智能绷带,不只是绷带

科学家们试图通过开放这种无线可穿戴的生物电子系统,让慢性伤口的治疗更容易、更有效、更便宜。

文|陈根

不是所有伤口都能够快速愈合。比如,糖尿病会干扰伤口愈合过程,减缓伤口愈合速度,这可能会导致感染和溃烂;烧伤的伤口往往也愈合得很慢,这种在 8-12 周内都无法自行恢复至正常功能的解剖型伤口就被称为慢性伤口。

今天,慢性无法愈合的伤口已经成为了一个巨大的医疗负担。据报道,为了治疗由于慢性伤口所带来的并发症,全球每年耗费将近 250 亿美元。并且,慢性伤口的无法自然愈合,使得患者只能长期忍受无法愈合的慢性伤口带来的组织感染、功能障碍,严重时甚至会因并发症致死或致残。

面对慢性伤口愈合难的问题,智能绷带正在悄然流行,科学家们试图通过开放这种无线可穿戴的生物电子系统,让慢性伤口的治疗更容易、更有效、更便宜。

智能绷带,不只是绷带

显然,当一个人受伤时,治疗的目标就是尽快让伤口愈合,如果愈合较慢,伤口就会很容易受到感染。

这是因为,健康的人体皮肤上寄居着大量的细菌,而且在出现伤口后,它们会迅速聚集在皮肤的伤口处,例如金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)和大肠杆菌(Escherichia coli)。如果细菌从伤口入侵我们的身体,并在体内传播,就有可能造成死亡或永久性伤害,除非它们能被尽早发现。

甚至,在最极端的情形下,严重感染的肢体可能需要截肢。尤其是对于糖尿病患者来说,感染很难治疗,也会带来一系列其他风险。

美国有近30万人患有糖尿病,其中约15%至25%的人在某个阶段会患上糖尿病足溃疡。由于糖尿病会导致神经损伤、麻木问题,因此糖尿病患者也可能会出现水泡或小划痕,而这些水泡或小划痕不会被注意到,也不会被治疗。由于高葡萄糖水平会使毛细血管壁变厚,血液循环减慢,这些伤口会更难愈合。这就可能让很小的伤口演变得更危险。

目前,尽管有一些其他方案来干预伤口愈合,比如引入生长因子、细胞外基质。但是这些方法都是被动的,并不会主动应对组织环境的变化。传统绷带无法知道伤口愈合情况,有时解开绷带,才发现药物无效,伤口还在溃烂。并且,过高的开发成本,以及监管、制造、使用上的障碍使得这些方法并不能完全解决慢性伤口带来的所有问题。

与此同时,已有的研究又表明,电疗可以加速皮肤伤口的闭合,且这一方法具备同时检测伤口状态的可能性。虽然在历史上,临床医生曾使用过电刺激疗法,但通常需要借助有线且笨重的设备,只能在医院的监督下使用。为了设计一款可在家全天候佩戴的更舒适的产品,来自西北大学的研究团队开发出了一种小而灵活的智能电子绷带。

这是第一个能够提供电疗的生物可吸收绷带,也是第一个智能再生系统,该系统的一侧包含两个电极(钼电极):一个小型的花朵状电极位于伤口的正上方,另一个环形电极位于健康组织上,环绕整个伤口。

该设备的另一侧包含一个能量收集线圈,用于为系统供电,以及一个近场通信(NFC)系统,用于实时无线传输数据。研究团队还在该智能再生系统上安装了可以评估伤口愈合情况的传感器。

研究团队在糖尿病小鼠模型上进行了实验,结果显示,每天只需进行30分钟的电刺激,能够将伤口愈合速度加快30%。电刺激吸引了新细胞迁移到伤口并在伤口部位再生皮肤组织,新的皮肤组织包括新的血管,炎症也得到了抑制。

除了将伤口愈合的速度提高30%,这种新型电子智能绷带还能主动监测愈合过程,并在伤口愈合后能够无害地将位于体内的电极组件溶解。对此,负责该项研究的工作人员表示,这种新型电子智能绷带可以为糖尿病患者提供强大的并发症治疗和监测工具。

成为移动医疗的最佳入口

近年来,关于智能绷带的技术突破越来越多,除了近日西北大学开发的智能电子绷带外,不久前,斯坦福大学团队也开发出一种集成无线传感和刺激的智能绷带,能够减少瘢痕形成、促进伤口愈合,同时监测伤口的愈合进展。

这款智能绷带由电子层和水凝胶层组成,电子层仅厚100微米,由天线、微控制器、电刺激器、生物传感器等组成,它被安装在具有粘性、加热即可剥离的水凝胶层上。生物传感器能够通过皮肤的导电性和温度变化来监测伤口的愈合和感染情况。当监测到伤口愈合较慢时,智能绷带就会通过电刺激促进细胞抗炎和生长基因的激活,并促使更多抗炎巨噬细胞向伤口迁移,从而促进伤口的愈合。

这项研究提供了一种新型的自动化治疗方式,虽然目前距离投入实际使用仍有很多障碍,但研究人员认为它能为慢性伤口病人和医护带来很多便利。

智能绷带也好,智能手表也好,其他的无线可穿戴的生物电子系统也好,这都让我们看到一个事实,就是可穿戴智能设备在医疗方面的无限潜力——实际上,医疗就是可穿戴设备最具前景的应用领域,其次才是健身和娱乐。

当前,可穿戴设备正为医疗器械行业带来一场革命,即从微型化到便携化,最后到可穿戴化,不但可以随时随地监测血糖、血压、心率、血氧含量、体温、呼吸频率等人体的健康指标,还可以用于各种疾病以及伤口的治疗。

将可穿戴设备应用于医疗行业的优势是显而易见的,其中,可穿戴设备将取代智能手机的最大优势就在于,它能在真正意义上解放我们的双手,成为移动网络新的输入和输出终端。我们不需要打字、动作、发声等传统的任意一种输入方式,只需将可穿戴设备,比如智能手表戴在手腕上就可以完成输入。可穿戴设备的输入信号已经变成了人体的心跳速度、卡路里、血糖、脑电波等等。

另一方面,可穿戴设备能够不间断地监测我们的健康数据,只要我们的身体还在运行,那么可穿戴设备就能不间断地通过内置的传感器将数据记录并进行转换分析。或许当前,我们所熟悉的可穿戴设备,还是智能手表、智能手环之类的产品,但未来可穿戴设备的发展方向必然是与人体自然融合,不被人体察觉到它们的存在。比如嵌入所有的衣服、鞋子里,甚至人体内部。

与此同时,随着当前传感器和物联网技术、云存储和大数据分析等技术不断实现新的突破,并进行集成创新,相互融合,可穿戴设备还将成为移动医疗的最佳入口。未来,智能手环能够时刻跟踪人体各项体征数据,这些数据首先由设备记录,接着通过互联网、云、移动健康平台等生态系统内的配套建设,对数据进行分析反馈,为人们提供有针对性的健康建议,帮助用户预防疾病,或者为有诊疗需求的用户推荐相应的医疗资源。

智能绷带或许只是这场变革中的一小环,但智能绷带不断突破的背后却预示着医疗走向未来的一大步。

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