利用电化学环境传感技术检测壳聚糖水凝胶以修复运动训练中造成的皮肤损伤：运动损伤预防

《Microchemical Journal》：Using electrochemical environmental sensing to detect chitosan hydrogel to repair sports training skin wounds: Sports injury prevention

壳聚糖水凝胶用于运动损伤修复，具有促进愈合和生物相容性，整合电化学传感器实现伤口微环境实时监测与智能反馈，构建治疗与感知一体的新型智能敷料平台。

　　

魏虎

重庆科技商务大学体育学院，中国重庆600067

摘要

体育训练常常会导致皮肤损伤。传统的修复方法效率低下，且缺乏动态监测手段，难以满足运动员快速恢复的需求。为此，本研究基于天然多糖制备了壳聚糖水凝胶敷料，并系统评估了其物理化学性质、生物相容性及促进愈合的效果。研究重点探讨了将电化学传感器集成到该水凝胶平台中的可行性和必要性。电化学传感器具有高灵敏度、微型化及实时监测能力，能够连续、无创地检测伤口微环境中的关键指标（如pH值、炎症代谢物、细菌信号等），为伤口状况提供客观、动态的评估依据，弥补了传统终点评估方法的不足。通过分析水凝胶的基本性质（如膨胀性、孔结构、离子传导性能及生物相容性），证明了其作为电化学传感载体的良好适应性。研究结果表明，所制备的壳聚糖水凝胶具有优异的物理性能和生物化学相容性，能有效促进皮肤伤口愈合并加速运动功能的恢复。更重要的是，其材料特性为构建兼具治疗和感知功能的智能敷料奠定了基础。因此，壳聚糖水凝胶不仅本身是修复运动损伤的理想材料，还具有作为电化学传感平台的巨大潜力。未来，若与微型化、柔性的电化学传感器结合，有望实现伤口愈合过程的实时监测和智能反馈，从而彻底改变运动医学中的伤口管理方式。

引言

随着体育活动的普及，运动损伤导致的皮肤伤口问题日益突出，影响了运动员的比赛状态和康复效果[1]。因此，寻找有效的皮肤伤口修复方法成为运动医学和康复领域的重要课题。运动损伤种类繁多，常见的皮肤和软组织损伤会引发疼痛、感染并延长恢复时间，影响运动员的训练和竞技水平[2]。天然多糖因其良好的生物相容性和生物活性而在伤口修复领域受到广泛关注[3]。壳聚糖作为一种重要的天然多糖，来源丰富，在生物医学应用中表现出优异的性能[4]。其良好的生物相容性可减少免疫反应，抗菌特性降低感染风险，为伤口愈合创造安全环境；同时还能促进细胞增殖和组织再生，加速伤口愈合。通过制备敷料并应用于伤口，可形成保护层防止细菌侵入，释放生物活性物质刺激细胞增殖和迁移。与其他生物材料结合使用时，可进一步提升敷料性能，为伤口修复提供更多可能性。基于壳聚糖的水凝胶因其优异的保水性和类似生物组织的三维网络结构，为细胞生长提供了理想环境，促进伤口愈合；其抗炎特性可缓解运动损伤引起的疼痛和炎症，透气性和保湿性为伤口愈合提供了理想条件。通过不同的加工方法调整壳聚糖水凝胶的化学结构和物理性质，可制备出具有多种特性的水凝胶，以满足不同类型伤口的需求[6]。例如，通过调节水凝胶的交联度和网络结构，可优化愈合速度和效果，以适应不同程度的损伤。

在探索壳聚糖水凝胶作为新型运动伤口敷料的潜力时，传统的伤口评估方法主要依赖医生的肉眼观察和主观判断，这不仅效率低下，也无法捕捉伤口微环境中的细微生化变化，严重限制了对治疗效果的动态评估和个性化干预方案的制定。电化学传感器技术凭借高灵敏度、快速响应、微型化、低成本及易于集成等优点，能够将伤口局部微环境中的关键生理和病理指标（如pH值、溶解氧、特定代谢物、炎症因子和细菌代谢物等）转化为可量化的电信号。例如，伤口感染通常伴随局部pH值升高和特定酶（如基质金属蛋白酶）活性增强，而慢性难愈性伤口可能表现出异常的氧化还原状态。将微型、柔性和生物相容性的电化学传感单元集成到智能敷料中，可实现这些关键参数的连续、无创或微创监测。这种感知-反馈闭环系统不仅为临床医生提供客观、动态的伤口状态数据，辅助精准诊断和预后判断，还能与药物输送系统结合，在检测到感染或炎症信号时触发抗生素或抗炎药物的靶向释放，实现智能伤口管理。因此，将先进的电化学传感技术与具有良好生物相容性和促进愈合能力的壳聚糖水凝胶结合，有望构建新一代兼具治疗和监测功能的智能运动创伤修复平台，为运动员提供更高效、安全的康复保障。随着现代生物技术的发展，基于壳聚糖的水凝胶可与生长因子等活性成分结合，创新技术可进一步提升伤口愈合效率[7]。例如，负载生长因子的水凝胶可提供持续的生物活性，加速细胞增殖和组织再生。壳聚糖水凝胶在运动医学和伤口修复领域具有广泛的应用前景，可提高愈合效率并提供康复支持。对其深入研究为运动损伤的预防和治疗提供了有效方案，推动运动医学的发展，帮助运动员应对训练中的身体挑战，实现全面的运动康复。

相关研究

相关工作

电化学传感技术在生物医学检测领域的应用已取得显著进展，应用范围从传统的体外诊断（如血糖监测）扩展到更复杂的体内和原位实时监测场景，为智能伤口敷料的发展提供了坚实的理论和技术基础。大量文献报道了用于检测生物标志物的电化学传感器的设计

天然多糖结构

在设计和制备用于运动损伤修复的壳聚糖水凝胶时，除了关注其固有的生物相容性、机械性能和促进愈合的能力外，还需积极考虑其作为电化学传感载体的潜力。理想的智能水凝胶敷料基质不仅需为细胞生长和组织再生提供适宜的物理和化学环境，还应具备

物理性能分析

对壳聚糖水凝胶进行全面的性能评估是确保其作为医用敷料的安全性和有效性的必要步骤。除了常规的物理性能测试（如机械强度和膨胀性）和生化性能测试（如抗菌性、血液相容性和细胞毒性）外，若要将其发展为智能传感平台，还需对其物理性质进行深入表征

皮肤伤口修复

使用H&E染色方法分析伤口愈合第14天的皮肤组织，以评估伤口愈合质量。H&E染色的组织切片清晰显示了细胞和组织结构，便于直观评估伤口愈合过程。通过对切片进行伤口闭合间距统计，发现实验组之间存在显著差异。如图6所示，OCFQ组的伤口间距最小

结论

研究表明，基于天然多糖的壳聚糖水凝胶在修复运动训练引起的皮肤伤口方面具有显著优势，能有效促进组织再生和加速运动能力恢复。其优异的物理性能、生物相容性和可调的网络结构不仅满足了传统医用敷料的功能要求，还展现出作为先进传感材料的巨大潜力

作者贡献声明

魏虎：撰写原始稿件、项目管理和实验实施。

资金支持

本项工作未获得任何资金支持。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。