基于纺织集成电化学传感技术的创面相关生化标志物监测研究

《International Wound Journal》：Textile-Integrated Electrochemical Sensing Approaches for Monitoring Wound-Relevant Biochemical Markers

　　

可穿戴电化学传感器通过在皮肤–创面界面直接检测创面相关生物标志物，为创面相关生化评估提供了广阔前景。本研究提出一种纺织集成传感器平台，用于过氧化氢（H2O2）和酶法定量乳酸的双分析物响应，二者分别是氧化应激和代谢活性的关键指标。氧化还原传感器采用铂包覆Shieldex工作电极和Ag/AgCl参比电极，以同轴缠绕纱线结构排列。乳酸传感器除采用相同类型的参比电极外，还采用金基工作电极，其表面功能化修饰壳聚糖–聚对苯二胺–乳酸氧化酶（LOx）多层膜，并配备铂基对电极。电化学表征结果显示，氧化还原传感器表现出稳定的电流–时间响应行为，在约180秒内接近准稳定响应水平，并在实验探索的宽H2O2浓度范围（从微摩尔级到高毫摩尔级）内表现出可测量的响应趋势。乳酸传感器在2 mM和4 mM乳酸浓度下分别产生约25%和50%的可重复定性电流增加，响应幅度受pH和温度影响。生物相容性测试证实，金基和铂基电极无细胞毒性效应，而Ag/AgCl在长时间孵育下仅表现出中等程度效应，支持主要传感元件适用于创面接触应用。综上，研究结果在受控实验室条件下证明了概念验证功能，而全面的分析验证仍有待未来工作完成，这支持了纺织基电化学传感器集成至下一代智能创面敷料的潜力。未来研究还将聚焦于环境补偿、酶稳定化及面向创面相关应用的进一步系统优化。

一、研究背景与意义

慢性及感染性创面仍是重大医疗挑战，常伴随愈合延迟、持续性炎症、生物膜形成及多重耐药（MDR）细菌感染，降低传统抗菌疗法效果并增加治疗成本。因此，大量研究聚焦于将治疗干预与创面微环境连续监测相结合的先进创面管理策略。将电化学传感技术集成至纺织基底已成为可穿戴医疗诊断的重要发展方向，智能纺织品可实现创面相关生化标志物的无创、近实时指示，为临床医生提供感染、慢性炎症或组织降解等并发症的早期洞察。在创面相关生物标志物中，过氧化氢（H₂O₂）作为与氧化应激过程相关的活性氧物种，乳酸作为反映细胞呼吸和组织灌注状态的代谢副产物，是最具创面评估价值的指标。

传统传感器系统采用刚性电极或柔性薄膜贴附于皮肤，限制了其顺应性、可穿戴性及与日常材料的集成能力。相比之下，纺织集成传感器具有高透气性、柔软性和佩戴舒适性，同时保持直接皮肤接触，特别适用于创面敷料应用。然而，许多已报道系统依赖柔性薄膜或刚性电子元件，而非与既有纺织制造工艺兼容的纺织工程传感器架构。本研究旨在填补这一研究空白，开发机械稳健的纺织电极架构用于创面相关生化传感，以过氧化氢和乳酸为模型分析物，分别代表氧化应激和代谢活性。

二、研究内容与主要技术方法

研究人员开发了两种纺织集成电化学传感器：同轴缠绕结构的氧化还原传感器和三螺旋编织结构的乳酸传感器。氧化还原传感器采用铂包覆Shieldex镀银聚酰胺单丝纱线作为工作电极（WE），Ag/AgCl包覆银纱线作为参比电极（RE），以同轴缠绕结构组装。乳酸传感器采用金基工作电极，功能化修饰聚对苯二胺（PPD）选择性渗透膜、壳聚糖水凝胶层及乳酸氧化酶（LOx）多层膜，配备Ag/AgCl参比电极和铂对电极，以三螺旋编织结构排列。酶固定化通过戊二醛交联和席夫碱反应实现。电化学测试在磷酸盐缓冲液（PBS，pH 7.4）中进行，氧化还原传感器采用恒电位安培法（+12 mV vs. Ag/AgCl），乳酸传感器采用三电极配置（+300 mV vs. Ag/AgCl）。材料表征采用光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）。细胞相容性通过LDH活性检测评估，使用NHDF成纤维细胞进行提取物暴露测试。

