可用于傷口感染檢測的新型敷料的研究進展

唐志敏， 唐麗琴， 曾羽佳， 李 彥， 王 璐

(東華大學 紡織學院，上海 201620)

傷口的延遲愈合會延長患者的痛苦和不適，影響患者的生活質量，增加并發癥的風險，加重醫療負擔。特別是慢性傷口(通常指2～4周后，傷口面積縮小少于20%～40%的傷口面積)已被廣泛認為是一種無聲的流行病，影響著越來越多人的正常生活[1]。據世界衛生組織統計，在美國大約有650萬人患有某種形式的慢性傷口，每年用于傷口感染治療的費用約為250億美元。同時，醫療保健費用的持續上漲，人口老齡化嚴重以及糖尿病等患者急劇增加，預計治療負擔將相應急劇加重，對公共衛生構成了持續性重大威脅[2]。

傷口久治不愈往往與發生感染相關，臨床表現為紅斑、水腫、化膿、浮腫等。然而，在傷口感染初期，感染指征并不明顯，尤其是在敷料的覆蓋下鑒別困難。患者通常只有在出現嚴重癥狀，如黃色滲出液、傷口破裂、肉芽組織變色后，才會就醫進行傷口干預，但此時往往因形成不可挽回的惡化性傷口環境而最終導致截肢、潰瘍癌變等健康威脅事件。因此，預防和及時診斷治療傷口感染、縮短治療時間是至關重要的。

常見的敷料分類如下：

(1) 傳統敷料。普通的紗布、脫脂棉、棉墊等均屬于傳統敷料。這些敷料通常聯合局部應用抗生素等抑菌藥物達到抑菌效果，透氣、透濕性佳，但其易粘連傷口、不隔菌、易使傷口造成二次損傷。

(2) 天然生物敷料。①自體皮：排異反應小，但對于大面積皮膚損傷的患者，因自體皮來源有限，而無法應對臨床巨大的需求量。②同種異體皮：來源受限且保存條件苛刻，具有抗原性和占位性，易使患者感染病原體。③脫細胞真皮基質：使用時需清除免疫排斥的抗原，透氣性優異且效果好，但價格昂貴。④膠原類：具有弱抗原性和促凝血性質，有利于組織修復。⑤藻酸鹽類：具有強大的液體吸收能力，可用于感染傷口，但會引起創面脫水和干燥，價格昂貴，力學強度低。

(3) 新型合成敷料。①薄膜類：透明易于觀察傷口，能保持創面濕潤，貼合性和透氣性好，但幾乎沒有吸收性能，不適于滲液過多的創面，適合燒燙傷小面積傷口的上皮形成期，常選用聚氨酯、尼龍6、聚乙烯等作為原料。②水膠體類：薄而透明，可以吸收滲液且黏附性強，不與創面粘連，可促進自溶性清創，但易污染且需勤換藥，易卷邊導致傷口處疼痛，適用于淺表皮層損傷的止血或凝血階段。醫用水膠體敷料中使用的嵌段型共聚物熱塑性彈性體主要是苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物。③水凝膠類：柔軟、可維持創面濕性愈合環境，與創面不粘連，可促進自溶性清創、抗菌，價格昂貴，適用于燒傷和壓瘡傷口。④泡沫類：透氣好、舒適、吸收性能高，但易導致傷口周圍皮膚浸漬且價格昂貴，適用于潰瘍傷口止血或炎癥階段。⑤靜電紡類：多孔結構、可吸收滲液、防止與傷口發生粘連，可方便負載或吸附抗菌藥物并促進愈合。此外，可對電紡膜進行表面修飾或改性，減少藥物突釋，實現持續給藥。

在傷口發生感染時，能夠為并發癥提供關鍵警告的標志物監測將是下一代智能敷料發展面臨的關鍵挑戰。通過監測診斷，評估傷口微環境如溫濕度、pH值、酶等的變化，從而防御感染、縮短治療時間并減少治療成本。近幾年來集成傳統敷料特性開發出的具有實時監測、早期診斷和隨需治療的新型傷口敷料成為了研究的熱點。

