功能性腹壁封闭敷料的制备及其性能测试

牛泽浩，王 欣，丁姗姗,4，汪 滨,4，许育健，李 彦，陈犹白，雷永红，郭希民，韩 岩

1 解放军医学院，北京 100853；2 解放军总医院第一医学中心 整形修复科，北京 100853；3 战略支援部队特色医学中心 眼科，北京 100101；4 北京服装学院 材料设计与工程学院，服装材料研究开发与评价北京市重点实验室，北京 100853；5 军事医学科学院 基础医学研究所，北京 100853

腹部创伤是一种常见的战创伤。在战争中，腹部创伤伤员占全部伤员的10% ～ 20%[1]。腹部创伤的常见致伤因素包括枪弹伤、爆炸伤、刺伤、高空跌落和交通事故等。根据腹壁是否受损，可将伤员分为闭合性腹部创伤和开放性腹部创伤[2]。其中，开放性腹部创伤由于内脏外露常导致腹腔感染，严重者可导致脓毒症[3]。因此，尽快封堵缺损的腹壁，保护腹腔脏器成为亟待解决的问题。现有技术可以封闭腹壁缺损，但由于腹内压未知，难以为医护人员提供直接的相关信息。随着传感器技术的发展，可穿戴式柔性传感器在医疗领域的应用愈加广泛。目前已经有敷料可以检测创面愈合过程中的酸碱度[4]、C反应蛋白[5]、温度[6]等的变化情况，因此有望通过功能性敷料解决腹内压监测的问题。热塑性聚氨酯弹性体(thermoplastic polyurethane，TPU)材料柔软、透气、舒适性好且具有良好的生物相容性；静电纺丝技术制备的纤维膜透气性好，机械性能佳[7]。因此应用静电纺丝技术制备TPU纤维膜柔性传感器在创伤修复领域具有广泛的应用前景。本研究在柔性电容式压力传感器技术的基础上，自行研发一种适用于开放性腹部创伤的功能性封闭敷料，使其能够在暂时性闭合腹腔的同时反映腹腔内压力，为进一步研制智能敷料奠定基础。

材料与方法

1 实验动物 该实验已获得解放军总医院动物伦理委员会审批通过，编号SQ2021222，实验动物购买并饲养于解放军总医院实验动物中心。雄性新西兰兔5只，3月龄，体质量2.5 ～ 3.5 kg；雄性C57小鼠10只，8周龄，体质量20 ～ 30 g。

2 主要材料与仪器 L929小鼠成纤维细胞(国家生物医学实验细胞资源库)；MadLab生物信息化医学信号采集处理系统(压力读取装置，北京众实科技，MadLab4c-5H)；超净工作台(中国，东联哈尔)；倒置荧光显微镜(日本，Olympus)；紫外分光光度计 (美国，Beckman)；立式离心机(日本，Kubota)；热塑性弹性体聚氨酯(TPU，德国巴斯夫集团)；N,N-二甲基甲酰胺(DMF，北京市通广精细化工公司)；四氢呋喃(THF，北京市通广精细化工公司)；纺丝机(TL-Pro，深圳通力微纳有限公司)；电容测量仪(TH2618B，常州同惠电子有限公司)；拉力机(XLW-B 型，济南兰光机电技术有限公司)；CCK-8(Solarbio)；MEM培养基(Sigma)；舒泰50(北京佑宠生物科技有限公司)；壳聚糖(青岛海汇生物科技有限公司)；医用生物胶水(Vetbond Tissue Adhesive，3M公司)；医用透明敷料(3M公司，10 cm × 12 cm)。

3 TPU静电纺丝纳米纤维膜的制备 将5 g TPU完全溶解于10 mL DMF和10 mL THF中，用注射器吸取并安装在纺丝机上；裁取3.0 cm × 3.2 cm大小的锡纸，完全贴合在纺丝机接收辊筒；打开纺丝机热风箱，将热功率调整为0.5 ～ 0.6 kW，预热接收辊筒1 h，随后将正极电压调整为18 kV，负极电压调整为-2 kV，介电层纺丝时间为3 h，支撑层纺丝时间为5 h。按照图1组装TPU纳米纤维膜电容式压力传感器。将TPU纳米纤维膜裁剪为面积为2.5 cm × 4.0 cm的矩形，并把碳纳米管导电油墨缓慢倒于TPU膜表面进行刮膜，构成如图1A所示电极层(黑色)。采用超声波焊接的方式将各层进行焊接封装，外端两根导线连接电容测量仪读取电容值变化。新型止血壳聚糖敷料由郭希民团队制备并赠送于本课题组[8]，如图1B所示。

