西北工业大学黄维院士、李鹏教授AM：无线比色光电微针贴片，实现伤口感染的按需光动力治疗

皮肤伤口极易遭受细菌入侵，未得到有效控制的感染会引发持续性炎症、损害组织再生，甚至导致危及生命的并发症。传统治疗通常依赖手术清创和大剂量抗生素，本质上是反应性的，往往在最佳治疗窗口之后才启动；而耐药病原体的出现进一步削弱了抗生素疗效。因此，在感染早期及时、准确地评估伤口状态，对于精准干预至关重要。近年来，可穿戴生物电子器件为伤口管理提供了新思路，但多数现有平台仍依赖复杂昂贵的传感模块，需要外部电源、庞大的信号处理与独立通信模块，严重限制了其在资源有限场景中的可扩展性与临床转化。与此同时，比色传感器因低成本、柔性、操作简便而适合原位伤口评估；光动力疗法（PDT）则通过光触发光敏剂产生活性氧（ROS）杀灭耐药菌。将微针集成到光电系统中，能够同时将光敏剂和光输送到深层感染部位，增强PDT疗效并减少全身暴露。

西北工业大学黄维院士、李鹏教授团队提出了一种将比色传感器与无线光电微针贴片相结合的可穿戴平台，用于原位伤口感染检测和按需PDT。该无线比色光电微针（COMN）贴片可在15分钟内快速、可靠地检测典型伤口感染生物标志物，干扰极小。通过集成微针与无线LED，系统支持将光敏剂和光同时输送至更深伤口组织，实现>99.9%的耐药细菌根除。在小鼠全层伤口感染模型中，该系统及时评估感染状态并触发PDT，使细菌负荷减少>3个对数级，加速愈合，第14天伤口闭合>80%。该工作展示了一种基于比色分析和光电微针治疗的柔性、自适应生物电子平台，为精准伤口护理提供了易于实现的策略。相关论文以“A Wireless Colorimetric Optoelectronic Microneedle Patch for On-Demand Photodynamic Therapy of Wound Infections”为题，发表在Advanced Materials上。

贴片设计与功能

COMN贴片采用多层结构，近场通信（NFC）供电的LED以三叶草图案排列，封装于两层聚二甲基硅氧烷（PDMS）之间，确保治疗区域均匀集中的照明并保持紧凑尺寸（图1a）。PDMS兼具生物相容透明封装与微针阵列界面粘合剂的双重作用。贴片接触伤口一侧集成了载亚甲蓝（MB）的透明质酸/聚乙烯醇（HA/PVA）微针阵列，毗邻嵌入两个水凝胶比色传感器，分别检测pH和尿酸（UA）。工作时，贴片贴附伤口后，智能手机捕获传感器颜色变化实现实时监测；根据诊断结果，手机无线激活NFC-LED，通过载MB微针触发PDT（图1b、1c）。贴片可承受弯曲和扭转而无结构损坏，具有优异机械柔性（图1e、1f）；PDMS封装和HA/PVA微针阵列的高光学透明度有利于光高效传输至下层组织（图1g）；贴片支持智能手机无线激活和控制，无需笨重设备（图1h）。

图1 无线比色光电微针贴片实现伤口感染的实时诊断和按需光动力疗法。

载MB微针的制备与表征

载MB微针采用两步浇铸法以PDMS模具制备（图2a）。微针呈均匀金字塔形，高700微米、底宽330微米（图2b），立体显微镜和场发射扫描电子显微镜（FESEM）确认其尖锐且排列良好（图2c、e、f）。力学测试表明，微针强度随HA浓度升高而增加，20% HA组每根微针峰值压缩力达1.37 N，远超有效皮肤穿透所需的约0.1 N阈值；50微摩尔MB负载未影响力学性能（图2h、2i）。猪腹部皮肤插入实验显示约98.2%的插入效率，可见蓝色染色确认MB成功递送（图2g）；激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）图像显示明确的微通道和皮下荧光分布（图2j、k）。生物相容性方面，载高达50微摩尔MB的微针在6、12、24小时保持>80%细胞活力，活/死染色以活细胞为主（图2l、2m）；溶血率<2%，血液相容性优异。

图2 载亚甲蓝透明质酸/聚乙烯醇微针的制备工艺与表征。

无线COMN贴片的制备与表征

COMN贴片由光电微针贴片和比色水凝胶传感器两部分组成（图3a）。NFC-LED经PDMS封装后与载MB微针阵列集成，预留两个圆形开口用于传感组件；pH和UA水凝胶前体注入开口冷却凝胶化，完成集成。LED发射深红光（图3e），其电致发光光谱与MB吸收光谱高度重叠，实现高效MB激发（图3f）。最大耦合下辐照度为1.76±0.07 mW cm⁻²，30分钟PDT对应3.17±0.13 J cm⁻²，处于抗菌PDT常用范围。蒙特卡罗模拟显示，微针结构将10%注量深度从0.64 mm提升至1.35 mm，微针尖端下方组织内光学信号增强约10倍，支持局部光学剂量向深层组织递送。连续照射6小时，贴片界面温度稳定在35.80–36.67°C，热安全性出色（图3g）。