三、研究结果

3.1 氧化还原传感器性能评估

3.1.1 时间依赖性安培响应

在12.8 mM过氧化氢中，氧化还原传感器在+12 mV电位下表现出初始电流变化（前约20秒），随后电流逐渐向更负值演化，约180秒后电流演化趋于平缓，达到准稳定响应水平。该行为与纺织基电极界面的缓慢平衡过程一致，包括纤维润湿、缠绕结构中的扩散及H₂O₂逐步到达铂表面。重复测量显示一致的响应趋势，表明纺织电极结构具有可重复的方向性行为。

3.1.2 对H₂O₂浓度的剂量响应

在约10 μmol/L至0.1 mol/L的浓度范围内，传感器电流随H₂O₂浓度增加呈系统性下降趋势。低浓度时电流变化较陡，高浓度时曲线趋于平坦，反映纤维基电极中传质和表面相互作用的限制。重复运行显示一致的浓度依赖性响应趋势，适用于氧化应激相关标志物的概念验证和半定量评估。

3.2 乳酸传感器性能

3.2.1 对乳酸浓度的电化学响应

在PBS基线、2 mM和4 mM乳酸条件下，传感器表现出浓度依赖性电流增加。PBS基线基本不变，2 mM乳酸诱导约25%的平均相对电流增加，4 mM乳酸产生约50%的增加。初始瞬态电流上升归因于LOx酶活性将乳酸转化为H₂O₂，随后信号逐渐稳定。

3.2.2 弯曲条件下的机械稳定性

经300次弯曲循环后，各传感器构型的电容均未出现显著或系统性变化。乳酸传感器纱线最大相对变化约6%，纺织集成和非纺织集成构型变化均不超过1%。结果表明编织架构结合所选电极和结构纱线材料提供了适合重复变形的稳健柔性配置。

3.2.3 对pH和温度的环境敏感性

与中性条件相比，pH 6.0时电流略有下降，pH 8.0时适度增加，40°C高温导致电流小幅增加，与较高温度下酶活性增强一致。这些环境变化幅度显著小于乳酸诱导信号，表明传感器响应主要由酶促乳酸转化主导。

3.3 电极显微和SEM表征

光学显微镜和SEM成像确认了Ag/AgCl包覆层的成功形成，呈现粗糙颗粒形貌。SEM/EDX元素图谱显示铂连续包覆层覆盖于银基底之上，未观察到明显涂层不连续或剥落现象。

3.4 乳酸和氧化还原传感器材料的细胞相容性

LDH活性检测显示，金基和铂基电极在21天观察期内细胞增殖与参照对照相当，表明良好的细胞相容性。Ag/AgCl在第14和21天表现出增殖趋势降低，且第21天误差棒较大，提示银基材料可能存在时间依赖性生物效应。

四、讨论与结论

讨论部分指出，氧化还原传感器的低电位（+12 mV）纺织缠绕设计优先考虑对富含蛋白质创面渗出液的耐受性和纺织集成构型中的稳健操作，而非极端实验室条件下的分析性能。乳酸传感器中PPD选择性渗透膜与壳聚糖水凝胶层的组合有助于减少较大电活性物质的响应贡献，但重复使用测试显示信号逐渐衰减，部分归因于LOx浸出和水凝胶粘附性降低。细胞相容性结果支持金和铂电极作为创面接触生物传感器主要传感元件的适用性，同时提示银基组件在长期应用中需谨慎考虑。

研究结论指出，本研究展示了架构驱动的双模式纺织集成电化学传感平台用于创面相关生物标志物（H₂O₂和乳酸）监测的可行性。氧化还原传感器在宽浓度范围内表现出可测量的H₂O₂响应，约180秒后信号演化接近平衡。乳酸传感器在创面相关乳酸浓度范围内表现出酶活性响应。金和铂电极支持正常成纤维细胞生长，适合创面接触传感应用。未来研究应聚焦于改进酶固定化策略、集成温度和pH补偿机制、进行全面分析验证（包括校准、检测限、选择性、干扰测试和长期稳定性）、在模拟创面液和真实创面渗出液中评估传感器性能、开展全面机械耐久性和长期操作可靠性研究，以及开发传感器封装和可穿戴电子集成以实现无线数据采集和临床验证。该双分析物纺织传感方法展示了集成至智能创面敷料的应用导向可行性，支持未来临床和家庭护理场景中创面环境生化变化的定性监测。