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皮肤具有多种重要功能，包括抵抗外来微生物、体温调节、新陈代谢和免疫。皮肤感染可引起轻微甚至危及生命的疾病，尤其是伤口感染，其诱因是致病菌（主要是金黄色葡萄球菌）侵入受伤组织，从而导致全身炎症反应。因此，现场疗养和早期检测细菌引起的皮肤感染对于维护人类健康和安全至关重要。然而，临床常用的疗养工具需要经常消毒和更换，缺乏快速的自抗菌特性。此外，伤口愈合是一个复杂的多步骤生物过程，可能会受到细菌感染或氧化应激等各种因素的影响。这些因素会使细菌感染伤口的管理复杂化，并延长愈合过程。因此，有效的伤口管理平台对减少炎症并发症和感染至关重要。基于微针的伤口管理平台因其溶解性、局部给药、长期药物释放以及减少疼痛和组织损伤的能力而在最近获得了极大的研究兴趣。皮肤作为人体最大的器官，与个人的健康息息相关。延迟诊断和疗养皮肤感染会导致伤口不愈合和败血症等并发症。尽管意义重大，但伤口感染的早期识别和伤口不愈合的及时疗养仍是一项需要持续管理的挑战。
来自深圳大学的许太林和张学记团队开发了一种结合智能微针传感的新策略，以抑制伤口感染并跟踪伤口愈合状态。基于金属有机框架（MOF）水凝胶的微针针尖可快速自消毒并促进伤口愈合。基于 pH 值敏感荧光试剂的微针贴片基底可与智能手机集成，实现图像可视化。此外，它还能通过应用机器学习算法进一步可靠地评估伤口的 pH 值。多功能微针传感贴片建立了一种疗养与传感相结合的策略，以解决延迟伤口管理问题，促进了 MOF 水凝胶的设计和优化，并为疾病诊断和个性化健康管理提供了一条便捷的途径。相关工作以题为“Self-Sterilizing Microneedle Sensing Patches for Machine Learning-Enabled Wound pH Visual Monitoring”的文章发表在2024年02月01日的国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》。
1. 创新型研究内容
本研究开发一种多功能微针传感贴片，其设计用于细菌感染伤口的快速愈合和伤口 pH 值的可视化监测。通过将 Bi-PCN-222 和姜黄素封装在丝纤维甲基丙烯酰（SilMA）水凝胶中，MN 贴片被赋予了多种特性。Bi-PCN-222 向金黄色葡萄球菌的电子传递干扰了细菌的新陈代谢，从而产生快速的自体灭菌效果。此外，pH 值敏感的荧光指示剂被集成到作为微针基底的 PVA 凝胶中，以实现对伤口 pH 值的实时监测。该微针贴片具有优异的抗菌性能、可靠的荧光传感能力和较高的预测准确性，可用于伤口液体 pH 值的定量分析。这种机器学习辅助微针传感贴片为先进的伤口管理和即时诊断提供了灵活可靠的检测策略。
【多功能 MN 补丁的制备】
图 1a 显示了为基于 MOF 的药物输送和伤口 pH 值传感而设计的多功能微针（MN）贴片的示意图。微针贴片由两层组成：由甲基丙烯酰蚕丝纤维素（Silk Fibroin Methacryloyl，SilMA）制成的微针尖部层和由聚乙烯醇（PVA）制成的底层。微针贴片的顶端含有 MOF（Bi-PCN-222）和姜黄素，它们具有抗菌和消炎的特性，可用于疗养细菌感染的伤口。多孔 MOF 与 Bi NPs 的结合可以弥补 Bi NPs 的缺陷，如团聚和不稳定性。姜黄素是一种天然多酚，具有抗氧化和消炎作用，可通过清除活性氧增强细胞的抗氧化能力，从而促进伤口愈合。具有酶模拟活性的金属 MOF、天然抗炎剂姜黄素和 SilMA 水凝胶的组合可用于革兰氏阳性细菌感染的伤口愈合（图 1b）。MN 贴片的基质是聚乙烯醇（PVA）凝胶，能够携带对 pH 值敏感的荧光检测试剂（FITC）。通过 MN 的尖端提取伤口液体并输送到 PVA 凝胶层，然后根据凝胶层伤口 pH 值的荧光强度变化来检测伤口 pH 值（图 1c）。图 1d 展示了用于分类伤口状态的机器学习算法。凝胶斑块的荧光强度数据集用于训练 K 近邻（KNN）模型，以对伤口感染类型进行多元分类。通过引入基于机器学习的诊断模型，可以实现准确可靠的伤口管理。如图 1e 所示，多功能 MN 贴片可与智能手机相结合，通过捕捉荧光图像监测 pH 值。这样就能对伤口管理进行个性化优化。
