慢性伤口感染是一个严重的健康问题，全球超过1300万人面临糖尿病溃疡、静脉溃疡和手术伤口等慢性难愈合创面的困扰。这些伤口的愈合过程受到有害微生物的影响，可能导致组织坏死和严重并发症。伤口渗出液的动态成分反映了愈合阶段和潜在感染的生理化学特征，例如温度升高通常与细菌定植相关，而pH值的变化则指示着伤口的炎症状态和修复过程。实时监测这些生理化学参数对于改善慢性伤口的管理至关重要，但现有的可穿戴生物传感器在多参数监测方面仍面临挑战。
近期，有研究人员开发了一种集成微流体通道的柔性多功能生物传感贴片，能够实时监测与慢性伤口相关的多种生理化学参数，从而显著提升个性化伤口管理的效果。相关研究以“A flexible and multimodal biosensing patch integrated with microfluidics for chronic wound monitoring”为题目发表于期刊《Chemical Engineering Journal》。
本文要点：
1、本研究提出了一种集成微流体通道的柔性多模态生物传感贴片，用于监测与慢性伤口相关的理化参数，旨在实现个性化伤口管理。
2、该贴片由七个生物传感器组成，采用柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯基材，通过光刻工艺直接在传感器上形成带有箭头微图案的基于SU-8的微流体通道。
3、由于微图案的流体二极管效应，微流体通道的集成导致流体收集效率提高了6.5倍。
4、传感平台采用掺金纳米线的还原氧化石墨烯复合材料进行功能化，以制造电化学生物传感器阵列，能够同时检测多种代谢物（如葡萄糖、乳酸和尿酸）、离子（Na+和K+）、pH值和温度。
5、使用pH和温度补偿算法校准传感器响应，以准确量化分析物浓度，并在大鼠伤口模型中评估其多重传感能力。
6、总的来说，该柔性多功能生物传感贴片为慢性伤口的个性化监测和管理提供了一种有前景的解决方案。
慢性伤口护理（chronic wound care，CW-care）贴片中的微流体通道是如何实现高效液体收集的？
CW-care贴片中的微流体通道设计灵感来源于捕虫草的表面结构，通过形成具有箭头形微图案的通道实现了液体的单向传输。这些通道利用了流体二极管效应，使得液体能够从较宽的区域流向较窄的区域，而反向流动则受到阻碍。通过COMSOL Multiphysics软件模拟和实验验证，这种设计使得液体收集效率提高了6.5倍。
在慢性伤口监测中，pH和温度的变化对传感器性能有何影响？
传感器响应的pH依赖性：CW-care贴片中的酶传感器（如葡萄糖氧化酶、乳酸氧化酶和尿酸酶）对pH值非常敏感。不同的pH值会影响酶的活性，从而影响传感器的输出信号。例如，葡萄糖氧化酶的最佳pH范围为4.5-6，而乳酸氧化酶和尿酸酶的最佳pH范围分别为4.0-9.8和5-10。因此，pH的变化会导致传感器的响应信号波动，影响测量的准确性。
温度对传感器性能的影响：温度变化也会影响酶的活性和传感器的电化学反应速率。随着温度的升高，酶的活性通常会增加，导致传感器输出信号增强。然而，当温度过高（如40°C）时，可能会对酶的结构和功能产生负面影响，从而导致信号变弱。
补偿算法的应用：为了提高传感器在不同pH和温度条件下的测量准确性，CW-care贴片采用了pH和温度补偿算法。这种算法通过建立校准曲线，考虑pH和温度对传感器响应的影响，从而修正测量结果。例如，在人工伤口液体中，经过补偿后，葡萄糖、乳酸和尿酸的浓度测量值会相应降低，以更准确地反映实际情况。
综上所述，pH和温度对CW-care贴片传感器的响应和准确性有着显著影响，因此在设计中引入了补偿机制，以确保在不同环境条件下的可靠测量。
图1.设计用于同时监测慢性伤口的柔性无线可穿戴生物传感器贴片。
图2.被动微流控伤口渗出物收集器。
图3.rGO@AuNWs纳米复合材料的材料表征。
图4.用于伤口分析的慢性伤口护理生物传感贴片的电化学表征。
图5.补偿多路复用传感器阵列，考虑pH和温度的影响。
图6.在人工伤口液体中使用可穿戴贴片进行多重伤口生物标志物监测的评估。
图7.在糖尿病大鼠模型中使用可穿戴贴片进行多重伤口生物标志物监测的体内评估。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157673
