智能敷料的研发现状与应用展望

张 喆 王 瑞 羌培华 伏立松 李孟轩

（1.天津工业大学，天津，300387；2.南通醋酸纤维有限公司，江苏南通，226000；3.天津师范大学，天津，300384）

目前，判断创面愈合情况需要去除敷料直接观察，这会破坏创面微环境，影响创面愈合。智能敷料可以通过监测创面温度的变化及微生物含量来判断创面是否感染，通过监测创面湿度、pH 值、氧含量等因素来判断创面微环境是否利于愈合［1］，大大减少敷料的更换次数，减轻患者的痛苦，还可以实现远程医疗服务功能，达到个体化医疗。本研究总结了目前一些智能敷料的制备方法及其性能特点，综述了智能敷料的研发进展，为后续研究建立较全面的背景知识体系提供理论参考。

1 智能敷料的制备方法

医用敷料能用于加速伤口处的组织再生，具有预防和治疗感染及恢复皮肤的优良特性［2］。目前医用敷料大致可以分为生物种类、人造合成类和新型功能复合类三大类。其中生物种类包括棉纱布、胶原蛋白敷料、壳聚糖敷料、海藻酸盐敷料；人造合成类包括薄膜敷料、水胶体敷料、水凝胶敷料、泡沫敷料；新型功能复合类包括银离子敷料和复合敷料［3］。

1.1 敷料基底的选择

已报道研究中的敷料基底多为棉纱布类和薄膜类。棉纱布类来源广泛，价格低廉，吸液能力较好，但易黏连伤口，不隔菌，易干燥；薄膜类贴合性和透气性好，但吸液能力差。两种敷料均无法满足不同类型及不同愈合时期伤口的愈合要求。要求智能敷料基底无毒，具有一定的拉伸性、透气性和机械强度，并具有良好的贴附性和生物相容性，不易引发过敏反应。除此之外，还需针对不同原因形成、不同愈合时期的伤口选择适当的基底，智能敷料还需要满足作为传感器载体的要求：耐油、脂肪、稀酸、稀碱等大多数溶剂，优良的耐摩擦性、尺寸稳定性和电绝缘性［4］。今后对基底的选择需满足上述要求，可以是市售的敷料，也可以根据不同敷料的优缺点制备复合敷料。

1.2 制备方法的选择

智能敷料可以通过比色法反映创面愈合情况，如变色敷料，也可以使用柔性传感器对微环境进行监控，如智能传感敷料。

1.2.1 变色敷料制备方法

在伤口愈合过程中出现感染等症状时，创面微环境会发生变化，变色敷料可以通过颜色变化发出预警。变色敷料的制备方法包含染色法和纺丝法两种。染色法是指将敏感染料（温敏、pH 敏感染料等）通过染整的方法整理到敷料上；纺丝法则是将敏感染料掺入纺丝液中，通过纺丝技术制得变色纤维，而后采用变色纤维制备医用敷料。变色敷料制备方法简单、临床应用方便、生产成本低，但也存在颜色变化不明显、易受外部环境影响等问题，未来仍需对这些问题进行深入研究，以提高变色敷料在临床应用中的准确性。

1.2.2 智能传感敷料制备方法

智能传感敷料是将传感器、生物敷料、数据传输系统有机结合而构建的，能够实时、动态反映创面相关信息的一种新型高技术产品［5］。传感器是智能传感敷料的核心部件，用于制备柔性传感器的材料必须具有一定的拉伸性、透气性和机械强度，以及良好的贴附性和生物相容性。目前制备智能敷料用的柔性传感器常采用喷墨打印和丝网印刷技术。

喷墨打印是一种材料节约型沉积技术，油墨从墨水腔内喷射到基材上，随着表面张力辅助流沿着基材表面流动，墨滴通过溶剂蒸发法干燥后形成要打印的图像［6］，具有可批量制备、重复率高、图案形状灵活可控的优点；丝网印刷是指印刷时通过刮胶挤压，使油墨通过图案化的网孔转移到承印物上，形成与丝网上图案一样的印刷方法［7］，具有操作简单、成本低、环境污染小、容易图案化等优点。除了上述两种制备技术外，还有软光刻技术、转移印刷技术、磁控溅射技术等，在制备柔性传感器时，需要根据监控指标、使用材料来选择合适的制备方法。

2 智能敷料的研发进展

智能敷料在伤口治疗和创面微环境监护方面具有明显优势和发展潜力，近年来逐渐成为研究热点。然而，由于创面信息的复杂性和现有传感技术医疗转化的迟滞性，智能敷料的研究与发展受到一定限制。已报道研究中的智能敷料多数只能监控创面微环境的一种指标，对多个指标监控的研究相对较少，以下将分别介绍监控单一指标和多个指标的智能敷料研发进展。

