张雷课题组：研发可实时监测糖尿病伤口pH和葡萄糖的多功能水凝胶敷料

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天津大学化工学院张雷课题组在糖尿病伤口监测和促愈合方面取得最新进展，开发了一种可实时监测伤口状态的新型水凝胶敷料，可将糖尿病伤口的pH和葡萄糖信号转化为光信号，利用手机采集图像并进行数据定量分析。该成果以“A Multifunctional Pro-Healing Zwitterionic Hydrogel for Simultaneous Optical Monitoring of pH and Glucose in Diabetic Wound Treatment”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。
       糖尿病是全球性的多发病，严重威胁人类健康。目前世界范围内已有超过4亿的糖尿病患者并且其患病率呈逐年上升的趋势，预计到2045年糖尿病患者数量将超过6亿。长期受到高血糖的侵蚀，糖尿病患者全身的血管和神经都会产生病变，进而导致多种并发症的出现。糖尿病足是常见的糖尿病并发症之一，约15%的糖尿病患者有不同程度的足溃疡。由于血液循环不良，糖尿病患者的伤口难以痊愈，需要长期伤口护理，并且易引发感染，导致进一步溃烂、坏死，甚至不得不面临截肢。     

多功能水凝胶敷料

       在糖尿病伤口复杂而漫长的愈合过程中，伤口的环境参数，例如代谢物、pH、葡萄糖和氧气等能够反映出伤口的动态变化和愈合进程。其中，伤口pH是重要的参数之一，炎症反应、胶原形成和血管生成等许多生理过程都会影响pH的变化。受到活跃中性粒细胞的影响，急性伤口的pH值通常在4-6之间，而慢性伤口的pH往往显弱碱性处于7-9之间，更有利于细菌生长繁殖，使伤口易遭受细菌侵袭而导致感染。因此，实时监测糖尿病伤口的pH可以有效预测伤口感染的风险，并反映出伤口愈合所处的不同阶段。另外，伤口的葡萄糖浓度也是糖尿病伤口监测的一个重要参数，它和体内血糖水平密切相关，能够有效辅助糖尿病的临床诊断和治疗。  
       针对糖尿病伤口监测和愈合，该团队利用亲水抗生物粘附的两性离子水凝胶，结合葡萄糖酶级联反应，利用葡萄糖氧化酶（GOx）和辣根过氧化物酶（HRP），催化无色底物生成荧光产物。同时利用苯酚红作为酸碱指示剂，得到的水凝胶敷料能够同时将pH和葡萄糖信号转化为可见光信号，并且两种信号不会互相干扰。进一步可以利用手机采集图像信息，提取图像的RGB数据，通过设定的MATLAB软件程序和公式拟合，分析图像数据，输出图像中对应的伤口pH值和葡萄糖浓度，实现精准定量分析。
       通常情况下，基于酶反应的生物传感器在复杂的生物溶液环境中，容易受到蛋白质等生物大分子的吸附而导致酶结合位点受阻，酶活性和稳定性下降等问题。由于两性离子材料的强亲水性和优异的抗生物粘附性，其中固定的葡萄糖氧化酶和辣根过氧化物酶能有效抵抗生物大分子的粘附和污染，在模拟伤口分泌液环境中有效保持酶活，其Kcat/Km值和游离酶相比，分别提高1.7倍和5.5倍，有利于提高检测灵敏性。该多功能伤口敷料能实现pH4-8和葡萄糖0.1-10mM浓度范围内的精准检测，满足人体伤口环境的检测需求。同时，糖尿病动物伤口模型实验发现，这种多功能水凝胶敷料在监测伤口变化的同时，还能为伤口提供湿性愈合环境，促进糖尿病伤口的愈合。该工作为慢性伤口的护理和糖尿病伤口的临床监测治疗提供了新的思路。
       论文第一作者为天津大学化工学院博士生朱迎男，共同第一作者为张嘉敏博士，通讯作者为张雷教授。
       论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adfm.201905493


       水胶体敷料是由弹性的聚合水凝胶与合成橡胶和粘性物混合加工而成的敷料。敷料中最常见的凝胶为羟甲基纤维素，该凝胶可牢固地粘贴于创口边缘皮肤，当吸收渗液后可肿胀12倍。
       水胶体敷料含有以下特性：
       具有吸收创面渗液的能力。吸收渗液后，敷料中的亲水性颗粒可形成类似凝胶的半固体物质，附着于伤口基部，提供并维持有利于创面愈合的湿性环境。
       有粘性，可形成密闭(occlusive)创面。密闭的愈合环境能够促进微血管的增生和肉芽组织的形成，从而加速创面愈合。
       可发挥清创功能。一方面，水胶体含有内源性的酶，能促进纤维蛋白的溶解；另一方面，水胶体敷料所提供的密闭环境，有利于巨噬细胞清除坏死组织。


       张雷，天津大学化工学院教授、博士生导师、生物化工系主任。入选“国家级海外人才计划”、国家自然科学基金委“优秀青年科学基金”、入选教育部“新世纪优秀人才支撑计划”、天津市“中青年科技创新领军人才” 、“侯德榜化工青年奖”、“天津首届青年创新能手”等，担任《中国化工学报（英文版）》编委。课题组一直致力于新型生物相容性材料、细胞保存、人造器官、海洋涂料、抗菌材料等领域的研究。