首页 > 资讯 > 新研究发现：基于凝胶的可穿戴设备在肉眼之前检测伤口感染

出自识林

2021-11-22

最近一组新加坡研究人员设计了一种可穿戴传感器，在初步测试中，可在开放性伤口看起来与未感染伤口没有任何不同之前识别感染。传感器结合了生物学、材料科学和电气工程的原理，未来或可能会成为现有诊断工具的低成本、省时替代品。

当今市场上的许多可穿戴设备，例如智能手表或运动手环等，都使用光学传感器来测量人的心率和血氧水平。但新研发的这种可穿戴设备不会戴在手腕或手上，是一种水凝胶和电子传感器，其长度与人的手指一样长，可直接附着在开放的伤口上。

该设备通过利用有害细菌的特殊特性从源头上感知感染。出于尚未完全了解的原因，许多有害细菌菌株会分泌出一种被称为脱氧核糖核酸酶的酶。新型可穿戴设备的传感器与酶反应最终会转化为信号。

这一设备的希望是更快地检测感染，从而更快治疗，在感染发展为复杂且可能危及生命的疾病之前根治感染。

研究的第一作者、新加坡国立大学卫生、创新与技术、电气与计算机工程三个系的研究院 Ze Xiong 表示，“关键概念是水凝胶会被细菌分泌的酶降解，从而反映细菌的存在。然后，传感器会向患者或临床医生发出警报，他们可以更换伤口敷料或用抗生素治疗。”

该研究[1]于 11 月 19 日发表在《科学进展》（Scinece Advances）杂志上，研究的合著者之前曾在 10 月份发表过一项研究，这项研究专注于使用传感器来监测手术伤口中的一系列生物识别技术。新的研究则专注于细菌感染，细菌感染是一种伤口并发症，医疗保健系统在因细菌感染而导致的并发症上的花费达数十亿美元，并且并发症经常会导致死亡。

Xiong 表示，他利用自己的跨学科背景以及化学和材料科学的背景，组建了这个团队，可以什么方面都涉及一点。

该团队设计的水凝胶包含 DNA 和连接到电传感器的电极。当细菌酶与凝胶中的 DNA 相互作用时，材料的电导率发生变化，产生由传感器测量的电信号。Xiong 表示，使用可以吸收水平同时仍保持其结构完整的水凝胶，让该团队在检测感染方面比传统的生物方法具有巨大优势。

“检测生物信号的最常见方法是通过荧光，但这需要巨大的显微镜和笨重的仪器。水凝胶的优点是厚度为 1mm，但仍然足够大可以与传感器相互作用。”

团队首先在糖尿病足溃疡患者的培养物中测试了这一概念。然后，在对传感器的电子设备进行了微调，将其与水凝胶结合起来，并将由此产生的设备连接到几只老鼠身上。他们将金黄色葡萄球菌应用于其中的一小部分老鼠 — 24 小时后，附着在新感染伤口上的水凝胶传感器检测到足以触发智能手机警报的变化，而对照组几乎没有变化。

Xiong 表示，研究的合作者之一，一名接受过识别感染伤口培训的临床医生，确定一些小鼠伤口的外观没有明显变化，这意味着传感器能够在视觉评估之前识别细菌感染。尽管如此，还是有必要对人类受试者进行进一步的试验，因为感染的最初诊断通常是基于患者注意到的疼痛或身体其它变化。

康奈尔大学生物与环境工程教授 Dan Luo（没有参与这项研究）表示，这些结果是一个很有希望的首次示范。尽管如此，他表示，团队需要收集大量数据，然后才能让设备获得批准，首先要证明其敏感性和特异性。他表示，“DNA 是很稳固，但很多东西可以降解 DNA，例如，血液中通常含有的脱氧核糖核酸酶。”

他补充指出，该设备的未来迭代甚至可以通过设计一种 DNA 水凝胶，在 DNA 降解时释放抗生素，从而将诊断与治疗结合起来。

[1] Xiong, Z., Achavananthadith, S., Lian, S., Madden, L. E., Ong, Z. X., Chua, W., Kalidasan, V., Li, Z., Liu, Z., Singh, P., Yang, H., Heussler, S. P., Kalaiselvi, S. M. P., Breese, M. B. H., Yao, H., Gao, Y., Sanmugam, K., Tee, B. C. K., Chen, P. Y., . . . Ho, J. S. (2021). A wireless and battery-free wound infection sensor based on DNA hydrogel. Science Advances, 7(47). https://doi.org/10.1126/sciadv.abj1617

作者：识林-Acorn
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