可實時監測糖尿病傷口狀態和葡萄糖的新型水凝膠敷料光學傳感器

2021-01-12 騰訊網

糖尿病性潰瘍是世界上最常見的慢性創傷。雖然科學家已經付出了巨大的努力，糖尿病潰瘍仍然是一個挑戰，需要不斷監測和管理。

針對糖尿病傷口監測和癒合 ，天津大學化工學院張雷教授課題組在糖尿病傷口監測和促癒合方面取得最新進展，開發了一個多功能的兩性離子凝膠創傷敷料作為一個光學傳感器同時監測糖尿病傷口治療的pH值和葡萄糖水平(圖1)。即可將糖尿病傷口的pH和葡萄糖信號轉化為光信號，利用手機採集圖像並進行數據定量分析。該成果以「A Multifunctional Pro-Healing Zwitterionic Hydrogel for Simultaneous Optical Monitoring of pH and Glucose in Diabetic Wound Treatment」為題發表在《Advanced Functional Materials》上。論文第一作者為天津大學化工學院博士生朱迎男，共同第一作者為張嘉敏博士，通訊作者為張雷教授。

本工作研製了一種多功能兩性離子水凝膠，可同時檢測創面pH值和血糖水平兩個波動參數，監測糖尿病創面狀態。一種pH指示劑染料(酚紅)和兩種葡萄糖感應酶，葡萄糖氧化酶(GOx)和辣根過氧化物酶(HRP)，被封裝在抗氧化和生物相容性的兩性離子聚羧酸甜菜鹼(PCB)水凝膠基質中，實現了對葡萄糖的高敏感性。可見圖像信號由智慧型手機收集，並轉換成RGB信號來量化傷口參數。結果表明，這兩種酶在PCB凝膠內的活性和穩定性都得到了提高，PCB‐HRP的Kcat/Km值是人工創面滲出液中游離HRP的5.5倍。這種新型的創面敷料可以成功地監測pH值範圍為4-8，葡萄糖水平為0.1-10×10 3 m。同時提供溼潤的癒合環境，促進糖尿病創面癒合。此外，使用智慧型手機收集可見的RGB圖像，並獲得擬合方程來監測體內糖尿病小鼠創面的葡萄糖和pH變化。這種多功能創面敷料與商業用十二指腸敷料相比，由於在糖尿病創面治療中也表現出良好的促癒合能力，該多功能創面敷料為慢性創面管理開闢了新的前景，對糖尿病的臨床治療具有指導意義。

圖1. 多功能水凝膠敷料實時監測糖尿病傷口pH和葡萄糖示意圖和定量分析過程

圖2. 兩性離子水凝膠固定化酶（PCB-GOx，PCB-HRP）在PBS環境和模擬傷口分泌液環境（AWE）中的催化活性測試

綜上，在這項工作中，該團隊開發了一種多功能兩性離子水凝膠來監測與糖尿病創面相關的兩個重要參數:pH值和葡萄糖濃度。檢測pH時，將指示劑染料酚紅加入PCB水凝膠中，在創面環境的pH範圍內呈現敏感的顏色變化。將GOx和HRP包埋在水凝膠基質中，形成螢光產物(DCF)催化葡萄糖氧化。由於兩性離子PCB水凝膠的抗生物滲透性能，固定化酶在複雜傷口滲出液中的活性和穩定性得到了提高，而游離酶的性能受到了影響。此外，還可以通過分光光度計或智慧型手機對顏色和螢光信號進行定量，進行精確測量。

論文連結：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adfm.201905493

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