1 創面滲液酸堿度檢測

1.1 pH值與傷口感染間的關聯

正常的人體皮膚表面因代謝存留著尿酸、乳酸、氨基酸、游離脂肪酸等物質而呈現出弱酸性(pH值為4.0～5.5)。皮膚屏障受損時，傷口部位滲出液的pH值會隨著炎癥反應、膠原形成和血管生成等一系列病理變化而發生改變。

炎癥反應階段，傷口局部組織血管收縮引發供血不足，進而導致營養及氧氣缺乏。糖酵解導致乳酸及CO2增加，pH值降低。若傷口處存在感染，致病菌過度分解細胞外基質并產生氨，從而使傷口呈堿性[3]，氧合血紅蛋白在堿性環境下釋放的氧氣減少，不利于愈合。未采取對應的干預措施時，中性粒細胞會迅速聚集，釋放過量彈性蛋白酶，與傷口中壞死組織和失活組織作用，導致傷口處的代謝負荷增加，使得創面遷延不愈。酸性環境可使氧供應增加，誘導成纖維細胞增殖，有利于傷口愈合。臨床研究[4]表明，慢性傷口的pH值為7.15～8.90，該范圍是大多數病菌生長增殖的理想環境，如金黃色葡萄球菌適宜生存的pH值為7.0～7.5。因此，升高的pH值可被用作傷口發生感染的一個重要的指標。傷口愈合階段急性和慢性傷口的pH值理想曲線如圖1所示。

圖1 傷口愈合階段急性和慢性傷口的pH值曲線[5]Fig.1 The pH proles of the healing stage of acute and chronic wounds[5]

1.2 pH響應型敷料研究進展

當前，pH響應式敷料的構建主要圍繞比色響應進行設計，通過在傳統敷料中引入pH指示劑產生顏色變化感知傷口愈合環境。如Mohr等[6]和Schaude等[7]將生物相容性優異的指示劑染料共價連接到棉纖維、非織造布等紡織基材上，進而加工集成為醫用棉簽、繃帶、紗布等常規傳統敷料。隨pH值升高，敷料由綠色變為紅色，產生類似“交通信號”的光學響應。該類敷料價格低廉，無需儀器輔助，操作簡單，廣普大眾的接受度高。但與此同時，考慮到臨床使用中可能存在傷口滲液過少、過多或滲出液本身有顏色(血腥、化膿傷口等)干擾的情況，該類響應敷料的臨床推廣研究還在持續推進中。

Kassal等[8]將pH指示劑染料GJM-534通過共價鍵結合到纖維素顆粒上，然后嵌入聚氨酯基薄層作為pH指示傳感的敏感層，并將此敏感薄層澆鑄在常規繃帶上，形成一種可檢測傷口的智能繃帶。利用微型光電探頭與無線平臺連接，并使用射頻識別與外部讀取單元進行通信，讀取傷口滲出液的pH值。無線智能繃帶的操作示意圖如圖2所示。這種響應敷料價格較低，但易受離子、基質材料等的影響[6， 9]，適用于一次性傳感敷料。類似地，Chen等[10]將裝有環丙沙星的發光多孔硅(CIP-LuPSi)顆粒包埋在聚氨酯和殼聚糖薄膜中作為智能繃帶，當pH值和活性氧含量升高時，LuPSi的表面被氧化使紅色熒光降低，抗菌藥物CIP釋放，熒光變為藍光，依靠肉眼或手機攝像頭即可識別感染。

圖2 無線智能繃帶的操作示意圖[8]Fig.2 Schematic showing operation of the wireless smart bandage[8]

