帝国理工 Ali K. Yetisen/四川大学姜楠 最新Adv. Funct. Mater.：用于伤口监测的全息传感绷带

【导读】

伤口愈合与环境、生理因素密切相关。慢性伤口通常需要超过三个月才能愈合，有时无法经历正常的组织再生过程，且长期暴露于外部环境可能导致伤口环境恶化。现有伤口评估主要依赖临床医生的目测和传统的实验室测试，存在主观误差和时间成本。这项研究旨在将柔性全息pH传感器与可穿戴绷带结合，以实现对慢性伤口的持续和实时监测。通过采用一种独特的球面镜双光聚合技术，成功打破了传统全息传感器的视角5°限制，拓展到了15°-60°的范围。这些全息pH传感器与柔性聚氨酯基底相结合，当伤口pH在7.00至8.75之间发生变化时，呈现出150 nm 布拉格峰位移。这种全息pH传感绷带在多种弯曲状态下依然可以对伤口pH值进行准确量化，模拟了贴合于人体表面的实际使用情境。通过在人工渗出液（AWE）中进行连续监测，表明了其在实时pH监测方面的耐久性和高效性。值得一提的是，该传感器在AWE中存在电解质、白蛋白、尿素、尿酸、乳酸和葡萄糖等成分时展现了良好的选择性。这款柔性全息pH传感绷带有望在即时诊疗中实现对伤口愈合监测，减轻医疗系统的压力。

【成果掠影】

这项研究在Advanced Functional Materials期刊中分享了一项关于慢性伤口监测的创新研究。文章题为A Conformable Holographic Sensing Bandage for Wound Monitoring。由英国帝国理工学院的Ali K. Yetisen副教授课题组与四川大学姜楠教授课题组合作，开发了一种柔性全息传感绷带，可实时监测伤口pH值的变化。该传感器克服了传统传感器的重量和体积限制，为患者提供了一种方便、实用的工具，有望促进慢性伤口的早期干预，提高生活质量。

【核心创新点】

这项研究的创新点在于开发了一种无创、实时监测慢性伤口愈合的生物传感器。将柔性全息pH传感薄膜集成于可穿戴伤口绷带中，构建了可穿戴伤口传感绷带。这一技术不仅具备长期稳定性和准确性，还克服了传统全息传感的视角限制，实现了更为精准的监测。这种创新解决方案有望为医疗领域提供便捷、实用的工具，促进对慢性伤口的早期干预，提高患者生活质量。

【数据概览】

这项工作旨在解决全息传感器在穿戴设备中的视角限制问题，通过构建三维（3D）计算模型和模拟全息记录和读取过程，我们优化了传感器的视角依赖性。采用球形镜显著扩展了全息传感器的视角范围，从而提高了在可穿戴设备中集成的可行性（图一）。

图一：3D模拟展示了全息pH传感器的记录和读取过程：(a) 录制模拟的全息图3D示意图；(b) 水凝胶中模拟的光干涉；(c) 激光干涉产生的模拟光栅；(d) 不同膨胀比例下的模拟全息读数；(e) 不同膨胀比例下的模拟光谱；(f) 模拟校准曲线和全息传感器的色彩响应；(g) 不同膨胀比例下的模拟视角图。

该工作根据3D模拟结果，通过Nd:YAG UV激光照射来制作全息pH传感器。在UV激光照射期间，球面镜提供了不同反射表面的凸度，以拓宽视角范围。该工作使用TRIS缓冲剂对全息pH传感器进行表征（图二）。

图二：全息pH传感器使用球形轴承记录表面，通过改变干涉层形状提高视角容忍度。（a）利用球形轴承作为记录对象的全息pH传感器记录过程示意图。（b）Nd: YAG激光照射的光学设置的照片。（c）用于全息传感器读数和视角容忍度测量的体外光学设置的照片。（d）通过在未膨胀状态下改变干涉层形状的途径，扩大了全息传感器的视角。来自不同视角的回放波长差异是由刚性玻璃基板限制的全息图的单向扩展引起的。（e-f）归一化衍射光谱和校准曲线。（g-h）视角容忍度测量。

为了使全息传感器能够穿戴，将其集成到柔性聚氨酯基底上。聚氨酯基底的柔韧性有助于更好地与可穿戴设备集成（图三）。对柔性全息pH传感器的性能进行表征，并测试其在弯曲或起皱状态下的稳定性。在TRIS缓冲溶液和人工AWE中测试此传感器，确保其准确性和可靠性。

图三：聚氨酯伤口绷带作为柔性全息pH传感器基板。制备过程包括干涉层单体扩散、贴附到商用聚氨酯基板。（a）在聚氨酯基板上制备柔性全息pH传感器的过程。（b）对弯曲表面上柔性全息图的示意图和设置照片。（c-d）归一化柔性全息pH传感器光谱和校准曲线。（e-f）弯曲对全息pH传感器的影响。（g-h）离子强度，尿素、尿酸和乳酸对全息pH传感器的影响。

该工作通过将柔性全息pH传感器与深色棉层结合，制作了一种可穿戴的伤口护传感绷带，旨在连续监测伤口的pH值（图四）。在离体猪皮模型中使用AWE测试柔性全息pH传感绷带，评估传感绷带进行连续和实时监测的能力。在连续使用过程中，传感绷带对pH变化表现出快速响应并且波动很小。全息pH传感器的色度响应，允许通过裸眼或智能手机拍摄的照片中色调值的变化与pH值的变化相对应，实现智能手机的实时分析。

图四：可穿戴伤口pH传感绷带的制备及其在伤口渗出液和离体猪皮模型中的性能。（a）制备的伤口pH传感绷带照片。（b) 不同视角下智能手机拍摄的全息传感绷带照片。（c-d) 在伤口渗出液中归一化柔性全息pH传感器光谱和校准曲。（e）连续监测实验。（f-g) 在猪皮模型上连续监测伤口渗出液中的pH变化。（h) 在伤口渗出液中响应pH变化智能手机拍摄的柔性全息pH传感绷带的色度值。

总的来说，这项工作通过3D模拟、实验验证和在伤口模型上的测试，开发了一种柔性全息pH传感绷带，用于在可穿戴环境中对伤口pH变化进行连续和实时监测。该传感绷带展现了稳定性和可靠性。

【成果启示】

这项研究致力于制备一种可穿戴全息pH传感伤口绷带，使用商业化聚氨酯伤口绷带为基底，通过球面镜进行全息记录，优化了全息传感器的视角限制问题，提高了在可穿戴设备中日常伤口愈合监测的适用性。聚氨酯薄膜作为基底，赋予绷带极佳的柔韧性。该传感绷带可在AWE的pH范围为7.00-8.75内，通过颜色响应实现对pH值的定量和定性测量，以便于通过裸眼和智能手机摄像头实现对传感器的便捷查询。其在存在常见电解质和生物污染物时具有良好的选择性、可靠性和可逆性。绷带结构包括深色吸收棉层、传感层和透气的背衬层，基于全息感测原理，实现绷带在离体猪皮模型上对伤口pH变化的持续监测能力。未来改进方向包括通过监测多个生物标志物以及开发基于智能手机的便携式光度计以提高伤口愈合监测的准确性与可获得性，为即时诊断伤口评估提供更有效的手段。

原文详情：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202308490