创伤相关损伤对个体患者具有一系列潜在风险，可能对其日常生活造成重大影响，甚至可能引起并发症感染、疤痕过多、截肢甚至死亡等事件以及伤口愈合轨迹延迟等问题。因此，需要设计及时有效的紧急治疗，例如通过感知伤口pH值来精确诊断伤口，并释放精确抗生素。然而，这些方法在促进先天伤口愈合方面仍然存在挑战。
为了解决伤口修复和材料制备的复杂性，作者提出一种自主机械臂打印系统，该系统由一个6自由度（6-DOF）机械臂和一个专门为个性化伤口愈合设计的计算机视觉引导系统支持，引入的这种眼手机器人技术（INSIGHT）引导的自主智能原位打印技术，可以对各种形状伤口区域进行扫描，并用于高级电场组织再生（CARE）技术制备出定制的伤口贴片，以适应不同尺寸的伤口。此外，该方案集成了深度相机、刚性机械臂和能够挤出各种类型油墨的多喷嘴系统，从而最大限度地缩短了制造时间，实现了高效的打印。
图1.CARE的整体制造过程及其潜在的伤口愈合应用。
在这个集成系统中，CARE是通过两个主要过程制造的：扫描过程和打印过程。在扫描阶段，使用INSIGHT组装的深度相机扫描伤口。最初，线圈层被印刷在柔性衬底上，它通过电感耦合从激励线圈传递功率。然后，利用一对IDEs产生电场刺激伤口。介电层垂直放置在线圈和IDE层之间，以防止不必要的电接触。随后，钝化层完全覆盖印刷油墨区域，防止与伤口直接接触。最后，将Adhesive胶层作为顶层打印，将打印的CARE附着并固定在伤口部位，并确保其在电刺激期间保持固定。为了评估所提出的方法在真实临床情况下的适用性，在小鼠的伤口部位进行了离体试验（图1）。
图2.INSIGHT的扫描过程及其测量伤口的扫描特性。
机器人和视觉系统的集成允许精确的高精度定位，并且无论伤口的位置如何，都可以扩大视野，因此需要使用6自由度机械臂。此外，结合了RGB颜色传感器和立体成像仪来捕获彩色图像和立体深度图像。该扫描过程包括身体扫描、伤口提取、尺寸计算三个步骤。为了评估扫描过程的计算效率，记录了不同伤口尺寸处理的预印时间，当伤口尺寸从3cm × 3cm扩大到8cm × 8cm时，预印时间从13.9秒增加到17.0秒，该扫描方法显示出更快的处理速度。为了适应皮肤和伤口颜色的变化以及不同类型的伤口损伤，对五种不同的皮肤和伤口颜色进行了测量。在扫描过程中识别的宽度（WR）和长度（LR）与实际宽度（WO）和长度（LO）之间的比较显示，在所有25种颜色组合中误差小于2.6%，表明高精度和可重复性高。这种扫描技术突出了多角度扫描在实现精确伤口识别方面的有效性，同时克服了从一个固定位置扫描过程产生的局限性和精确测量复杂结构的能力（图2）。
图3. 通过挤压印刷工艺制作CARE的演示。
为了确保每种墨水的独特特性保持不变，它们被装入单独的注射器，并通过单独的针头分发并设计了用于此目的的定制的多注射器支架，通过在X-Z平面上旋转机械臂的末端到±45°，可以从不同角度进行分配。制造过程首先使用导电油墨在聚氨酯（PU）基板上打印线圈层作为初始层。然后在喷嘴高度印刷介电层，该喷嘴高度高于线圈层，以防止任何损坏。在返回到0°位置时，IDE层在比介电层更高的喷嘴高度上打印，导致比线圈层的线条更粗。为了确保与伤口部位绝缘，使用介电油墨制成的钝化层被完全覆盖在导电油墨上。最后，将机器人手臂头部旋转+45°，用胶水墨水打印粘合层，将打印好的CARE附着在伤口部位。为了防止干扰通过IDE传递的电场，粘合剂层沿着钝化层的外缘沿单线印刷（图3）。
图4.单线和CARE中印刷导电油墨的电气和机械特性。
通过测量变形过程中的相对电阻来验证CARE在动态条件下的机械和电气稳定性，在50%应变的弯曲模式下进行循环测试，结果表明印刷导电油墨纤维的相对电阻在1000次弯曲循环后保持稳定。进行拉伸循环变形试验，随着拉伸应变从0增加到10%，相对阻力逐渐增加，最高可达10%。变形解除后，其阻力恢复到原来的状态。通过猪皮搭接剪切试验，评价了该胶墨的粘接性能，在猪皮弯曲、倾斜、翻转、扭转等动态运动下，CARE在猪皮上表现出稳定的粘附性（图4）。
图5.CARE中电气元件的设计优化及CARE的电气特性。
为了增强励磁线圈与CARE之间的磁耦合，利用MATLAB仿真对CARE的几何形状进行了优化。调整线圈的几何形状等因素，包括匝数、匝间距和内径，以优化电感，使其尽可能接近目标值。随后，计算出的电感成为优化电感。图中展示了整个励磁的电压分布，其中仿真图像描绘了从每侧施加10 V的IDE的电压分布。尽管电极通常被设计成比目标伤口小，但产生的电压可以有效地传递电场，加速伤口愈合，甚至可以传递到没有被电极直接覆盖的伤口区域（图5）。
图6.HDFs和HUVECs对体外ES效应的细胞反应。
为了探讨电刺激对细胞行为的影响，使用HDFs和绿色荧光蛋白-人脐静脉内皮细胞（GFP-HUVEC）进行了体外实验。可以看到细胞板被放置在CARE上，细胞间的间隙平行于IDE对。此外，刺激HDF的上清分析显示成纤维细胞生长因子（FGF）和血管内皮生长因子A （VEGF-A）的表达均增强，占空比为99%，这对于与组织修复和再生相关的FGF尤为显著。这些体外研究结果表明，来自CARE的PRF可以有效地加速伤口愈合，从而促进伤口愈合过程（图6）。
设计了一种用于电刺激的个性化伤口愈合贴片，该贴片采用计算机视觉引导辅助机械臂打印技术制造，并通过体外实验验证了其有效性。关键创新在于通过视觉引导对3D结构的自适应识别，针对单个伤口的电子元件的优化设计，以增强电力传输和更有效的电疗，以及使用基于多种材料的油墨进行打印。此外，还通过将相机获取的伤口信息手动传递到MATLAB代码中，通过MATLAB仿真进行电子贴片的设计与优化。而未来的方向是设计一种个性化、多功能、对患者友好的无线生物电子设备，该设备包括额外的传感器，如温度、阻抗和pH传感器，最终将以闭环的方式实现伤口的实时监测和诊断。
近期，该研究成果以“Large Scale Ultrafast Manufacturing of Wireless Soft Bioelectronics Enabled by Autonomous Robot Arm Printing Assisted by a Computer Vision-Enabled Guidance System for Personalized Wound Healing”为题发表于学术期刊《Advanced Healthcare Materials》，论文第一作者为Jihyun Kim，通讯作者为哈佛医学院Su Ryon Shin。
撰稿人：李克江
审稿人：冉博文
论文全文链接
https://doi.org/10.1002/adhm.202401735
抗菌抗污材料前沿
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