图1 用于伤口管理的多功能微针传感贴片示意图
【多功能 MN 补丁的特性分析】
图 2a显示，补片在 12.4 毫米 × 12.4 毫米的补片上有序排列成 11 × 11 的阵列，以支持足够的伤口渗出液进行分析。微针呈四棱锥状，高度为 800 微米，两尖端之间的距离为 800 微米（图 2b、c）。这种金字塔形的结构可以快速、准确、无创地将 MN 贴片插入皮肤深层。本研究使用万能试验机对 MN 贴片的机械强度进行了鉴定。结果表明：该水凝胶具有高效的自我抗菌和伤口愈合性能。Bi-PCN-222 的扫描电子显微镜（SEM）成像和透射电子显微镜（TEM）显示出均匀的纳米棒状结构（图 2d、e）。此外，本研究还发现 PCN-222 上负载了生物纳米颗粒（图 2f）。生物纳米粒子通常不稳定，在生理条件下容易团聚。然而，PCN-222 的存在提高了生物纳米颗粒的稳定性和分散性。图 2g 显示了 Bi-PCN-222 中 Bi、Bi、Zr、C、N 和 O 的均匀分布，这与之前的研究结果一致。
如图 2i 所示，与空白 SilMA 相比，引入 Bi-PCN-222 后 MOF 混合水凝胶的结构保持不变。结果表明，Bi-PCN-222 在 SilMA 水凝胶中是稳定的。Bi-PCN-222 具有类似氧化酶和过氧化物酶的特性。类氧化酶和过氧化物酶特性是通过 3,3,5,5- 四甲基联苯胺（TMB）分子探针检测到的。与 PCN-222 组相比，Bi-PCN-222 组的吸光度更强。Bi-PCN-222 可以催化 TMB 和 H2O2 氧化生成 -OH，这表明 Bi 纳米颗粒的加入具有出色的类氧化酶和过氧化物酶特性。同样，在 SilMA 中加入 Bi-PCN-222 得到的 MOF 混合水凝胶也保持了良好的类氧化酶和过氧化物酶特性（图 2i,k）。此外，还研究了多功能微针贴片的药物释放能力。荧光染料作为药物分子的替代物被嵌入微针的尖端。图 2l 显示了贴片在不同时间点浸入 PBS 的荧光图像。随着浸泡时间的延长，微针的荧光强度逐渐减弱，表明荧光染料释放缓慢。
图2 多功能 MN 补丁的特性分析
【体外抗菌性能和生物相容性评估】
本研究评估了多功能 MN 贴片的抗菌效果。如图 3a 所示，分别拍摄了凝胶 MN、MOF MN 和 MOF-Cur MN 培养 1 小时和 4 小时后的展板。与凝胶组相比，含有 MOF 材料的组对革兰氏阳性菌的抵抗力更强。MOF MN 和 MOF-Cur MN 对金黄色葡萄球菌的高抗菌率主要是由于 MOF 具有合适的氧化还原电位。这使得电子自发地从 Bi 纳米粒子转移到 PCN-222，从而影响革兰氏阳性细菌的电子传递代谢，加速杀菌过程。图 3b 展示了各组在不同培养时间点的抗菌率变化。MOF MN 和 MOF-Cur MN 对金黄色葡萄球菌的抗菌率分别高达 99.34% 和 99.38%。姜黄素的存在并未影响 MOF 的抗菌特性。此外，MOF-姜黄素水凝胶在不同的 pH 值下仍能保持较高的抗菌率。结果表明，MN 贴片中的 MOF-Cur 水凝胶能抑制金黄色葡萄球菌的生长。通过体外细胞增殖和溶血试验研究了 MN 补丁的生物相容性。与凝胶 MN、MOF MN 和 MOF-Cur MN 共同培养 24 小时后的活细胞荧光图像见图 3c。各组细胞形态良好，细胞明显延长。各组的细胞增殖率分别为 132.78%、134.44% 和 139.84%（图 3d）。与 MOF-Cur MN 共培养的 NIH 3T3 细胞在人工产生划痕 24 小时后发生了明显的细胞迁移。这些结果表明，多功能微针对促进细胞增殖有积极作用。此外，还进行了溶血试验，以评估微针贴片对红细胞的刺激特性。图 3e 显示，MOF-Cur MN 组没有引起明显的溶血。凝胶 MN、MOF MN 和 MOF-Cur MN 的溶血率均低于 5%的国际标准要求，表明微针具有良好的血液相容性。
