研究背景:愈合过程的紊乱会导致慢性创面的发生,而慢性创面常伴有的不同程度的感染是其迁延不愈的原因之一,局部血供不足往往也是多数慢性创面的共同点,因此如何防止创面感染并促进血管生成是一个非常重要和具有挑战性的问题。到目前为止,换药是处理伤口最常用的方法,但何时换药、是否应该换药并不规范。伤口状态本应该用来指导换药,然而目前只有打开敷料观察伤口才能获得这一信息。反复更换敷料不仅会干扰正常的伤口愈合过程,还会给病人带来巨大的身心痛苦。更重要的是,反复暴露和过度的医疗干预本身就可能增加伤口的感染风险。此外,对伤口状态的评估应该贯穿整个治疗过程,但传统的基于临床经验的治疗方法显然不能满足这一要求,因此开发一种能够实时监测伤口愈合状态的创面管理方法迫在眉睫。Gel MA（甲基丙烯酰明胶）以其良好的生物学性能和可控的物理性质在组织工程材料中占据了一席之地,这种水凝胶可调控内皮细胞的生物学行为,促进创面血管新生。β-cd（β-环糊精）是一种常用的药物辅料,可作为药物缓释载体,近年来的研究显示其能够调节水凝胶的机械强度并提高其生物相容性。近年来,随着研究的深入,伤口微环境与愈合状态之间的关系逐渐被揭示,温度、湿度和压力这三个常见的指标受到了更多的关注。随着传感器的智能化和小型化,其与柔性集成电路和无线通信技术结合可实现对伤口微环境的实时监测以评估愈合状态,因此我们计划将传感器和组织工程技术结合构建创面微环境非侵入式感知敷料,以期同时实现创面监测和促进愈合两大功能。方法:1.我们开发了创面微环境传感芯片,将各个微型传感元件焊接在柔性电路板上,通过柔性电缆连接至PCB（印制电路板）;PCB上集成有电源控制模块、蓝牙模块等,能够整合传感器收集的创面微环境信息并发送至接收终端;手机APP通过蓝牙功能连接监控设备,接收显示并储存各创面微环境参数。经过多次的方案改进,第四代和第五代传感器最终确定应用。我们用最大拉伸实验和循环拉伸实验检测了柔性电路的皮肤顺应性,以传感器的测量结果和设定温度做对比检测了微环境传感芯片的测量准确性和稳定性,将传感器浸入培养基,并用浸提液培养细胞检测了传感芯片的生物耐久性和生物相容性。2.我们制备了Gel MA+β-cd紫外光交联复合水凝胶,并用分光光度计测量了其透明度、扫描电镜和原子力显微镜拍摄了其表面性状、压汞仪测量了其孔隙率、剪切波弹力成像测量了其杨氏模量,还探究了水凝胶表面的水接触角及其在不同情况下的溶胀情况和水摄入能力等。此外,还用HDMECs（人真皮微血管内皮细胞）测试了其生物相容性和体外促管腔形成作用,并将水凝胶植入了BABL/C小鼠皮下探究了其体内降解情况和促血管生成作用,还将其应用于兔背全层皮肤缺损创面探究了其促进伤口愈合的作用。3.我们将传感芯片和水凝胶结合制备了智能传感敷料,并采用和第一部分相同的方法检测了其测量准确性、稳定性、生物耐久性和生物相容性,还在兔背全层皮肤缺损创面模型上验证了其微环境监测和促进愈合功能,揭示了创面正常愈合过程中的局部温度变化。4.我们在兔背全层皮肤缺损创面的基础上建立了金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌和肺炎克雷伯菌感染创面,并用传感芯片监测了各组创面清创前后的局部温度变化,采用组织学染色、RT-PCR检测等方式揭示了与创面局部温度变化相关的生物学事件,还用logistic回归方法初步探究了用局部温度预测创面感染的可行性。结果:1.创面微环境传感芯片以PI（聚酰亚胺）作为柔性电路基底,温湿度传感器、气压传感器和心率、血氧饱和度传感器焊接于柔性电路板上,通过柔性连线与PCB相连。