帝國理工 Ali K. Yetisen/四川大學姜楠 最新Adv. Funct. Mater.：用于傷口監測的全息傳感繃帶

【導讀】

傷口愈合與環境、生理因素密切相關。慢性傷口通常需要超過三個月才能愈合，有時無法經歷正常的組織再生過程，且長期暴露于外部環境可能導致傷口環境惡化。現有傷口評估主要依賴臨床醫生的目測和傳統的實驗室測試，存在主觀誤差和時間成本。這項研究旨在將柔性全息pH傳感器與可穿戴繃帶結合，以實現對慢性傷口的持續和實時監測。通過采用一種獨特的球面鏡雙光聚合技術，成功打破了傳統全息傳感器的視角5°限制，拓展到了15°-60°的范圍。這些全息pH傳感器與柔性聚氨酯基底相結合，當傷口pH在7.00至8.75之間發生變化時，呈現出150 nm 布拉格峰位移。這種全息pH傳感繃帶在多種彎曲狀態下依然可以對傷口pH值進行準確量化，模擬了貼合于人體表面的實際使用情境。通過在人工滲出液（AWE）中進行連續監測，表明了其在實時pH監測方面的耐久性和高效性。值得一提的是，該傳感器在AWE中存在電解質、白蛋白、尿素、尿酸、乳酸和葡萄糖等成分時展現了良好的選擇性。這款柔性全息pH傳感繃帶有望在即時診療中實現對傷口愈合監測，減輕醫療系統的壓力。

【成果掠影】

這項研究在Advanced Functional Materials期刊中分享了一項關于慢性傷口監測的創新研究。文章題為A Conformable Holographic Sensing Bandage for Wound Monitoring。由英國帝國理工學院的Ali K. Yetisen副教授課題組與四川大學姜楠教授課題組合作，開發了一種柔性全息傳感繃帶，可實時監測傷口pH值的變化。該傳感器克服了傳統傳感器的重量和體積限制，為患者提供了一種方便、實用的工具，有望促進慢性傷口的早期干預，提高生活質量。

【核心創新點】

這項研究的創新點在于開發了一種無創、實時監測慢性傷口愈合的生物傳感器。將柔性全息pH傳感薄膜集成于可穿戴傷口繃帶中，構建了可穿戴傷口傳感繃帶。這一技術不僅具備長期穩定性和準確性，還克服了傳統全息傳感的視角限制，實現了更為精準的監測。這種創新解決方案有望為醫療領域提供便捷、實用的工具，促進對慢性傷口的早期干預，提高患者生活質量。

【數據概覽】

這項工作旨在解決全息傳感器在穿戴設備中的視角限制問題，通過構建三維（3D）計算模型和模擬全息記錄和讀取過程，我們優化了傳感器的視角依賴性。采用球形鏡顯著擴展了全息傳感器的視角范圍，從而提高了在可穿戴設備中集成的可行性（圖一）。

圖一：3D模擬展示了全息pH傳感器的記錄和讀取過程：(a) 錄制模擬的全息圖3D示意圖；(b) 水凝膠中模擬的光干涉；(c) 激光干涉產生的模擬光柵；(d) 不同膨脹比例下的模擬全息讀數；(e) 不同膨脹比例下的模擬光譜；(f) 模擬校準曲線和全息傳感器的色彩響應；(g) 不同膨脹比例下的模擬視角圖。

該工作根據3D模擬結果，通過Nd:YAG UV激光照射來制作全息pH傳感器。在UV激光照射期間，球面鏡提供了不同反射表面的凸度，以拓寬視角范圍。該工作使用TRIS緩沖劑對全息pH傳感器進行表征（圖二）。

圖二：全息pH傳感器使用球形軸承記錄表面，通過改變干涉層形狀提高視角容忍度。（a）利用球形軸承作為記錄對象的全息pH傳感器記錄過程示意圖。（b）Nd: YAG激光照射的光學設置的照片。（c）用于全息傳感器讀數和視角容忍度測量的體外光學設置的照片。（d）通過在未膨脹狀態下改變干涉層形狀的途徑，擴大了全息傳感器的視角。來自不同視角的回放波長差異是由剛性玻璃基板限制的全息圖的單向擴展引起的。（e-f）歸一化衍射光譜和校準曲線。（g-h）視角容忍度測量。

為了使全息傳感器能夠穿戴，將其集成到柔性聚氨酯基底上。聚氨酯基底的柔韌性有助于更好地與可穿戴設備集成（圖三）。對柔性全息pH傳感器的性能進行表征，并測試其在彎曲或起皺狀態下的穩定性。在TRIS緩沖溶液和人工AWE中測試此傳感器，確保其準確性和可靠性。

圖三：聚氨酯傷口繃帶作為柔性全息pH傳感器基板。制備過程包括干涉層單體擴散、貼附到商用聚氨酯基板。（a）在聚氨酯基板上制備柔性全息pH傳感器的過程。（b）對彎曲表面上柔性全息圖的示意圖和設置照片。（c-d）歸一化柔性全息pH傳感器光譜和校準曲線。（e-f）彎曲對全息pH傳感器的影響。（g-h）離子強度，尿素、尿酸和乳酸對全息pH傳感器的影響。

該工作通過將柔性全息pH傳感器與深色棉層結合，制作了一種可穿戴的傷口護傳感繃帶，旨在連續監測傷口的pH值（圖四）。在離體豬皮模型中使用AWE測試柔性全息pH傳感繃帶，評估傳感繃帶進行連續和實時監測的能力。在連續使用過程中，傳感繃帶對pH變化表現出快速響應并且波動很小。全息pH傳感器的色度響應，允許通過裸眼或智能手機拍攝的照片中色調值的變化與pH值的變化相對應，實現智能手機的實時分析。

圖四：可穿戴傷口pH傳感繃帶的制備及其在傷口滲出液和離體豬皮模型中的性能。（a）制備的傷口pH傳感繃帶照片。（b) 不同視角下智能手機拍攝的全息傳感繃帶照片。（c-d) 在傷口滲出液中歸一化柔性全息pH傳感器光譜和校準曲。（e）連續監測實驗。（f-g) 在豬皮模型上連續監測傷口滲出液中的pH變化。（h) 在傷口滲出液中響應pH變化智能手機拍攝的柔性全息pH傳感繃帶的色度值。

總的來說，這項工作通過3D模擬、實驗驗證和在傷口模型上的測試，開發了一種柔性全息pH傳感繃帶，用于在可穿戴環境中對傷口pH變化進行連續和實時監測。該傳感繃帶展現了穩定性和可靠性。

【成果啟示】

這項研究致力于制備一種可穿戴全息pH傳感傷口繃帶，使用商業化聚氨酯傷口繃帶為基底，通過球面鏡進行全息記錄，優化了全息傳感器的視角限制問題，提高了在可穿戴設備中日常傷口愈合監測的適用性。聚氨酯薄膜作為基底，賦予繃帶極佳的柔韌性。該傳感繃帶可在AWE的pH范圍為7.00-8.75內，通過顏色響應實現對pH值的定量和定性測量，以便于通過裸眼和智能手機攝像頭實現對傳感器的便捷查詢。其在存在常見電解質和生物污染物時具有良好的選擇性、可靠性和可逆性。繃帶結構包括深色吸收棉層、傳感層和透氣的背襯層，基于全息感測原理，實現繃帶在離體豬皮模型上對傷口pH變化的持續監測能力。未來改進方向包括通過監測多個生物標志物以及開發基于智能手機的便攜式光度計以提高傷口愈合監測的準確性與可獲得性，為即時診斷傷口評估提供更有效的手段。

原文詳情：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202308490?