2.1 监控单一指标的智能敷料

2.1.1 创面pH 监控

pH 值的大小对创面愈合影响显著，研究认为，接近中性（pH 值为7）的环境最适宜细菌生长，易引起伤口发炎；微酸性的环境（pH 值为5）更有利于增加纤维细胞活性，并且抑制细菌滋生，减少感染和发炎症状；微碱性的环境（pH 值为9）被证实在烧伤愈合中会起到促进作用［8］。

通过比色法和荧光变化法判断创面pH 值是最简单可行的方法，田玉玲等［9］将灿烂黄、刚果红、茜素3 种染料分别整理到棉纱布上，试验结果表明，整理后的敷料在 pH 值为 3 和 pH 值为 8 时颜色有明显差异，但在pH 值为5～8 的区间颜色变化不明显。TAMAYOL A 等［10］将 pH 敏感 染料包裹到介孔二氧化硅颗粒中，通过微流体纺丝制备pH 敏感纤维，并采用该敏感纤维制备医用敷料，可通过智能手机拍照显示纤维颜色，但基于图像的颜色判断易受到光照和图像质量的影响。

使用传感器将大大提高监控的准确性，SRIDHAR V 等［11］设计了一种 pH 敏感水凝胶敷料，将夹带pH 敏感水凝胶的电感线圈整理到覆铜聚酰胺薄膜上制得pH 敏感水凝胶敷料，如图1所示。其原理是pH 值变化引起水凝胶形变导致线圈电感变化，由外接仪表显示pH 值变化，其存在的问题是水凝胶形变易受其他因素影响。RAHIMI R 等［12］将碳/聚苯胺复合材料通过喷墨打印技术整理到柔性基材上制得电化学pH 响应敷料，其工作原理是传感器对pH 值变化具有Nernstian 响应，该敷料具有良好的拉伸性，可准确监控环境pH 值变化，但作用时间短，未达实时监控。POORIA M 等［13］采用载药复合敷料为基底，碳/聚苯胺和银/氯化银电极为传感器材料，金电极为加热器材料制备智能敷料，并与外部电子设备连接，该敷料可对创面pH 实时监控，在伤口感染时还可释放药物促进愈合，pH 监控及可控药物释放的智能敷料如图2 所示。

图1 pH 敏感水凝胶敷料

图2 pH 监控及可控药物释放的智能敷料

2.1.2 创面温度监控

创面温度是创面愈合的重要指标，研究表明急性创面形成后的初期，创面温度升高有利于创面愈合；在慢性创面中，局部温度的突然升高是典型的创面感染及炎症现象［14］。智能敷料对创面实时监控可确保温度处在利于伤口愈合的范围，并且可以协助判断创面是否感染。

MATZEU G 等［15］使用多壁碳纳米管热敏电阻与RFID 无线射频识别技术制成无线传感系统，可监控人体皮肤温度，但尚未应用到创面监控领域。NAJAFABADI A H 等［16］将银墨材料通过丝网印刷技术整理到纳米纤维基底上制备电阻温度传感器敷料，测试结果表明，温度在25 ℃～35 ℃变化时与电阻呈相对线性的关系，但该敷料与创面的黏合性不足。

研究人员将传感器设计成仿生结构，并与敷料结合以解决敷料与创面黏合性不足的问题 。 HATTORI Y 等［17］将铜电极设计成超薄丝状蛇形结构，将其作为电阻器层压在聚酰亚胺衬底上，制得监控伤口温度的智能敷料，如图3 所示。试验结果证明，丝状蛇形结构可提高传感器的黏附性，通过指示灯颜色变化可实现创面温度监控。OH J H 等［18］使用热响应水凝胶与导电复合材料制备电阻式温度传感器，具有较高的热敏性，在25 ℃～40 ℃之间可以准确检测到0.5 ℃的皮肤温度变化；将传感器与仿章鱼触手微结构的聚二甲基硅氧烷（以下简称PDMS）结合，可提高传感器与创面的贴附性，使智能敷料的监控更准确。

图3 监控伤口温度的智能敷料

2.1.3 创面细菌监控

创面细菌定植会剥夺伤口愈合的氧气和营养，延长炎症期，导致伤口难以愈合，目前最常见的创面细菌类型是铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌［19］。临床上通过培养法鉴别创面的细菌，此种方法所需时间较长，为此，研究人员开发了便携式生物传感器对细菌进行快速筛选。

SISMAET H J 等［20］将一次性的电化学传感器通过丝网印刷技术整理到敷料上，该传感器可通过检测绿脓素确定铜绿假单胞菌。YUE H等［21］使用特异性有毒噬菌体修饰在羧基石墨烯包覆的玻璃碳电极上制备可荧光的生物传感器，将其与敷料结合，可对创面铜绿假单胞菌进行检测，并且具有较高的特异性。

相比铜绿假单胞菌检测，金黄色葡萄球菌的检测更加困难。SUAIFAN G A 等［22］报道了一种基于比色法的生物传感器，其中的磁性纳米粒子与金黄色葡萄球菌接触时，传感器的颜色从黑色变为金色，将其嵌入医用敷料中可用于检测创面金黄色葡萄球菌。