图3 体外测试
【多功能 MN 补丁的 ML 辅助传感性能】
正常情况下，皮肤呈酸性（pH 值为 4 - 6），具有天然屏障功能，可抵御微生物入侵。然而，在慢性或感染性伤口中，由于微生物的作用，pH 值会变为碱性（pH 值为 7 - 9）。因此，伤口 pH 值可作为反映伤口重塑过程的重要参数。在这里，装有对 pH 值敏感的荧光检测试剂（FITC）的 PVA 凝胶盘暴露在不同的 pH 值下。使用智能手机在 365 纳米紫外线照射下捕捉荧光图像，分析荧光强度的变化。如图 3f 所示，荧光强度随着 PBS 中 pH 值的增加而增加。在人工伤口渗出液（AWE）中也观察到了类似的荧光强度变化，如图 3g 所示。结果表明，AWE 中的蛋白质不会影响 pH 值检测。此外，PBS 和 AWE 中的 pH 值与荧光强度之间存在良好的线性关系。图 3h 研究了血液污染对伤口 pH 检测的影响。在 pH 值为 4、7 和 9 时，荧光强度逐渐增加，这表明血液污染不会明显干扰伤口 pH 值的视觉评估。此外，MN 传感器在储存 14 天后具有良好的稳定性。
【体内分析】
小鼠模型用于评估使用多功能微针贴片处理细菌感染伤口的效果。在第 0、3、6 和 12 天对伤口状态进行监测和成像。图 4a 显示了微针贴片对细菌感染伤口的疗效。从第 3 天到第 12 天，MOF MN 组和 MOF-Cur MN 组的伤口愈合效果高于凝胶 MN 组和对照组。细菌感染三天后，MOF MN 组和 MOF-Cur MN 组的伤口已经开始结痂。然而，由于小鼠的自愈能力，对照组和凝胶组的伤口直到第 6 天才开始结痂。第 12 天，MOF MN 组和 MOF-Cur MN 组的伤口已经愈合。其中，MOF-Cur MN 组的伤口愈合效果更明显，伤口周围长出了毛发。伤口面积的恢复也直观地反映了各组的愈合效果（图 4b）。与 MOF MN 组相比，MOF-Cur MN 组的伤口愈合率更高，愈合能力更快（图 4c）。第 12 天收集所有伤口皮肤组织进行组织学分析（包括苏木精-伊红（HE）染色、Giemsa 染色和 Masson 染色）。如图 4d所示，对照组和凝胶组的伤口组织中仍存在一些中性粒细胞，表明炎症仍在持续。然而，MOF-Cur MN 组的炎症细胞少于 MOF MN 组。在皮肤伤口愈合阶段，与对照组和凝胶组相比，MOF MN 组和 MOF-Cur MN 组肉芽组织形成的宽度减小。此外，MOF-Cur MN 组的成纤维细胞明显增加。这些结果表明，MOF（Bi-PCN-222）和姜黄素加入 MN 后都能促进伤口愈合。第 12 天，伤口组织的革兰氏染色显示，对照组和凝胶组感染部位仍有大量细菌，而 MOF MN 组细菌很少，MOF-Cur MN 组几乎没有细菌（图 4e）。
图4 体内伤口愈合测试和 pH 值监测
2. 总结与展望
总之，本研究开发出了一种智能微针传感贴片，它具有快速自灭菌、良好的生物相容性和实时监测伤口 pH 值等特点。MOF 水凝胶固有的抗菌特性与姜黄素辅助抗炎作用相结合，显著提高了伤口愈合的效率。荧光指示剂和聚乙烯醇水凝胶的组合能够快速、准确地检测伤口的 pH 值，并显示出灵敏的颜色变化。智能手机可用于捕捉伤口的荧光图像，从而实时监测伤口愈合过程并提供有效的抗菌疗养。此外，在小鼠模型中，这种多功能微针传感贴片能够有效监测伤口感染，并对感染的严重程度具有适当的灵敏度。这种多功能微针传感贴片在大大减轻病人的负担和痛苦、指导伤口护理以及评估更复杂伤口环境中的监测和给药特性等方面的应用前景广阔。
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