图3 无线比色光电微针贴片的制备与表征。

比色传感器的校准与表征

伤口感染伴随pH升高（约6.5→9.0）和UA下降（220–750 μM→<220 μM）。pH传感器采用酚红，15分钟时B/G比值在pH 6.0–9.0线性增加（R²=0.92），15分钟内信号稳定（偏差<3%），颜色由黄变品红（图4a–c）。UA传感器基于尿酸酶-过氧化物酶级联反应，15分钟时饱和度值与UA浓度在0–1 mM强线性相关（R²=0.99），检测限0.014 mM，颜色由淡粉变深粉（图4d–f）。在模拟伤口液中，传感器对代谢物、含氮干扰物、抗坏血酸、药物残留、高蛋白等干扰物总体稳定（pH偏差≤0.2，UA偏差约0.07 mM以内），其中抗坏血酸和富蛋白条件偏差最明显，可通过过滤层或清除剂改进（图4g、4h）。pH与UA通道交叉灵敏度低（图4i、4j）。传感器材料24小时细胞活力>90%，活/死染色以活细胞为主，细胞相容性良好（图4k、4l）。

图4 比色传感器的校准与表征。

光敏剂释放与ROS产生

50微摩尔载MB微针在PBS中快速溶解，5分钟释放71.80±6.65%，30分钟释放98.82±1.87%（图5a）。单次贴片处理向皮肤递送MB约0.34±0.01 nmol cm⁻²（约110 ng cm⁻²），局部组织浓度约1.76±0.29 nmol g⁻¹，足以支持有效PDT。以单线态氧传感器绿（SOSG）检测，NFC-LED照射下SOSG荧光随时间持续增强（图5b），动力学分析显示光依赖的单线态氧（¹O₂）持续产生，暗对照保持基线（图5c），共聚焦成像进一步提供空间证据。

体外抗菌与抗生物膜功效

以耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）为耐药菌模型。50微摩尔载MB贴片在30分钟内降低MRSA活力96.95±0.82%，90分钟照明后达99.98±0.08%根除率（图5f）；25微摩尔组亦显示显著PDT增强杀菌活性（图5e）；6.25微摩尔组效果可忽略（图5d）。仅LED组与未处理对照无差异，说明抗菌效果源于PDT而非光毒性或光热效应。FESEM显示PDT处理组MRSA出现膜皱缩、收缩和破裂，与ROS氧化损伤一致（图5g）。抗生物膜方面，COMN贴片光透射率（97.39±3.74%）显著高于仅LED贴片（89.52±2.63%），微针阵列减少生物膜光学衰减。活/死染色显示PDT组生物膜结构破碎、红色荧光广泛（图5h–k）；结晶紫染色显示PDT组生物量显著降低（图5l）。30分钟COMN介导PDT对局部MRSA生物膜的抗菌效果优于莫匹罗星。

图5 光敏剂释放、活性氧产生和体外抗菌功效。

体内比色引导的按需PDT

小鼠全层MRSA感染伤口模型中（图6a），旷场测试显示贴片不影响小鼠运动行为。比色传感器有效区分感染与未感染伤口：感染部位pH升高、UA降低（图6b–d）。第1、3、5天进行四种处理：对照、空白微针、COMN（黑暗）、COMN（光照）。第7天，COMN（光照）组实现约3.16个对数级MRSA减少（图6e、6f），显著优于其他组；COMN（黑暗）与COMN（光照）差异明显，确认光触发MB激活的关键作用。伤口愈合监测显示，COMN（光照）组伤口闭合显著加速，第14天伤口面积减少>80%，而对照组和微针组恢复延迟（图6g、6h）。

图6 比色引导光动力疗法治疗耐甲氧西林金黄色葡萄球菌感染伤口的体内评估。

组织学验证

第7天H&E染色显示对照组和微针组炎症细胞浸润明显，COMN（光照）组炎症减轻、肉芽组织形成显著（图7a）。Masson染色显示COMN（光照）组胶原沉积增强，胶原体积分数（27.18±5.76%）显著高于对照组和微针组（图7b）。TNF-α表达在COMN（光照）组最低（图7c），CD31免疫荧光显示微血管密度显著增加（图7d）。主要器官H&E染色未见病理异常，全身生物相容性良好。第14天，COMN（光照）组上皮化增强、胶原持续积累（33.14±1.44%），TNF-α保持最低，CD31表达升高，血管生成更明显（图8a–d）。

图7 治疗后第7天耐甲氧西林金黄色葡萄球菌感染伤口组织的组织学和免疫组织化学分析。

图8 治疗后第14天耐甲氧西林金黄色葡萄球菌感染伤口组织的组织学和免疫组织化学评估。

结论与展望

本研究开发的无线COMN贴片将实时生物标志物传感与按需PDT相结合，用于治疗耐药伤口感染。该系统15分钟内准确检测pH和UA，体外实现99.98±0.08% MRSA根除，体内使细菌负荷减少约3.16个对数级并加速伤口愈合。¹O₂信号与细菌灭活的空间共定位提供了 localized ROS 攻击的机制证据。该工作引入了智能手机辅助比色传感与微创生物电子治疗相结合的新范式，其模块化、自适应设计为慢性炎症性皮肤病和皮肤肿瘤等广泛皮肤疾病的治疗提供了平台。