图1 功能性腹壁封闭敷料的制备示意图A：TPU纳米纤维膜电容式压力传感器制备示意图；B：新型止血壳聚糖敷料；C：功能性腹壁封闭敷料外观图Fig.1 Schematic diagram for development of the functional abdominal wall sealing dressingA: Schematic diagram of TPU nanofiber membrane capacitive pressure sensor; B: Hemostatic chitosan dressing with optimized thickness; C: Appearance of the functional abdominal wall occlusive dressing

4 功能性腹壁封闭敷料的制备 通过生物胶水

将TPU纳米纤维膜电容式压力传感器和新型止血壳聚糖敷料进行组合(图1C)。为增强该材料密闭性，我们在该敷料外层附加了一层透明敷料，面积约为10 cm × 12 cm，左右边缘距壳聚糖敷料约2 cm，上下边缘距壳聚糖敷料约3 cm。

5 功能性腹壁封闭敷料的物理性能检测 1)力学性能检测：使用拉力机对该功能性腹壁封闭敷料进行测试。裁剪样品条宽度为 1.5 cm，长度为10 cm，拉伸速度为25 mm/min。采用游标卡尺对敷料中心层厚度进行测量，选取相同厚度的无纺布作为对照组。2)体外压力传感性能检测：电容式压力传感器的工作原理为外接施加的压力使纳米纤维膜基柔性压力传感器的电极层间距发生变化，从而导致压力传感器器件的电容值发生变化。压力传感性能测试方法：将该敷料与电容测量仪进行连接，示数稳定后读取初始电容值C0；取一盖玻片覆盖于该器件上，用镊子夹取砝码，稳定后读取电容值C；将所测得的数据作图，横轴为压力(mmHg)，纵轴为C，进行分段拟合。

6 生物相容性检测 根据《医疗器械生物学评价》GB/T 16886.5-2003和GB/T 16886.11-2011对该敷料进行体外细胞毒性和全身毒性试验。将敷料以钴60照射灭菌后，按照6 cm2/mL的标准将所制备的敷料整体(包括壳聚糖、传感器薄膜等)浸泡于含10%血清的MEM培养基和0.9%氯化钠注射液。制备浸提液的时间为(24±2) h，温度为(37±1)℃。1)细胞毒性试验：对照组使用正常培养基，实验组使用含10%血清的MEM培养基浸提液。将对数期生长的L929细胞分别制备成浓度为5 × 104/mL的细胞悬液，按照每孔100 µL加入96孔板中。分别培养24 h、48 h、72 h、96 h后，弃去培养基，加入100 µL的CCK-8工作液，继续培养3 h。吸取上清液进行分光光度检测，于OD450进行读数，同时在显微镜下观察两组细胞形态。2)皮肤致敏实验：取7周龄的C57小鼠10只，随机分为2组。所有小鼠腹部备皮，裸露面积约2.5 cm × 2.5 cm。其中，实验组将0.9%氯化钠注射液浸提液均匀涂抹至小鼠腹部裸露皮肤处；对照组以0.9%氯化钠注射液处理小鼠。分别于处理后1 h、24 h、48 h观察小鼠皮肤变化并拍照，按照表1标准对小鼠皮肤进行评分。3)全身毒性试验：将0.9%氯化钠注射液和0.9%氯化钠注射液浸提液按50 mL/kg注入小鼠腹腔内，于注射后24 h、48 h、72 h分别测量小鼠体质量，并密切观察小鼠生理状态。

