中国教授揭示柔性透气纳米网络状电子学器件可用于伤口监测和抗感染治疗

近日，北京化工大学的张立群教授和万鹏博教授报道了一种具有实时温度传感功能的柔性透气电子学器件，该设备能够在伤口部位进行伤口状态监测，提供关于感染或者炎症的信息；此外，该柔性温度传感器与无线发射机耦合，可实现实时无线温度监测。基于温敏聚合物的纳米网络状薄膜也可以组装成高效的柔性加热器，以按需触发释放载于纤维中的抗生素，从而在感染发生后及时消除伤口部位的细菌。

本研究的亮点：

1、柔性透气的电子学器件具有实时温度传感性能；

2、该电子学器件可以组装成智能电子皮肤，用于温度信号的无线传输；

3、同时该器件可以作为高效柔性加热器使用，触发温敏纤维中抗生素的可控释放，以及时治疗伤口处细菌感染。

图一、柔性透气的纳米网络状电子学器件的可控制备。

研究思路与结果讨论

聚（N-异丙基丙烯酰胺-co-N-羟甲基丙烯酰胺）（PNH）是通过N-异丙基丙烯酰胺（NIPAAm）和N-羟甲基丙烯酰胺（HMAAm）进行自由基聚合形成的。通过1H-NMR测定共聚物中的HMAAm含量为10.3 mol％。然后将模型抗菌药物莫西沙星盐酸盐（MOX）加入到聚合物PNH中，通过静电纺丝制备出含有MOX的柔性纳米网络状薄膜（PNHM）。利用扫描电子显微镜（SEM）研究了纳米网络状薄膜PNHM的结构，表明纤维形貌均匀且没有串珠形成。在对纤维进行交联后，通过丝网印刷在纳米网络状膜上制备导电图案（SC-PNHM），最终得到柔性透气纳米网络状电子学器件。

图二、柔性透气纳米网络状薄膜的微观结构、形貌和物理特性表征。

伤口部位的局部组织温度变化是炎症或感染是否发生的一项重要指标。如果能通过柔性电子学传感器对组织温度进行实时生物监测，则能够获得关于潜在的炎症或感染的相关信息。因此，作者将SC-PNHM纳米网络状薄膜组装成温度传感器并进行了温度传感性能测试，发现其具有良好的温度传感效果。

图三、纳米网络状薄膜柔性温度传感器的温度传感性能。

基于前面的实验结果，作者又将SC-PNHM纳米网络状薄膜组装成柔性加热器。在人体安全电压以下，该器件可以快速产生焦耳热，并达到触发药物释放的温度阈值，以实现抗生素按需释放并杀死细菌。

图四、纳米网络状薄膜柔性加热器的柔性加热性能。

图五、纳米网络状薄膜柔性加热器触发药物释放，以实现抗生素按需释放并杀死细菌。

小结

综上所述，作者采用导电型SC-PNHM纳米网络状薄膜组装成柔性透气电子学器件，用于伤口部位实时温度传感和快速按需抗感染治疗。其中，导电型SC-PNHM纳米网络状薄膜在1000次弯曲循环后，其电阻无明显变化，并且该器件具有良好的透气性和环境稳定性。此外，SC-PNHM纳米网络状薄膜也可以组装成柔性温度传感器，实时监测组织温度状态。在30-70 ℃范围内，该传感器电阻与温度呈线性正相关关系，这对于生物体温度传感具有重要意义。此外，SC-PNHM纳米网络状薄膜也可组装成柔性加热器，可按需释放抗生素，以消除伤口部位的细菌。总之，该项工作预计将为制造多功能柔性电子学器件以及开发其多功能应用提供一种新的思路。

本文的第一作者是Min Gong，通讯作者是张立群教授和万鹏博教授。相关工作以“Flexible Breathable Nanomesh Electronic Devicesfor On-Demand Therapy”为题目发表在《Advanced Functional Materials》上。

关于柔性电子设备

柔性电子设备在能源存储、可穿戴电子传感器、人机界面、电子皮肤等方面有着巨大的潜在应用，从而引起了人们极大的兴趣。其中，具有良好柔性和生物相容性的电子学设备已经被广泛用于疾病诊断和健康监测等研究。尽管如此，能够以可控方式按需给药治疗的柔性电子学设备尚未用于实时伤口状态监测和诊疗。此外，传统的塑料基底由于舒适性欠佳、机械匹配性有待提高和透气性差等缺点，限制了其在医疗监测和按需给药治疗中的应用。因此，制备一种具有柔性、透气性且能够实时监测伤口状态，并在感染发生时进行按需给药治疗的电子学器件，对提高创面舒适性、实现创伤面的快速治疗是非常重要的。基于聚合物纳米复合材料的网络状薄膜具有高表面积、可渗透空气和液体的多孔结构、组分可控性等优点，因而是柔性的多功能型电子学器件的潜在制备材料。