在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，慢性傷口（如糖尿病足、靜脈性潰瘍等）一直是最令人頭疼的“沉默負(fù)擔(dān)”。它們恢復(fù)緩慢、感染率高、治療周期長(zhǎng)，嚴(yán)重影響患者生活質(zhì)量，也造成巨大的醫(yī)療負(fù)擔(dān)，造成了相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，并深刻影響了患者的生活質(zhì)量。準(zhǔn)確預(yù)測(cè)傷口愈合狀態(tài)對(duì)于做出明智的決策和根據(jù)患者特定需求及時(shí)進(jìn)行個(gè)性化干預(yù)至關(guān)重要，從而有可能縮短恢復(fù)時(shí)間并改善整體結(jié)果。

4月23日，加州理工學(xué)院的研究者們?cè)凇犊茖W(xué)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)》發(fā)表研究文章，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種可穿戴設(shè)備 iCares，用于優(yōu)化緩慢釋放的傷口液的收集并感應(yīng)活性氧和氮物質(zhì)、pH 值和溫度。在糖尿病小鼠中，傳感器檢測(cè)到皮膚傷口感染期間這些因素的變化，并通過抗生素治療使得它們消退。在 20 名慢性傷口人類患者的隊(duì)列中，iCares 多參數(shù)傳感器測(cè)量與機(jī)器學(xué)習(xí)算法配對(duì)，以對(duì)傷口的嚴(yán)重程度和愈合的可能性進(jìn)行分類。這種原位傷口滲出液分析的進(jìn)一步發(fā)展可以提供對(duì)傷口狀態(tài)的客觀評(píng)估，為慢性傷口的治療決策提供信息。——Molly Ogle（編輯總結(jié)）

 圖1 iCares，一種用于傷口滲出液管理、反應(yīng)性物種分析和個(gè)性化傷口評(píng)估的無線智能繃帶 

1 研究框架：從采樣到AI決策的閉環(huán)系統(tǒng)

這項(xiàng)研究的最大亮點(diǎn)在于為解決慢性傷口滲出液采集難、分析難、連續(xù)監(jiān)測(cè)難的挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出的集“微流控采集 + 柔性傳感 + 無線通信”于一體的iCares智能繃帶系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可劃分為以下幾個(gè)核心模塊：

圖1展示了iCares的完整構(gòu)成，從外形上看，它是一個(gè)貼附于傷口表面的智能創(chuàng)口貼。其核心特征包括：

1. 柔性多參數(shù)傳感器陣列（圖1C）：可檢測(cè)NO、H?O?、O?、pH、溫度。

2. 三層微流控結(jié)構(gòu)（圖1B）：

* Janus膜（超疏水/超親水）促進(jìn)單向液體流動(dòng)；

* 楔形通道加速液體吸入；

* 漸變微柱用于流體更新。

3. 層疊式封裝結(jié)構(gòu)（圖1F）：

* 從底到頂依次為PET基底、電極層、微流控通道層、感測(cè)模塊、無線通信PCB、電池、PDMS保護(hù)層。

4. 無線通信模塊（圖1G）：通過藍(lán)牙實(shí)時(shí)傳輸生化數(shù)據(jù)至移動(dòng)終端。

5. 臨床適配能力：兼容Tegaderm等商用醫(yī)用貼膜，可無創(chuàng)貼附于人體傷口（圖1H）。

 圖2 用于高效傷口滲出液管理的 triad 微流體模塊的設(shè)計(jì)和表征 

圖2集中展示了iCares中最關(guān)鍵的“微流控液體管理系統(tǒng)”，其結(jié)構(gòu)獨(dú)特之處在于無需泵、電源或外部操作，即可實(shí)現(xiàn)：

1. 高效采集（Janus膜）

圖2B/C中展示的Janus膜由涂覆納米二氧化硅的PET制成，一面超疏水，一面超親水，利用拉普拉斯壓力差形成單向流體通路；

膜孔徑為100 μm，間距100 μm，支持均勻、快速液體通過。

2. 導(dǎo)液傳輸（楔形通道）

圖2E/F中對(duì)比了楔形與普通通道，借鑒仙人掌刺水收集原理，設(shè)計(jì)了6°夾角的楔形結(jié)構(gòu)，大大提升了液體傳輸速率；

數(shù)值模擬驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)的液體導(dǎo)向優(yōu)勢(shì)。

3. 液體更新（漸變微柱）

圖2G/H展示了漸變高度的三維微柱陣列，利用毛細(xì)力差異實(shí)現(xiàn)液體自動(dòng)“刷新”；

采用紅藍(lán)染料實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：與均勻微柱相比，漸變結(jié)構(gòu)幾乎可消除液體交叉混合，保證時(shí)間分辨率。

4. 整體自動(dòng)操作（圖2I）

在連續(xù)液體滴加實(shí)驗(yàn)中，前一滴液體（紅色）會(huì)被“推出”感應(yīng)區(qū)，后一滴液體（藍(lán)色）自動(dòng)進(jìn)入，整個(gè)過程無需主動(dòng)控制。

 圖3 柔性多參數(shù)電化學(xué)傳感器 高靈敏，多指標(biāo)，抗干擾 

圖3 聚焦于傳感器陣列的材料、結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性能優(yōu)化，核心內(nèi)容如下：