水凝膠敷料表面光滑且生物相容性好，與創面接觸時能發生反復水合作用，吸收創面滲出的組織液。與此同時，水凝膠敷料具有一定的黏性和延展性，能與創面緊密貼合，從而減少感染的發生。Zhu等[11]研制了一種新型兩性離子聚羧基甜菜堿水凝膠敷料，以無毒性的苯酚紅染料為酸堿指示劑，利用光學傳感器，當pH值升高即發生傷口感染時，水凝膠由無色逐漸變為紅色，從而達到實時監測傷口pH值以及較方便地預測傷口感染風險的目的。與市售“DuoDerm”敷料相比，Zhu等[11]研制的敷料具有更好的促愈合功能，但存在測量不夠精確和染料易浸出的問題。

2 創面溫度檢測

2.1 溫度變化與傷口感染間的關聯

皮膚溫度受內部生理因素和外部環境因素的影響，如環境溫度、表面水分、身體位置等。發生傷口感染時，人體的免疫反應以及炎癥細胞因子誘導的血管舒張和組織新陳代謝增加，這都會導致溫度升高，而創面溫度接近正常體溫時，有利于細胞分裂。手術后第3天若溫度仍持續上升，可被認為是傷口感染的標志[12]。臨床上，通常將特定目標部位和對稱的對側參考點之間的皮膚溫度差作為參考。根據經過驗證的評估工具和臨床判斷，確定傷口是否發生感染[13-14]。

2.2 溫度響應型敷料研究進展

據報道，麻省理工學院機械工程系的Sun等[15]設計了一款與隱形眼鏡材質(硅水凝膠)類似的彈性水凝膠敷料，將離子交聯的藻酸鹽和共價交聯的聚丙烯酰胺混合形成極易拉伸且堅韌的水凝膠網絡。在此基礎上，該研究團隊為拓展其應用，在該水凝膠敷料內部嵌入可實現溫度響應的電子裝置，在傷口保持濕潤的情況下實時監測傷口的溫度。該款水凝膠敷料的主要特點是延展性極好，適用于膝蓋或手肘等動作幅度大的部位，此外還能儲藥和輸送藥物，實現按需治療，較符合可穿戴型傷口敷料的要求。Pang等[16]設計了具有雙層結構的電子集成式傷口敷料，上層為柔性電子元件和溫度傳感器、紫外發光二極管，下層為紫外光響應的抗菌水凝膠，使用這種敷料對傷口處病理性感染進行早期預測，當檢測到最高溫度為40 ℃且持續超過6 h(被認為是感染)時，觸發熱響應性載體釋放藥物，實時監測、早期診斷和適度給藥。該裝置的原理示意圖如圖3所示，其具有良好的靈活性和兼容性、較高的監測靈敏度和耐久性等優勢。這種將水凝膠與溫濕度等傳感器結合，并根據實時需要定量輸送藥物的方式將是新一代智能傳感的發展方向。但因響應元件使用壽命較短，大多只能用作一次性敷料。

(a) 結構

(b) 工作原理

愛爾蘭廷德爾國家研究院、弗萊明醫療機構及荷蘭霍爾斯特中心的研究團隊研發了一款智能敷料，名為“DermaTrax”，以泡沫敷料為基材，在內層結合輕薄、靈活的傳感器模塊，可以遠程自動監測傷口與敷料貼合處的溫度、濕度和pH值，可全面替代定期復檢、換藥等常規治療方法，極大地節省醫療成本并提高醫療效果。泡沫型敷料透水氣性能好，但滲液過多也會導致傷口浸漬。“DermaTrax”智能敷料的結構圖如圖4所示。

圖4 “DermaTrax”智能敷料的結構圖Fig.4 Structure diagram of "DermaTrax" smart dressing

靜電紡類敷料具有多孔結構，透氣性好，結合熱敏傳感器可較長時間檢測傷口溫度。Gong等[17]改進并設計了一款可實時監測溫度并按需釋放藥物的柔性透氣熱響應性聚合物納米纖維敷料，其工作原理如圖5所示。該敷料具有導電圖案化的交聯電紡負載藥物的絲網印刷膜，電阻和溫度呈線性關系，可實現診療一體化，這種復合方式可以因傳感器的改變而實現不同檢測指標的測量。同時，對敷料進行柔性化、增加滲透性改進，使用舒適感提升。

