。

3 結語

智能敷料是將傳感技術與醫用敷料相結合的高技術產品，在創面治療和實時監控方面具有明顯優勢及發展潛力。綜合前人研究中存在的傳感器柔性差、敏感性差、敷料基底選擇存在局限性等問題，未來智能敷料的研究應當向更精確更全面監控傷口愈合情況的方向發展。具體思路：根據不同傷口種類及愈合階段選擇適當的敷料基底和監控指標；監控方式選擇靈敏性和準確性更高的生物傳感器；針對目前使用的傳感器柔性差的問題，要加快紡織結構傳感器的研究及醫療轉化，推進傳感器的柔性化進程。國外智能敷料的研究開展較早，已取得較多研究成果，國內則起步較晚，進展緩慢。今后，我們需要加大人才和資金投入，充分發揮紡織學科優勢，與醫療和電子學科結合，開發出具有我國自主知識產權的智能敷料產品。