Nat Biomed Eng | 魏磊团队开发一种用于智能伤口监测和加速愈合的纤维复合热原电池敷料

糖尿病是一个重大的临床和公共卫生问题，影响着 10.5% 的成年人（20-79 岁）【1】。 糖尿病足等慢性伤口愈合困难，常因渗出、感染和缺氧而停滞于炎症、增殖或重塑阶段【2】，愈合周期长达8–12周 。 目前临床使用的敷料主要通过物理隔离和渗液管理发挥被动保护作用【3】。近年来，研究人员尝试将柔性电子技术应用于伤口护理，开发出能监测伤口微环境并实施光疗【4】、给药【5】或电刺激（ES）【6】的智能敷料。然而，这类设备在透气性 和对 外部电源 依赖等方面仍面临挑战 。

2025年7月14日 ， 新加坡南洋理工大学 魏磊 教授团队 在 Nature Biomedical Engineering 杂志 发表 了文章A thermogalvanic cell dressing for smart wound monitoring and accelerated healing，设计开发了一种基于热电效应的 热原电池 （ TGC ） 敷料。该敷料利用伤口与敷料间的温度差产生电刺激，实验 结果 显示其对伤口愈合有一定促进作用。研究还配套开发了无线监测系统，可记录伤口电位和温度变化，并尝试监测呼吸频率。 该项研究 为慢性伤口管理提供了一种新的技术思路。

热原电池（TGC）是一种利用电极间温差驱动电解质中氧化还原离子迁移，从而产生电位差的装置。然而，传统 热电离子 水凝胶常含重金属等敏感成分，限制其在伤口环境中的应用。本研究选用生物相容性良好的临床常用补铁剂硫酸亚铁，作为热电材料，并结合能与二价/三价离子交联成胶的海藻酸盐构建TGC水凝胶。

团队开发出一种基于海藻酸盐离子网络的TGC水凝胶，并引入微 纳 米纤维网络以增强弹性和抗疲劳性。针对伤口护理需求，采用帕丁顿杯法测得敷料的水蒸气透过率（WVT）与棉纱布相当，可有效避免 伤口渗出液 浸渍风险。7天铁离子缓释实验显示，藻酸盐水凝胶对离子迁移具 约束 作用，降低了泄漏风险。

伤口在修复过程中 常 伴随内源性电场，影响上皮形成、神经修复等环节。为验证TGC敷料将温差转化为辅助电场的可行性，团队开展了系列测试。结果表明：TGC在多种温差下均具稳定输出，V-I线性，V-P曲线符合理论；模型仿真与大鼠实验均显示，TGC外加电场与内源性电位可协同增强创口电场。

TGC敷料在伤口渗出液管理方面表现良好，体外实验显示对绿脓杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率超过99.9%，其机制与Fe²⁺诱导Fenton反应生成羟基自由基有关。同时，离子稳定存在提升了材料的细胞相容性。划痕实验验证其电场对细胞迁移具促进作用。动物实验（糖尿病大鼠全层伤口）中，TGC敷料显著提升创面闭合率（P<0.05）。为进一步评估临床潜力，研究在猪皮肤创伤模型（直径40 mm）中接种金黄色葡萄球菌进行验证。第14天TGC敷料组愈合率提高约20.6%，第21天达96.0±2.0%；炎症早期（第1-3天），创面细菌载量较对照组下降2-3个数量级。

临床中常通过创口温度与渗液量判断炎症状态。针对该需求，研究集成了一套可穿戴无线监测系统，包含BLE模块、ADC与信号放大电路，可实时记录敷料的电压响应。该系统采用三级结构（信号采集-特征提取-神经网络决策），用于识别伤口阶段（急性、慢性、感染复发、溃疡）。 研究 团队基于TGC 敷料 的热电输出与机械响应，对猪伤口感染模型连续监测7天，采集第0、1、3、7天的电压与温度数据，发现电流波形与呼吸频率呈周期关联，验证其对病理生理状态的敏感性。

综上，本研究将热电效应引入传统生物材料体系，提出用于慢性伤口治疗的创新策略。所构建的TGC敷料在温度监测、渗液管理和电刺激干预方面表现出多重功能协同与应用潜力。配套开发的可穿戴无线系统进一步实现了伤口温度动态追踪、智能分析与呼吸频率识别，拓展了伤口管理的数字化手段。 为 慢性伤口治疗提供了新的研究思路 。 未来 可以 扩大伤口类型研究范围（如烧伤、免疫功能障碍、神经系统疾病相关伤口等） 以及 结合多组学手段深入解析其作用机制，推动智能敷料临床转化。

https://doi.org/10.1038/s41551-025-01440-6

制版人： 十一

参考文献

1. Yazdanpanah, L. et al. Incidence and Risk Factors of Diabetic Foot Ulcer: A Population-Based Diabetic Foot Cohort (ADFC Study)—Two-Year Follow-Up Study. Int. J. Endocrinol . 2018, 1–9 (2018).

2. Han, G. & Ceilley, R. Chronic Wound Healing: A Review of Current Management and Treatments. Adv. Ther. 34, 599–610 (2017).

3. Farahani, M. & Shafiee, A. Wound Healing: From Passive to Smart Dressings. Adv. Healthc. Mater. 10, 2100477 (2021).

4. Pang, Q. et al. Smart Flexible Electronics-Integrated Wound Dressing for Real-Time Monitoring and On-Demand Treatment of Infected Wounds. Adv. Sci. 7, 1902673 (2020).

5. Guo, M., Wang, Y., Gao, B. & He, B. Shark Tooth-Inspired Microneedle Dressing for Intelligent Wound Management. ACS Nano 15, 15316–15327 (2021)

6. Wang, X.-F. et al. Flexible electrical stimulation device with Chitosan-Vaseline® dressing accelerates wound healing in diabetes. Bioact. Mater. 6, 230–243 (2021).

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