尽管这些便携式生物传感器为当前技术提供了有效的替代方法，但仍需对其可靠性以及与医用敷料的可结合性进行研究。

2.1.4 创面氧含量监控

氧气是细胞代谢的重要物质，在愈合过程中起到关键作用。 正常创面的氧气分压为10 mmHg～30 mmHg，创面发炎时会更低，而局部组织的氧气分压在50 mmHg～100 mmHg 适合创面愈合［23］，对创面氧含量的实时监控有助于选择适当疗法加快伤口愈合。

LI Z X 等［24］将参比染料和卟啉-树枝状聚合物荧光粉分散到水胶体敷料中，通过特制成像设备可监控烧伤创面的耗氧量，制得监控伤口氧含量的智能敷料如图4 所示，但该敷料无法测量创面氧气分压的具体数值。LUO J 等［25］使用固态质子导电基体，并以PDMS 为透氧膜通过低温共烧陶瓷工艺制备了微流体Clark 型氧传感器，实现了精确的氧气测定和溶解氧的实时检测，可与敷料结合对创面氧含量进行监控。

图4 监控伤口氧含量的智能敷料

2.1.5 创面其他因素监控

除上述指标外，创面微环境还包括湿度、创面分泌物和压力等。敷料内连续的水分含量测量对于敷料更换和干燥或坏死组织的清创十分重要。Ohmedics 已开发出一种名为“Wound Sense TM”的商用伤口水分监测系统，使用由一次性氯化银电极组成的水分传感器，根据干湿状态下电极阻抗不同放映创面的湿度，该产品已得到欧盟认可。

尿酸是创面分泌物之一，研究表明它与创面的严重程度及微生物感染有关。PETAR K 等［26］采用丝网印刷技术研制了一种监控创面尿酸含量的生物传感器，并将传感器贴于敷料上，可以监控创面尿酸含量，并将监测信息传输到智能手机上，制得的监控伤口尿酸的智能敷料如图5 所示。

图5 监控伤口尿酸的智能敷料示例

负压伤口疗法［27］可促进某些伤口（如静脉腿溃疡）的愈合，但压力过大也会产生负面影响，因此需要监控创面压力。目前，对柔性压力传感器的研究已十分广泛［28］，在医疗上的应用也相对成熟。

2.2 监控多指标的智能敷料

由于创面微环境复杂多变，各个指标之间会相互影响，对多指标的同时监控将会更高效的反映创面的愈合情况。

FAROOQUI M F 等［29］设计了一种监控多指标的智能敷料，如图6 所示。该敷料可通过电容传感器监控出血状况及创面压力（以介电常数改变监控出血，以厚度变化监控压力），碳基油墨丝网印刷的电阻传感器监控创面pH 值，并使用可拆卸和重复使用的电子设备传输信息；该敷料对压力及出血量的监控可达极小的数量级，且电阻值与pH 值具有良好的线性关系。李石坚等［30］公开了一种电子皮肤的专利，包括可监控伤口温度、湿度、肿胀拉应力、皮肤阻抗、心电图和血氧变化的传感单元，将数据传输至手机APP 的主控单元，以及收到反馈后主动释放促进因子干预伤口愈合的执行单元。韩波［31］将市售的传感器和蓝牙模块及微处理器等整合到硬质电路板上，设计出集创面监控和数据传输于一体的集成系统，并将其嵌入棉纱布中制备成智能敷料，通过手机APP 接收信号，可对创面温湿度及压力实时监控。

图6 监控多指标的智能敷料

监控多指标的智能敷料还处于初步研究阶段，在对前人研究的总结中，我们发现将无线信号传输设备设计成可拆卸且重复使用的独立模块，可以大大节约成本。未来的研究可以此为基础，解决前人研究中存在的集成系统柔性差、传感器与皮肤贴附性差以及接受信号的手机APP 设计不完善等问题。

3 结语

智能敷料是将传感技术与医用敷料相结合的高技术产品，在创面治疗和实时监控方面具有明显优势及发展潜力。综合前人研究中存在的传感器柔性差、敏感性差、敷料基底选择存在局限性等问题，未来智能敷料的研究应当向更精确更全面监控伤口愈合情况的方向发展。具体思路：根据不同伤口种类及愈合阶段选择适当的敷料基底和监控指标；监控方式选择灵敏性和准确性更高的生物传感器；针对目前使用的传感器柔性差的问题，要加快纺织结构传感器的研究及医疗转化，推进传感器的柔性化进程。国外智能敷料的研究开展较早，已取得较多研究成果，国内则起步较晚，进展缓慢。今后，我们需要加大人才和资金投入，充分发挥纺织学科优势，与医疗和电子学科结合，开发出具有我国自主知识产权的智能敷料产品。