人体皮肤具有多种体感受体，可以对应变、温度、液体流动等多种额外刺激进行独特的感知。尽管人造电子和离子皮肤取得了显着进展，由于不可避免的相互信号干扰，在单个传感单元中区分多刺激响应是具有挑战性的。
天津大学张雷教授和杨静副教授开发了一种基于两性离子热-葡萄糖敏感皮肤的水凝胶传感器系统，可以实时连续监测和区分三刺激响应信息—温度、应变和葡萄糖浓度。此外，皮肤传感器可以作为一种多响应智能伤口敷料，以促进慢性糖尿病伤口愈合并持续实时监测伤口部位的关键指标—包括感染、肿胀和血糖。
相关工作以“Pro-Healing Zwitterionic Skin Sensor Enables Multi-Indicator Distinction and Continuous Real-Time Monitoring”为题发表在Advanced Function Materials上。
图1. (A)基于多响应两性离子皮肤的三明治结构传感器的示意图，用于糖尿病伤口的多感觉和促进愈合。(B)双水凝胶、上水凝胶和下水凝胶变量，分别测量不同的信号指标。(C)多响应两性离子水凝胶的合成途径。
研究人员通过使用两性离子羧基甜菜碱(SBMA)，温度响应的N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)和葡萄糖响应甲基丙烯酰胺苯基硼酸(MPBA)来制备类皮肤水凝胶(SB-N-MB)。在这里，两性离子材料具有独特的结构，具有相同的正负电荷，优异的生物相容性和高亲水性。研究人员与与商业敷料相比，证明了两性离子水凝胶的优越性，促进体内伤口愈合。
研究人员设计了一种基于SB-N-MB水凝胶的夹心结构的传感器，其上下层之间具有中间隔离弹性体层，能够在没有信号干扰的情况下监测和区分温度、机械和葡萄糖信息。(1)下层可以根据温度、应变和葡萄糖浓度三个指标产生电信号)电阻，R1)；(2)由于中间有绝缘膜，上层可以检测响应温度和应变的葡萄糖不敏感电信号(电阻，R2)；3）三层结构形成了一个温度对葡萄糖不敏感的电容传感器，以响应应变—电容—可以根据标准曲线转换为电阻（R0）。因此，|DR0|代表应变的变化，|D(R2-R0)|代表温度的变化，|D(R1-R2)|代表葡萄糖浓度的变化。
总体而言，与基于生物分子的智能伤口敷料相比，这种基于电信号的皮肤传感器系统实现了持续稳定的实时监测和压力、温度和葡萄糖浓度三个信号的区分，以及促进慢性糖尿病伤口的愈合。这项工作为可穿戴设备中的实时监测和多刺激响应的区分提供了一种新方法。
图2. SB-N-MB水凝胶的表征。SB-N-MB水凝胶的(A)SEM图像。(B)溶胀率。(C)SB-N-MB(2:1:1)水凝胶的SEM映射图像。SB-N-MB 水凝胶(25°C)的(D)XPS、(E)FTIR和(F)流变测试结果。
图3. SB-N-MB水凝胶的抗菌性能和生物相容性。(A)SB-N-MB水凝胶和Duoderm敷料的抗蛋白质吸附试验。(B)从水凝胶表面分离的细菌照片和细菌计数直方图。(C)在SB-N-MB水凝胶和Duoderm敷料提取物中孵育3天的NIH-3T3细胞的荧光染色（对照组：纯培养基）。(D)SB-N-MB水凝胶提取物、Duoderm提取物和对照培养基中的细胞存活效率。(E)溶血试验和(F)SB-N-MB水凝胶和Duoderm敷料与小鼠血液共培养的照片。(G)48小时后附着在人体皮肤上的 SB-N-MB水凝胶和Duoderm的照片。
图4. 糖尿病小鼠伤口的愈合测试和连续实时监测。(A)糖尿病小鼠伤口实时监测示意图。(B)对温度(T)、葡萄糖浓度(G)和应变(S)的电阻和电容响应曲线连续实时监测和区分。(C)第1天至第12天使用两性离子皮肤传感器和Duoderm敷料在健康和糖尿病小鼠身上测量伤口愈合过程的照片和(D)伤口面积。(E)第12天所有样品的H&E和Masson染色图像。(F)比较目前报道的伤口敷料图表。Hongshuang Guo, Ming Bai, Yingnan Zhu, Xinmeng Liu, Shu Tian, You Long, Yiming Ma, Chiyu Wen, Qingsi Li, Jing Yang, Lei Zhang, Pro-Healing Zwitterionic Skin Sensor Enables Multi-Indicator Distinction and Continuous Real-Time Monitoring, Adv. Funct. Mater. 2021, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202106406.