韓波[18]設計了一種新型的智能傳感敷料，以商用“Tegaderm”薄膜敷料為基材，設計了一款以CC2440型芯片為基礎的CPU控制模塊、溫濕度傳感器模塊、壓力模塊、藍牙模塊等單元的集成系統，初步實現了對創面溫度、濕度以及壓力等參數的監測，通過藍牙與智能手機相連可實時顯示所監測到的數據，并可對創面數據信息進行智能管理及長期保存，生物相容性好。對于以化學傳感器為傳感模塊的傷口敷料，在檢測代謝物上具有可靠、無創、小型化可移動且便宜的特點，可連續測量多個生化分析物，對復雜慢性傷口的檢測治療很有利。該敷料可改善創面的微環境，減少換藥頻率，使創面更快地愈合。

3 創面內源性傷口生物標記物檢測

3.1 內源性傷口標記物與傷口感染間的關聯

內源性傷口標志物是指人體受到病原體侵襲時，調動各種防御功能以消除病原體及其有毒產物，恢復身體的相對穩定性，從而表達出的各類免疫物質，包括尿酸、蛋白酶、調節因子、一氧化氮(NO)等。這些物質是人體對抗外界微生物入侵的先天性免疫應答反應的產物，因而可以作為傷口感染早期的監測指標。

圖5 按需釋放藥物的柔性、透氣溫度傳感敷料示意圖[17]Fig.5 Schematic diagram of a flexible， breathable temperature sensing dressing that can releases drugs on demand[17]

3.2 尿酸響應型敷料研究進展

由機械作用或化學干擾而導致的細胞損傷會使得三磷酸腺苷(adenosine triphosphate， ATP)釋放到細胞外基質中。ATP逐步分解為腺苷單磷酸、肌苷單磷酸、腺苷、肌苷和次黃嘌呤，并在組織中積累。黃嘌呤氧化酶將次黃嘌呤轉化為黃嘌呤，最終轉化為尿酸(uric acid， UA)，并釋放有毒的超氧化物自由基[19]，正常UA濃度為220～750 μmol/L。傷口內尿酸鹽含量增加容易延長炎癥期，并使愈合過程停滯甚至向慢性傷口發展。

黃嘌呤氧化酶是人體中唯一一種可催化產生UA的生物酶，來自垂死細胞的尿酸鹽是“損傷相關”的分子觸發因子，可導致中性粒細胞增殖和炎癥加劇，因此UA可作為監測指標。

對于檢測用敷料，通常將各種復雜的傳感集成系統與傳統繃帶結合，主要檢測傷口各項指標，繃帶僅起到固定傳感器的作用。如Phair等[20]設計了一種以大氣壓等離子體處理的導電、低模量碳纖維編織物繃帶為基材，聚乙烯薄膜為傷口監測的機械柔性和導電傳感材料，該材料在激光燒蝕后呈網狀結構，電化學性能得到改善，可以高效檢測傷口處的尿酸濃度。Kassal等[21]將尿酸酶和普魯士藍修飾的碳電極絲網印刷到商業繃帶上，利用尿酸酶分解尿酸后引起電化學信號變化的特點，開發了一種非接觸式無線連接的新型繃帶，用于檢測傷口滲出液的尿酸濃度。這種基于電化學的方法是使用最廣泛的一種測量生物代謝物的敷料，但測量時干擾因素較多，需要對生理代謝物做全面了解，避免因其他物質的干擾而影響測量結果，因為此種敷料的使用壽命較短，需降低其成本。

