由于诊断、监测和管理方面的复杂需求，伤口感染仍然是一个重大的医疗保健挑战，影响着全球数百万患者。可穿戴传感器的开发将有助于直接监测伤口。此外，个性化健康状况监测可以为临床和实验室以外的感染问题提供及时警报，同时，引入有效的伤口监测设备可以缩短住院时间，减少对医疗保健提供者的访问，并降低与伤口评估和治疗的实验室检查相关的费用。因此，需要开发一种无创且方便的设备，通过分析生物标志物（如绿脓毒素水平升高是细菌生长的公认指标、伤口环境的pH值页是反映愈合状况的生化指标等）来监测伤口状态。
作者提出了一种全印刷柔性传感阵列，旨在检测复杂伤口渗出液中的绿脓毒素和pH值，同时还补偿动态pH值波动。具体来说，使用可丝网印刷的导电纳米复合墨水用于制造绿脓毒素传感器，并使用聚苯胺/碳纳米复合材料作为pH传感器的pH敏感膜。为了减轻pH波动的影响，开发了一个基于偏最小二乘回归（PLS）的数学pH校正系统来解决pH波动问题，这种可穿戴设计对于实时伤口感染筛查具有重要意义。
图1.一种基于绷带的传感阵列，用于测定伤口中的绿脓毒素和pH值，并带有用于感染监测的pH校正系统。
该传感器可以通过促进液体从伤口转移到绷带的电极表面，从而实现对绿脓毒素的直接电化学分析。从SWV响应中可以观察到，绿脓毒素的氧化性质允许分子在合适的材料表面进行氧化。此外，该电极使用多孔碳纳米管/石墨烯电极复合材料保证其高电导率和电子转移能力，又能在可穿戴基板上保持机械弹性。聚苯胺/碳纳米管复合材料沉积在工作电极区域上，形成聚苯胺基导电膜作为可逆质子化-去质子化过程的层。当伤口液中的水合氢离子质子化/去质子化时，生物流体和敏感电极之间的界面处产生的相互作用引起电压改变。电极电位的变化可以相对于参比电极记录下来，从而产生电位测量信号（图1）。
图2.绷带基印刷电极的电化学性能和材料特性。
通过对基于绷带的多孔碳纳米管/石墨烯电极的表征和电化学行为研究发现，CaCO3在电极表面墨水中均匀分布，去除CaCO3孔隙后，均匀出现大量孔隙，导致更大的活性表面积。此外，与未修饰的电极相比，多孔CNT/石墨烯电极的半圆电荷转移电阻（Rct）为0.788 kΩ，Rct为18.2 kΩ，表明其特殊的结构和印刷的导电纳米复合材料提高了电化学性能。在−0.13V时，在绿脓毒素伏安图中观察到明显的峰。正向和反向峰的存在表明了绿脓毒素氧化还原反应的准可逆性质（图2）。
图3. 在多孔碳纳米管/石墨烯电极上进行SWV测量。
采用SWV技术对不同浓度的绿脓毒素溶液进行分析，结果表明，在-0.13V处阳极峰值电流随着绿脓毒素浓度的增加而增加，而氧化电位没有变化，检测范围为0.25-100μM，检出限（LOD）为0.22μM。此外，该传感器还具有良好的抗干扰性和重复性。这种增强的性能可归因于多孔碳纳米管/石墨烯电极实现的协同效应，促进了高效的电催化信号转导，并有助于换能器的性能增强（图3）。
图4.绷带式pH传感器电位响应的研究。
通过连续测试将其暴露在pH溶液中，从低pH值过渡到高pH值，然后颠倒顺序发现，传感器在pH值从6.0到10.0和返回之间的输出电压如图所示，pH传感器灵敏度为-51.9mV/pH 。该传感器的高灵敏度归功于聚苯胺基纳米复合材料，其高导电性和化学结构，可在pH变化下促进可逆的质子化和去质子化反应。当pH值增加时，发生去质子化，导致电位降低。相反，如果pH值增加，质子数量增加，引起质子化，随后电位增加。此外，纳米复合材料的高表面积和多孔结构增强了与流体的相互作用，实现了快速灵敏的pH检测（图4）。
图5.pH校正检测模型的建立。
SWV和相应的等高线图表明，在所有pH条件下，确定的SWV的电流响应都受到绿脓毒素浓度的影响。SWV对应的等高线图显示了各pH条件下检测绿脓毒素的最佳应用潜力，最佳电势由产生电流输出明显差异的位置决定。在绿脓毒素的检测中，在-0.23至-0.05V的临界范围内（以绿色突出显示）的施加电压对应于-0.25至-0.07V的特定范围，这与在pH值6.0至9.0左右的伤口基质介质中观察到的氧化电位一致（图5）。
图6.在10µM绿脓毒素中，不同的弯曲角度（ 0°、 45°、90°和d 180°下）多孔CNT/石墨烯电极在100次弯曲后的SWV曲线。
为了评估作为绷带佩戴时印刷材料的潜在机械变形对电化学性能的影响，对传感器进行多次重复弯曲实验，结果发现，该柔性装置在不同角度弯曲时表现出良好的机械稳定性，SWV曲线重叠，表明器件保持了电化学稳定性。在弯曲条件下进行了400次循环的耐久性测试，表明该电极具有所需的功能特性（图6）。
图7.比较pH校正模型和传统校准方法在不同pH水平模拟伤口液中获得的校准绿脓毒素浓度。
为了验证提出的pH校正系统，测试了不同浓度和pH水平下的模拟伤口液，并将它们与没有pH校正集成的传统系统进行比较。结果发现，在酸性区域（pH=6.5），传统模型显著高估了浓度，而在碱性区域（pH=8.5），它低估了浓度。而提出的这种基于可穿戴绷带的印刷电化学传感阵列，加上校正模型，可以动态地减轻这种误差，从而使检测的绿脓毒素浓度与生物样品中pH值范围内的实际浓度密切匹配（图7）。
这项工作描述了一种集成在绷带表面的柔性印刷传感阵列，能够监测伤口渗出液中的绿脓毒素和pH值。这为解释复杂生物流体中pH值变化中的分析信号提供了有利的策略。制作灵敏的绿脓毒素和pH传感器涉及使用印刷多孔碳纳米管/石墨烯基材料，以促进特定细菌存在的代谢物的电氧化，并使用聚苯胺/碳纳米管基材料制作柔性pH敏感膜。该传感阵列由定制的丝网印刷油墨制成，简单、经济、灵敏，能够快速检测。此外，还开发了一个基于PLS模型的数学pH校正系统，从而提高了绿脓毒素测定的准确性。
近期，该研究成果以“A Fully‑Printed Wearable Bandage‑Based Electrochemical Sensor with pH Correction for Wound Infection Monitoring”为题发表于学术期刊《Nano-Micro Letters》，论文第一作者为Kanyawee Kaewpradub，通讯作者为宋卡王子大学Itthipon Jeerapan。
撰稿人：李克江
审稿人：冉博文
论文全文链接
https://doi.org/10.1007/s40820-024-01561-8
抗菌抗污材料前沿
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