表1 皮肤致敏实验评分标准Tab. 1 Scoring criteria for skin sensitization test

7 动物模型构建及腹腔压力监测 为检测该功能性腹壁封闭敷料反映腹腔压力的能力，使用新西兰兔构建5只腹壁缺损及腹内高压模型(图2)。实验动物于术前1 d禁食水，舒泰50肌内注射麻醉后，取仰卧位将动物固定于固定架上。于腹部中线逐层切开皮肤、皮下组织、部分腹直肌及腹膜，构建直径约5 cm的缺损创面(图2A)。向动物腹腔内置入可调节体积的特制水囊，以调节腹腔内压力，并将膀胱内置管与压力信号采集系统连接，采用经膀胱测压法实时监测动物的腹腔压力(图2B，点1连接压力读取装置，所得压力值记为P1)。动物致伤后立刻使用功能性腹壁封闭敷料关闭腹腔，并通过向水囊中注水使动物腹腔内压力增高(图2B，点2连接注射器，可向水囊中注水)。使用电容读取装置读取功能性腹壁封闭敷料的电容值，并将电容值转化为压力(图2B，点3连接电容读取装置，将转化的压力值记为P2)。比对P1与P2值，以验证该敷料反映腹腔压力的准确度和敏感度。

图2 动物模型示意图A：构建直径约为5 cm的缺损创面；B：使用膀胱测压法和功能性腹壁封闭敷料分别对实验动物腹腔压力进行监测Fig.2 Schematic diagram of the animal modelA: An abdominal defect wound with a diameter of about 5 cm was constructed; B: The abdominal pressure of animals was monitored using cystometry and functional abdominal wall occlusive dressing

8 统计学方法 使用SPSS23.0进行数据统计和

结 果

1 功能性腹壁封闭敷料力学性能 相较于无纺布，功能性腹壁封闭敷料的拉伸性能较好。该敷料拉伸形变可以达到200%以上(图3)，说明其具备良好柔韧性，可以满足极端条件下的使用需求。

图3 功能性腹壁封闭敷料和无纺布的应力应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of the functional abdominal occlusive dressing and the non-woven fabric

2 功能性腹壁封闭敷料压力传感性能 使用纺丝时间为5 h的TPU纳米纤维膜作为支撑层，使用纺丝时间为3 h的TPU纳米纤维膜作为介电层，并对该器件进行压力传感性能测试。结果显示，电容值随压力上升而上升，压力响应良好。使用Boltzmann方法对该曲线进行拟合，拟合曲线如图4所示，拟合方程：y=25.86 + -9 242.53/[1 + exp(x+ 26.55)/4.43)]，其中y为电容值(单位为pF)，x为压力值(单位为mmHg)。

图4 功能性腹壁封闭敷料压力响应曲线Fig.4 Pressure-response curve of the functional abdominal occlusive dressing

3 功能性腹壁封闭敷料生物相容性 细胞毒性实验显示，培养24 h、48 h、72 h、96 h后，实验组与对照组吸光度值无差异(图5)；显微镜下观察可见实验组细胞呈贴壁生长，与对照组细胞相比形态无明显变化。皮肤致敏实验结果显示实验组小鼠皮肤无水肿、无红斑；全身毒性试验显示实验组和对照组动物均无中毒症状。

图5 CCK-8实验Fig.5 Cell counting Kit-8 (CCK-8) assay

4 功能性腹壁封闭敷料腹内压检测 如图6所示，随着水囊中液体量增加，膀胱内压(腹内压，P1)也随之增加，腹腔压力与水囊灌注量呈正相关。通过上述公式将电容值转换为压力值(P2)，P2值与水囊灌注量、P1呈正相关。对P1与P2进行t检验，以判定两组压力数值差异是否有统计学意义。结果显示，P1与P2的变化趋势一致，两组数据之间差异无统计学意义(表2)，说明该敷料可以反映实验动物腹内压。

图6 膀胱内压和功能性腹壁封闭敷料转化压力值曲线Fig.6 Bladder pressure and functional abdominal dressing conversion pressure curve

表2 膀胱内压与功能性腹壁封闭敷料转化压力值比较Tab. 2 Comparison of bladder pressure and pressure detected by the functional abdominal wall occlusive dressing