3.3 NO響應型敷料研究進展

NO是細胞中最小的脂溶性信使分子之一，由一氧化氮合酶(NOS)催化L-精氨酸生成。外傷環境內存在的NO可由各種皮膚細胞或炎癥細胞中誘導表達的NOS合成。NOS可保障外傷后皮膚正常的上皮生成。適量的NO可促進細胞間信號傳遞、血管生成、成纖維細胞和內皮細胞等的增殖和分化，調節基質的沉積和重塑，形成創面膠原，增強組織力學強度[22]。NO釋放量可以反映傷口愈合狀態。正常皮膚的NO濃度為(0.27±0.07) μmol/L，低濃度(0.01～0.25 μmol/L)可刺激細胞分裂，而濃度高于0.5 μmol/L會促進炎癥和細胞凋亡[23]。Shao等[24]開發了基于毛細管的微量等離子體系統，可調節血漿成分的微等離子，在低操作溫度下處理皮膚傷口，試驗結果表明，適度提高NO濃度可加快傷口愈合。

Muthuraj等[25]合成了一種新型的熒光素-吲哚和Cu2+探針的水凝膠敷料，研究發現，Cu2+的存在可更加靈敏高效地選擇性檢測NO，同時結合水凝膠敷料，可以使創面處于保濕的狀態，促進傷口愈合，探針的存在使得感染可以被肉眼識別。但其熒光響應具有一定的時間依賴性，對NO的測量只可達到半定量水平而存在一些誤差，因此仍需要做進一步改進。

4 創面細菌代謝物檢測

4.1 細菌代謝物與傷口感染間的關聯

大多數病原細菌會分泌毒力因子，如：黏附素可使細菌黏附到宿主組織上并形成生物膜，保護微生物的生長，使細胞能夠在不利的環境中生存并自我分散；透明質酸酶、蛋白酶和脂肪酶等可以降解組織成分以允許深層組織滲透；α-溶血素和白細胞介素可以造孔；凝固酶能夠逃避或抑制宿主免疫系統的膜蛋白，進一步造成組織損傷。細菌的嚴重定植是傷口感染并導致延遲愈合的重要原因，檢測傷口細菌代謝物可直接反映感染情況[26]。

4.2 細菌生物膜響應型敷料研究進展

近些年來，隨著對生物膜了解的不斷深入，研究人員發現生物膜的主要成分是細菌及其營養物質和代謝產物形成的聚集體，可以為細菌特別是多重耐藥細菌的生存和繁殖提供物質保證，因此細菌生物膜是一種重要的傷口感染標志物。現有方法中多用接有凝集素的熒光染料標記多糖或接有特異性序列的染料標記蛋白質來指示細胞外基質聚合物的結構及含量，或直接檢測細菌含量。

水凝膠敷料保水率高、吸濕性能好，其可很好地貼合傷口。據報道，對于慢性傷口而言，非滲透性敷料比滲透性敷料更容易使傷口形成酸性分泌物，而酸性分泌物在體外研究中顯示具有抑制細菌生長和促進成纖維細胞生長的能力。因此，為了更好地治療慢性感染傷口，Thet等[27]將含有囊泡的熒光染料用瓊脂糖混合并分散在水凝膠基質中，然后鋪在納米多孔聚碳酸酯膜上，當細菌數量達到臨界設定閾值后，水凝膠薄層會產生黃色熒光。這種自動變色智能敷料可以讓患者和醫護人員及時發現傷口感染，并作為細菌嚴重定植的重要警示，是生物膜檢測的間接手段。He等[28]設計了對近紅外激光有很強的響應能力的中空金銀納米殼水凝膠，利用近紅外的熱效應，促進血管擴張和血液循環，從而促進傷口愈合。將光熱效應結合高靈敏、高分辨率的表面增強拉曼散射成像技術，可以實現多功能診療一體化。

4.3 細菌代謝酶響應型敷料研究進展

當傷口感染時，多種細菌代謝酶促進了組織的分解，延長了炎癥時間。對于酶的檢測，常使用抗原抗體的方法，其具有特異性強、高效的特點。Xu等[29]制備了電化學免疫傳感器，將載有萬古霉素的磺化透明質酸封端劑的磁性介孔二氧化硅納米粒子與磁性玻璃碳電極結合，根據其特異性抗原抗體結合引起的電化學信號的變化檢測金黃色葡萄球菌的數量，當細菌釋放透明質酸酶并分解透明質酸時釋放藥物。該傳感器特異性強，可以作為檢測細菌分泌酶的方法，但這種檢測方法是在體內進行的。

