天津大学张雷、杨静团队AFM：仿生离子皮肤用于糖尿病伤口肿胀、发炎、以及血糖三种指标的实时监测与信号解耦

作者|高分子科学前沿 来源|高分子科学前沿(ID：Polymer-science)

仿生皮肤材料可模拟人类皮肤感知外界多种刺激，如温度、压力和气流等，近年来在医疗监控、人工智能等领域有着广泛的应用。目前，仿生皮肤领域的研究已取得了显著进展，但开发出可同时响应多种外界信号且可区分每种响应信号的仿生皮肤传感器仍然具有挑战性。通过集成多个独立的传感器来实现多功能传感，导致器件制造过程十分复杂、成本高昂；而试图利用单一传感单元实现多刺激信号响应，却无法避免信号间的严重干扰，信号解耦困难。

为解决上述问题，天津大学化工学院生物化工系张雷教授课题组在国际知名学术期刊《Advanced Functional Materials》（IF=18.808）上发表了题为“Pro-healing zwitterionic skin sensor enables multi-indicator distinction and continuous real-time monitoring”的研究论文。天津大学博士生郭洪爽、天津大学硕士研究生柏鸣和郑州大学药学院青年教师朱迎男为论文的共同第一作者，天津大学张雷教授和杨静副教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金和天津自然科学基金的支持。

该研究团队利用两性离子单体磺基甜菜碱（SBMA）、温敏型单体N-异丙基丙烯酰胺（NIPAAm）与葡萄糖响应型单体甲基丙烯酰胺苯硼酸（MPBA）共聚，合成出多刺激响应型导电水凝胶（SB-N-MB），并基于该水凝胶开发出一种“三明治”结构的离子皮肤传感系统，可实现温度-应变-葡萄糖三种指标连续实时监测与每种信号的区分。该传感系统上下层为SB-N-MB水凝胶，中间层为绝缘粘性弹性体。基于该系统，作者开发出新型智能伤口敷料，不仅能够促进慢性糖尿病伤口的愈合，还实现了连续实时监测多种伤口指标且能够确保每种信号彼此互不干扰，三种信号包括伤口发炎（温度变化）、伤口表面肿胀（应力变化）和血糖浓度（葡萄糖浓度变化），如图1所示。

图1. 基于多响应型离子皮肤的三明治结构传感器示意图和水凝胶的合成途径。

通过三明治结构监测并区分三种信号的主要原理：（1）下层可以对温度、应变和葡萄糖浓度三个指标产生电信号（电阻：R1）；（2）上层由于中间有绝缘膜，仅可检测到温度和应变的电信号（电阻：R2）；（3）三层结构形成了一个对温度和葡萄糖不敏感的电容传感器，只检测应变信号C0，并根据标准曲线可将电容（C0）转换成电阻（R0）。因此，|△R0|代表应变的变化，|△(R2-R0)|代表温度的变化，|△(R1-R2)|代表葡萄糖的变化。这种三层结构的水凝胶基仿生皮肤传感器系统实现了连续稳定的实时监测，区分了温度、应变和葡萄糖浓度三种信号，并促进了糖尿病伤口的愈合。

作者首先对SB-N-MB水凝胶进行了基础表征的测试，并证明了SB-N-MB有着良好的可拉伸性和应变（最大应变273%，断裂强度70kPa）。与商业Duoderm敷料相比，该水凝胶具有更好的抗菌活性（细菌粘附量降低76%）和抗蛋白吸附性能（吸附量降低95%）。并且该水凝胶展示了良好的细胞、皮肤和血液相容性。而后，作者表征了该水凝胶对温度、应变与葡萄糖均能产生电信号的响应，如图2所示。为了更直观地体现该三层结构传感器对温度、应变和葡萄糖浓度产生电信号之间的区别，作者分别对上层电阻传感器、下层电阻传感器和三层结构的电容传感器进行了多信号协同变化的传感实验并且对其进行三维信号拟合。另外，作者通过糖尿病模型小鼠进行了创面愈合实验与实时监测传感实验，证明了该传感伤口敷料不仅能促进糖尿病小鼠伤口的细胞增殖与组织修复、加快创面愈合，还能连续实时监测与区分伤口肿胀、炎症、血糖三种指标以监控伤口状态（图3）。

图2. 基于SB-N-MB水凝胶的三层结构传感器的多重刺激响应。

图3. 对糖尿病小鼠伤口进行伤口愈合实验和三种指标信号连续实时监测与区分。

该系统独特的设计解决了传感器领域中多种信号互相干扰的问题，首次实现了离子皮肤领域内三种信号的监测与区分，不仅能作为智能伤口敷料，还为设计开发能检测区分多种信号的新型仿皮肤传感设备提供了新思路。

作者简介：

张雷，天津大学化工学院生物化工系教授、博士生导师、系主任。获国家自然科学基金委“优秀青年科学基金”、教育部“新世纪优秀人才支撑计划”、天津市“中青年科技创新领军人才”、“侯德榜化工青年奖”、“天津首届青年创新能手”等，担任《中国化工学报（英文版）》，Biomedical Materials等SCI期刊编委。一直致力于研究开发具有抗生物粘附、抗冻保护等独特性质的新型亲水分子，并将其应用于生物化工多个领域，包括免疫屏蔽材料、超低温冻存、抗冻材料、海洋涂料、电子皮肤、抗菌材料等。

杨静，天津大学化工学院副教授、博士生导师、科技委人才。主要从事细胞保存、仿生抗冰材料、柔性电子皮肤材料等领域的研究。

课题组主页：

http://bpetc.tju.edu.cn/zhanglab.html

编者按：本文转载自微信公众号：高分子科学前沿(ID：Polymer-science)，作者：高分子科学前沿