新加坡国立大学熊泽博士和John S. Ho教授团队《Sci. Adv.》：基于DNA水凝胶的无线、柔性伤口感染监测器件

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术后创伤管理直接关系着患者的康复速度。由致病菌（例如金黄色葡萄球菌）造成的伤口感染是阻碍伤口愈合甚至最终导致患者截肢的重要原因。以美国为例，术后伤口感染每年给医疗系统造成约30到100亿美元的额外开支。因此及时发现并处理早期伤口感染对于提升康复质量、降低医疗负担至关重要。临床上，伤口感染的判断通常依赖于专业人员对伤口的观察或伤口微生物取样培养。这两种方法都有一定滞后性且需要移除伤口的包扎敷料，这不可避免地会对伤口正常愈合造成干扰并给患者带来额外痛苦。无线、柔性生物电子器件具有连续、长期监测能力和与伤口组织的良好适应性。近年来，基于无线、柔性设计，研究者们已开发了一系列针对伤口pH、温度、湿度等生理指标的传感器。然而，这些指标多数只能间接反应伤口致病菌的定殖和入侵情况。有鉴于此，新加坡国立大学电气与计算机工程学院熊泽博士与John S. Ho教授团队紧密合作，开发了一种基于生物活性DNA水凝胶的无线、柔性伤口感染监测器件（WINDOW）。该器件能够方便地置于伤口和包扎敷料之间，通过智能手机近场通讯技术为病人或护理人员提供动态、连续的伤口致病菌活动信息，实现感染的早期预警、早期处理。

图1 DNA水凝胶作用机理及无线系统概念示意图。

致病菌为了侵入人体，需要想办法摆脱主要由DNA网络组成的中性粒细胞胞外诱捕网（NETs）。为了实现这一目标，致病菌通常会大量分泌DNA水解酶（DNAse）用以切断NETs。受此启发，该团队设计并合成了化学交联型DNA水凝胶（DNAgel）。该水凝胶能够在暴露于致病菌DNAse时被逐渐分解，进而引发介电常数和传感器电容变化（图1A，B）。为了实现无线监测，传感器会进一步级联到近场通讯（NFC）模块上，实现和附近智能手机的实时数据交换（图1C，D）。

图2 DNA水凝胶合成及成形性能。

为了实现DNAgel与生物电子器件界面的有机结合，研究人员提出了室温化学交联的技术路线。该路线能够提供稳定的水凝胶结构，并且满足多方式、多尺度成形需求，实现10微米尺度精细三维结构（图2）。

图3 DNA水凝胶对金黄色葡萄球菌的选择性反应性。

上述化学交联的DNAgel在金黄色葡萄球菌（S. aureus）和DNase作用下均表现出了明显的反应活性，而在人体成纤维细胞(NHDFs)作用下保持了形貌稳定性（图3）。这一选择性反应在金黄色葡萄球菌感染的病人伤口样品中也得到了进一步确认。

图4 DNA水凝胶的介电常数和生物兼容性。

由于在电容型传感器主要依赖DNA水凝胶变化导致的介电性质改变，因而较高的初始介电常数有可能带来更高的检测灵敏度。研究人员探索了一系列导电掺杂材料，对掺杂前、后水凝胶介电性质和细胞毒性进行了评估（图4）。结果表明，银纳米线能够提供最高的相对介电常数。因为未掺杂DNAgel修饰的传感器已经提供了足够优异的检测灵敏度，所以仍使用其作为代表展示后续器件性能。

图5 叉指型电容传感器及相关电路优化。

为了获得较显著的检测信号，研究人员设计了叉指型电容传感器并对叉指间隔d、介电层厚度t₂和水凝胶厚度t₁做了模拟优化（图5）。最终基于现有工艺条件选定了最优的器件参数。为了将直接测到的电容信号转化为无线模块可读取的电压信号，进一步设计了半波整流电路并对其进行了一系列表征。

图6 无线模块集成及体内、外测试。

通过将上述DNAgel修饰的传感器进一步级联到NFC无线通讯模块上，研究人员实现了基于智能手机近场通讯的致病菌检测器件（图6）。该器件在体外、体内中均展示了对金黄色葡萄球菌的快速检出能力（临床上通常认为>10⁶CFU可以作为伤口感染的判断依据），并能在伤口未出现明显临床症状（红斑、化脓）前发出警告。该项研究为伤口感染监测提供了潜在的解决方案并为生物响应水凝胶和生物电子器件的结合提供了新的思路。

该工作以 A wireless and battery-free wound infection sensor based on DNA hydrogel为题发表在Science Advances上。新加坡国立大学电气与计算机工程学院熊泽研究员为该论文第一作者并和John S. Ho教授作为共同通讯作者。John S. Ho教授建立的无线生物电子实验室近年来开发了一系列基于无线技术的可应用于体、内外的新型生物电子器件并多次在Nat. Biomed. Eng.，Nat. Electron.，Sci. Adv.，Nat. Comm.等期刊上发表相关工作。