除了利用傳感集成系統外，還可以利用酶與光敏劑的作用對傷口感染作出響應。Zhou等[30]使用色氨酸對天然光敏劑三聯噻吩醛進行改性，使其水溶性增加的同時降低光毒性，并將改性光敏劑填充到囊泡中，最后將囊泡負載水凝膠上，當發生細菌感染時，菌體所釋放的酶會使熒光團裂解并釋放到水凝膠中，在紫外燈下水凝膠會發出藍色熒光。此水凝膠敷料對多重耐藥致病菌的實時檢測與治療有一定的指導意義。

5 創面揮發性有機物檢測

5.1 揮發性有機物與傷口感染間的關聯

細菌在傷口處代謝時會產生不同的揮發性化合物(如乙醇、乙酸、氨、丙酮、乙醛、2-丁酮和丁酸)，檢查傷口周圍的揮發性化合物濃度可以監測傷口感染處細菌類型和生長階段。

5.2 揮發性有機物響應型敷料的研究進展

通過設計一系列的傳感器陣列，研究人員將人體健康皮膚表面與受傷傷口的響應信號進行對比并消除背景氣味，檢測細菌釋放的氣體。傳感器陣列作為氣體檢測中較優異的檢測方法而被廣泛應用。如Bailey等[31]將導電聚合物膜電化學沉積到基底上，并行使用金屬氧化物傳感器和導電聚合物傳感器的混合陣列系統，可有效監測氨。基于電子鼻的傷口感染病原菌檢測方法，不需要復雜的樣本處理，可結合繃帶使用，具有無創、高效、實時診斷的特點。

對于多種揮發性有機物的測量，干擾因素較多，檢測困難，因此常使用電子鼻傳感器或借助儀器。如Allardyce等[32]用離子流管質譜掃描識別樣品中存在的化合物，通過檢測多種細菌釋放在傷口周圍空氣中的揮發性有機氣體混合物，進行傷口感染監測與細菌鑒別。徐姍等[33]利用金屬氧化物半導體傳感器，采用徑向基神經網絡和獨立分量分析相結合進行識別，可對多種氣體進行檢測，準確率高，適用于臨床細菌檢測，并可與敷料結合使用。這類多傳感系統設計復雜，干擾因素較多，但仍有較大的發展空間。

6 結 語

大多數創傷患者在就醫前傷口已經發生細菌嚴重定植，錯過了最佳治療時機，而醫療人員常依據一些局部特征進行經驗治療，治療效果有限。因此，對感染傷口實時診斷和按需治療的診療一體化敷料將很有市場，其可直觀地向患者或醫務人員提供反饋，促使傷口自主進入愈合進程或使并發癥最小化，減輕患者的身體不適與經濟壓力。

從材料看，智能傳感敷料基材可為傳統敷料(繃帶等)、生物敷料(自體皮、同種異體皮、膠原類等)、新型合成敷料(水凝膠、泡沫等)。

從功能看，新型敷料追求個性化診療。舒適性方面，要求敷料柔軟、透氣性好；靈敏度方面，要求快速精準監測，避免各監測指標干擾；診療方面，要求將生物成分、理化檢測器、敷料及遠程監控終端結合起來，實現實時監控、早期診斷和按需治療的多重功能。

從現有產品看，高端可穿戴電子設備力求與生物傳感器結合，可同時檢測傷口多重指標。目前，設備小型化、皮膚刺激最小化和測量高效便捷化的可穿戴設備較少，亟待解決傳感器靈敏度、產品穩定性、成本和使用舒適性等問題，屬于該研究領域的熱點和難點，因此開發智能可穿戴式敷料具有廣闊的前景。