讨 论

随着现代战争作战环境和作战模式的转变，战场伤情愈加复杂，极大地增加了现场救治难度。其中，由于缺少防具保护，腹部创伤常呈现出损伤面积大、伤情严重、死亡率高的特点[1,9]。腹部战创伤后患者常出现多种危及生命的病理生理学变化，其中以失血和腹腔脏器损伤最为严重。

失血是穿透性腹部创伤最直接的致命因素，腹部主要血管和脏器的损伤是导致大出血的主要原因，尽早控制出血能够显著提高伤病员的生存率[10-11]。目前，世界各国军队针对止血产品的开发已经取得了长足的进步，相关产品包括纤维蛋白敷料(dry fibrin sealant dressing，DFSD)、Kaolin gauze (QuikClot Combat Gauze，QCCG；Z-Medica,USA)、Zeolite granules(QCZG；QuikClot，ZMedica，USA)、Celox Gauze(CELOX；SAM Medical Products，USA)等。但这些产品均不能完全满足理想止血剂的所有特征[8]。因此，本课题组在前期工作中研发了一种新型止血材料，以应对严重出血的一线急救[8]。在兔动脉致死性出血模型中，相比于QCCG、QCZG和CELOX，该新型止血材料能够以更快的速度封堵兔股动脉，动物平均出血量明显减少。而且止血后，该材料易于移除，从而保持创面的清洁，降低后续治疗难度。

腹腔脏器的损伤是腹部损伤区别于其他部位损伤的特征性病变。腹部创伤会导致腹腔脏器的水肿、扩张[12]；在开放性腹部创伤中，腹壁向外侧收缩，腹壁顺应性下降，使腹腔容积进一步缩小，从而导致腹腔内压升高[13]。而在战场救治时，由于治疗条件有限，常规暂时关闭腹腔和保护肠道的救治方法常忽略患者腹腔内压力变化，甚至导致腹内高压转变为腹腔间隙综合征[14]，严重危及伤员生命。因此，腹腔压力实时监测对于腹部创伤的患者至关重要。目前，压力监测的方法主要有经膀胱测压、经胃测压、经直肠测压、经下腔静脉测压等。其中经膀胱测压方法简单易行，费用低廉，是监测腹内压的首选方法[15]。何红艳等[16]评估了膀胱测压法在基层部队腹部创伤救治中的应用，结果显示该方法可以准确及时地反映腹部伤情变化情况，适合应用于基层部队腹部创伤救治救护。由于战场条件下救治时间窗较短，且手术环境简陋，操作不当可能会导致伤员尿路感染和尿路损伤，很难及时对患者行导尿术[17]。因此，本研究采用柔性压力传感器直接从外部监测患者腹腔压力变化，同时采用膀胱测压法作为动物腹腔压力变化监测的金标准，并将该数值用于评估柔性压力传感器的准确度。研究结果显示，该传感器可以较为精准地反映腹腔压力变化，具有良好的应用前景。

战场致伤环境复杂，研究者们建立了多种动物模型以详尽探索腹部创伤的生理病理学变化。其中，爆炸致伤模型、枪弹射击致伤模型、外伤手术致伤模型应用范围最为广泛[18-19]。本研究通过手术造成动物腹壁全层缺损和腹腔脏器暴露，具有致伤部位精确、可重复性好的特点。此外，本研究通过将可调节体积的水囊置入动物腹腔内，从而模拟了因腹腔脏器水肿扩张导致腹内压升高伤员的病理状态。

本研究还有许多不足之处：1)该敷料通过电容值的变化反映压力变化情况，而电容读取装置目前体积比较庞大，且读取电容之后仍需要通过公式转化为压力值。目前本课题组正在研发便携式读取装置，以期解决便携性的问题。2)本研究中仅使用了一种动物模型对该敷料进行验证，后续研究中仍需要使用多种腹部创伤模型对该器件进行验证。即使存在以上不足，本研究依然首次将柔性压力传感器和新型止血材料应用于腹部开放性创伤中，为后续腹部开放性创伤救治的研究工作提供了参考。

综上所述，本研究通过将电容式压力传感器内嵌于壳聚糖敷料中，实现了对腹内压的实时监测。同时该敷料生物相容性良好，可以应用于战场条件下开放性腹部创伤的紧急救治。