PCB上集成了电源管理模块、蓝牙模块等,可将传感器测量信息发送至移动终端。手机APP通过蓝牙功能与传感芯片相连,可接收、显示、存储和上传创面微环境数据。传感芯片有良好的皮肤顺应性,与人体正常皮肤的强度接近,测量准确性和稳定性较好,在培养基中浸泡5d时测量精度未受到明显影响,且浸提液无明显细胞毒性。2.制备了Gel MA预聚物和Gel MA+β-cd紫外光交联复合水凝胶,FTIR（傅里叶红外变换）和XRD（X射线衍射）结果显示了甲基丙烯酸酐和明胶的成功反应和β-cd在Gel MA上的成功接枝,该水凝胶半透明,表面较粗糙为疏松多孔结构,利于细胞黏附和爬行。SWE（剪切波弹力成像）和WCA（水接触角）测定结果显示该水凝胶质地软、亲水性良好,且其在模拟人体离子强度和p H值环境下能保持稳定,质量、体积及溶胀率变化均不明显。该水凝胶在胶原酶溶液中可完全降解,细胞毒性和凋亡检测显示其细胞相容性好。通过以上结果确定了β-cd的最佳加入量为2%（w/v）,体内植入实验显示该水凝胶在体内能够完全降解,并通过HIF-1α（缺氧诱导因子1α）通路促进HDMECs的增殖和血管新生,将其应用于创面可减少愈合时间。3.智能传感敷料集成了创面微环境传感芯片、Gel MA+β-cd水凝胶和仿生纳米纤维膜,该敷料为三层结构,最下层为纤维膜层,与创面基底部直接接触,可起到促进愈合的作用;中间层为传感芯片层,能够采集创面微环境信息;最上层为水凝胶层,可保持创面湿润,促进愈合。理论上,纤维膜层和水凝胶层可根据创面具体情况更换为需要的功能性敷料。智能传感敷料能够实时监测创面微环境并促进愈合,我们用其揭示了正常愈合过程中创面的局部温度变化,愈合初期创面的局部温度较高,随着炎症的消退,创面局部温度下降进入平台期。4.建立了不同细菌的感染创面模型,微环境传感芯片监测结果显示,各感染创面局部温度均高于对照创面,其中金黄色葡萄球菌感染创面的局部温度最高,达38.5℃以上;铜绿假单胞菌和肺炎克雷伯菌感染创面的局部温度在37.5-38.5℃之间。清创后,创面细菌负荷下降,各组创面的局部温度均有所降低。我们以上述三种细菌为代表分析了伤口局部温度对感染的预测价值,结果表明伤口局部温度越高,感染革兰氏阳性细菌的风险越大;局部温度越低,伤口感染的风险越低。5.对感染动物的肛温监测结果显示,金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌感染组动物的肛温在细菌处理后第二天升高,肺炎克雷伯菌感染组动物的肛温在细菌处理后第三天才升高,而各组创面的局部温度均在施加细菌后第一天即升高,说明动物核心体温的变化较创面感染的发生有滞后性,且滞后时间与创面感染的细菌种类有关。结论:1.成功制备了能够监测局部温湿度、气压及机体的心率和血氧饱和度的创面微环境传感芯片,该传感芯片有良好的皮肤顺应性、测量的准确性和稳定性及良好的生物耐久性和生物相容性。2.成功制备了Gel MA+β-cd复合水凝胶并进行了表征,该水凝胶能够促进HDMECs的增殖和管腔形成,体内应用可促血管新生,加速创面愈合。3.成功构建了三层结构的智能传感敷料,由上至下分别为水凝胶层、传感芯片层和纳米纤维膜层,在体应用能够实时监测创面微环境并实现促进愈合功能。4.成功建立了不同细菌感染创面模型,监测发现感染创面的局部温度高于正常创面,且不同细菌感染创面的局部温度不同,金黄色葡萄球菌感染创面的局部温度最高,证实了局部温度对创面感染的预测作用。5.创面发生感染时,动物核心体温的变化晚于创面局部温度的变化,以核心体温来预测创面感染的发生有一定的滞后性,且滞后时间与创面感染的细菌种类有关。