1. NO傳感器（圖3B/C）

* 使用激光刻蝕石墨烯（LEG）與石墨烯氧化物（GO）構(gòu)建電極；

* 血紅蛋白（Hb）作為識(shí)別分子，能夠在?0.8 V下將NO還原為N?O，從而實(shí)現(xiàn)高選擇性檢測(cè)；

* 在模擬傷口液中對(duì)NO濃度（0.5–45 μM）呈線性響應(yīng)，抗干擾能力極強(qiáng)。

2. O?傳感器（圖3D/E）

* 采用噴墨打印金納米顆粒（AuNP）電極，在?0.15 V下檢測(cè)氧還原；

* 響應(yīng)范圍1.26–6.57 ppm，靈敏度優(yōu)良。

3. H?O?傳感器（圖3F/G）

以普魯士藍(lán)（PB）/六氰鐵鎳（NiHCF）雙層修飾電極，提高中性pH環(huán)境下穩(wěn)定性；

檢測(cè)限達(dá)0.25 μM，靈敏度5.91 nA/μM。

4. pH與溫度傳感器（圖3H/I）

* pH傳感器基于電聚合苯胺（PANI），可在pH 6–8范圍內(nèi)穩(wěn)定工作；

* 溫度傳感器基于碳墨阻性變化，支持傳感器校準(zhǔn)。

* 系統(tǒng)穩(wěn)定性與多參數(shù)協(xié)同（圖3J–L）

* 設(shè)備在機(jī)械變形（如50次彎折）后依然保持響應(yīng)穩(wěn)定；

* 多參數(shù)聯(lián)合監(jiān)測(cè)顯示良好互補(bǔ)性和無明顯交叉干擾；

* 微流控系統(tǒng)的存在大幅提升了動(dòng)態(tài)濃度變化響應(yīng)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性（圖3L）。

通過上述集成設(shè)計(jì)，iCares不僅僅是一塊“高科技繃帶”，更是一個(gè)可持續(xù)運(yùn)行的“現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室”，將復(fù)雜的生理信號(hào)轉(zhuǎn)化為可被AI解析的數(shù)據(jù)，為傷口管理提供“感知+決策”新范式。

2 臨床意義：讓慢性傷口管理從“經(jīng)驗(yàn)”邁入“數(shù)據(jù)時(shí)代”

1. 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，早期預(yù)警

在小鼠模型中，iCares能在感染臨床癥狀出現(xiàn)前通過H?O?等信號(hào)檢測(cè)出傷口異常，實(shí)現(xiàn)早干預(yù)、早治療。

2. 人體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)

在20位慢性傷口患者的臨床應(yīng)用中，AI模型對(duì)愈合時(shí)間預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率高達(dá)94%。對(duì)于慢性傷口的個(gè)性化治療與資源優(yōu)化配置具有重要價(jià)值。

3. 適用于資源受限地區(qū)

傳統(tǒng)傷口管理需頻繁前往專科醫(yī)院，iCares則有望實(shí)現(xiàn)居家穿戴、自主監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程干預(yù)，尤其適用于老齡患者和發(fā)展中國(guó)家的基層醫(yī)療場(chǎng)景。

 圖4 使用糖尿病小鼠模型對(duì) iCares 進(jìn)行體內(nèi)評(píng)估

 圖5 人工智能驅(qū)動(dòng)的 iCares 在慢性傷口患者中的體內(nèi)評(píng)估 

3 科學(xué)洞察：從生理過程到治療反饋的“透明窗口”

iCares的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于將傷口“不可見”的內(nèi)在變化變?yōu)椤翱梢姟钡臄?shù)字信號(hào)——

NO反映血流重建與免疫調(diào)節(jié)；

H?O?是感染與氧化應(yīng)激的重要信號(hào)；

O?含量關(guān)系到局部供血與組織代謝。

當(dāng)這些指標(biāo)被連續(xù)監(jiān)測(cè)并以AI模型處理后，就像為傷口“裝上了傳感器+大腦”，具備了感知-分析-響應(yīng)的智能能力。

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盡管該研究已經(jīng)提供了關(guān)于傷口滲出物采樣、監(jiān)測(cè)和分析的有希望的初步數(shù)據(jù)。但是，也存在幾個(gè)限制。第一，盡管 iCares 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是柔性的，但其固定的形狀限制了它適應(yīng)不同深度、不規(guī)則輪廓或愈合過程中動(dòng)態(tài)變化的傷口的能力。第二，可以使用激光切割、噴墨打印和 3D 打印大規(guī)模制造 iCare 組件;裝配過程需要精確對(duì)中和手動(dòng)作。這種復(fù)雜性可能會(huì)給大規(guī)模生產(chǎn)和一致性帶來挑戰(zhàn)，從而可能影響可重復(fù)性。第三，iCares 系統(tǒng)主要是為監(jiān)測(cè)而設(shè)計(jì)的，不包括集成治療模塊。

最后，該研究缺乏足夠的臨床驗(yàn)證，因?yàn)閭跔顟B(tài)與傷口滲出液中各種生物標(biāo)志物之間的相關(guān)性仍未完全確定。解決這一差距需要全面的臨床試驗(yàn)來驗(yàn)證我們的發(fā)現(xiàn)并提高這些生物標(biāo)志物在不同傷口條件下的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。通過對(duì)不同的患者群體進(jìn)行廣泛的臨床試驗(yàn)以驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性和可靠性，研究者在文章中寫道：預(yù)計(jì)未來的研究將大大加強(qiáng)慢性傷口管理，提供更精確的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法來改善患者護(hù)理和治療結(jié)果，同時(shí)減輕醫(yī)療保健提供者的負(fù)擔(dān)。

Canran Wang et al., A microfluidic wearable device for wound exudate management and analysis in human chronic wounds.Sci. Transl. Med.17,eadt0882(2025).DOI:10.1126/scitranslmed.adt0882

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撰文 | 羅虎

審核 | 醫(yī)工學(xué)人理事會(huì)