感染会导致伤口愈合延迟,甚至引起败血症或脓毒性休克,最终导致截肢甚至死亡等严重后果。因此,对伤口感染状态进行实时监测,并在必要时及时提供治疗,在伤口护理中极其重要。近年来,水凝胶敷料因其具有良好的生物相容性和可定制化的多种功能在伤口护理中受到关注。特别是集成实时感染监测系统和(或)药物释放功能的的智能水凝胶敷料,有望及时侦测到感染并予以治疗,有效促进伤口愈合。然而,能够利用同一敷料同时监测感染并按需给予治疗的智能敷料依然鲜有报道。此外,目前对伤口感染的监测主要依赖于可检测pH、温度等伤口感染特征标志物的柔性电子器件,存在成本高、不可降解、需要预制成型导致难以适应不规则伤口等不足。另一方面,水凝胶的药物释放功能也主要是通过被动释放的方式实现,难以实现药物递送的精准可控。
图1. 智能伤口敷料制备在伤口护理中的应用示意图。
图2.水凝胶的pH检测能力。(A)AP和ACPP水凝胶在不同pH下的颜色变化;(B)水凝胶在不同pH下的紫外-可见吸收光谱;水凝胶图片的(C)RGB通道分离与(D)线性拟合。
包载有微囊的ACPP水凝胶和不包载微囊的AP水凝胶在不同pH下均呈现肉眼可分辨的颜色变化(图2A),说明微囊的加入不会影响水凝胶的pH检测功能。其紫外-可见光谱也在pH由5变化到9时,呈现明显的红移(图2B),与肉眼观测结果一致。但由于肉眼分辨的局限性,通过肉眼观测仅能实现粗略的判断。为进一步提高pH检测的准确性,作者对所得图片进行了RGB通道分离,分析发现R和B通道的和与pH值之间存在线性关系(图2C-D)。因此,可以利用手机只能软件对水凝胶图片进行分析,得到准确的伤口pH值,从而更为精准的判断伤口的微环境和状态。
图3. 水凝胶的超声响应性药物释放和抗菌活性。(A)体外药物释放的模型示意图;(B)水凝胶在无超声、间歇超声和持续超声时的药物释放曲线;(C)水凝胶在不同超声功率下的药物释放曲线;金黄色葡萄球菌和水凝胶共培养4小时并经不同处理后的(C)菌落照片和(D)定量分析。
为了更好地模拟伤口护理应用中水凝胶敷料仅有一侧接触伤口的情形,构建了如图3A所示的药物释放模型。体外药物释放实验表明水凝胶中负载的抗生素头孢唑林钠(CS)在超声停止时几乎完全不释放,而在超声处理时发生快速释放(图3B),而且随着超声功率提高,药物释放速率明显提高(图3C)。这些结果说明可以精准的通过超声控制水凝胶中负载药物的释放。而体外抗菌实验亦表明,不进行超声处理时,水凝胶抗菌活性较弱,因为被动扩散释放的CS很少;而在进行超声处理后,水凝胶的抗菌活性大大增强(图3C-D);进一步说明可以通过超声精准控制抗生素的释放从而调控其抗菌活性。
图4. 水凝胶的体内检测pH能力和超声响应性抗菌活性。(A)实验流程示意图;(B)不同时间点伤口和水凝胶敷料的代表性图片;(C)通过水凝胶检测到的pH值;实验结束后伤口组织匀浆液平板培养后的(D)菌落图片和(E)定量分析。
为了评估水凝胶在实际伤口中检测pH并给予按需治疗的能力,构建小鼠全层皮肤伤口后,第三天在伤口处接种金黄色葡萄球菌并使用水凝胶敷料,第四天观察敷料颜色判断pH,然后施以不同处理,第五天记录水凝胶颜色以计算pH并提取伤口组织,通过平板培养判断伤口的实际菌落数(图4A)。如图4B所示,一开始敷料均呈现紫红色,与正常伤口的弱酸性一致。接种细菌后的第二天,水凝胶均变为绿色,提示伤口微环境变为碱性。经RGB分析,其pH值分别为8.77、8.75、8.86左右(图4C)。同时,伤口渗出液明显增多,这些都是典型的感染症状。而在经过不同处理后,第二天可以观察到超声组敷料回复为紫红色,其pH值为6.49,而未经超声处理组和未载药的对照组敷料仍呈现绿色,检测出的pH值分别为8.06和7.53。提取伤口组织匀浆后进行平板培养,结果表明未超声组菌落数与对照组相比略有降低,而超声组的菌落数显著下降(图4D-E),与体外抗菌结果一致。这些结果表明水凝胶敷料在体内也可以实现良好的pH检测能力和超声响应性药物释放和抗菌活性。
图5. 水凝胶监测并促进慢性伤口修复的能力。(A)实验流程示意图;(B)不同时间点伤口的代表性图片;(C)伤口愈合轨迹;(D)17天后伤口面积的定量分析;(E)不同时间点由 pH试纸和水凝胶测得的伤口pH。
慢性伤口极易发生感染,若未能及时治疗,形成顽固的生物膜后,则极难治疗,可能导致感染性休克和截肢等严重后果,因此及时检测感染并予以治疗在慢性伤口护理中尤为重要。为评估该水凝胶在慢性伤口护理中的应用潜力,作者构建了小鼠糖尿病伤口模型,使用不同敷料进行护理,其中智能敷料组在通过凝胶颜色变化检测到感染后即予以10分钟超声处理(图5A)。如图5B-D所示,只能水凝胶敷料组展现了最好的愈合效果,17天后伤口基本完全闭合。在实验的第二、四、六天分别用精密pH试纸检测伤口pH,同时根据水凝胶颜色计算pH值,经过比较,发现二者相差极小,进一步证明利用该水凝胶敷料可以在无需拆开敷料的情况下准确检测伤口pH,从而判断感染状况。这些结果表明,该水凝胶敷料在慢性伤口的护理中有很好的应用前景。
原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adhm.202303379
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