CN112704488B - 一种基于柔性透气水凝胶膜的伤口破损状态监测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于柔性透气水凝胶膜的伤口破损状态监测装置。使用干、湿两种状态的CNTs/石墨烯/GelMA电纺丝膜，并经过透气膜封装后作为用于伤口处渗出液传感、应变传感的双功能传感器，传感器与伤口直接接触，可以将伤口处的组织液渗出体积和伤口形变经分压电路转化为电信号，通过便携式示波器检测该电信号即可实现对伤口破损情况进行准确、实时的监测。

Description

一种基于柔性透气水凝胶膜的伤口破损状态监测装置
技术领域
本发明涉及利用柔性传感器进行术后伤口医学风险监测，具体涉及一种基于柔性透气水凝胶膜监测伤口破损状态的装置。
背景技术
在临床上通过监测较大的手术伤口在恢复期因周围组织受力而发生破损的情况具有必要性。例如，在产妇剖腹产手术之后的一个月内需要自主或在外力协助下进行器官归位复健训练，同时恢复过程中可能出现咳嗽、恶心、呕吐等症状，这些情况都会造成创面的形变甚至使缝线断裂，不仅影响手术伤口愈合效果，而且手术伤口破损后会产生剧烈疼痛和增加感染风险。但传统密实的伤口包扎不适合肉眼观察伤口变化，且商业化的硬质传感器作为监测工具会带来机械强度不匹配、透气性差、不舒适等问题，不利于长时间佩戴。
柔性可穿戴设备具有可穿戴性、舒适性、远程操作、及时反馈等特点，其核心元件是可以满足一定生理、病理指标检测需要的传感器。例如，中国专利201910457555.1提出的用于应变传感器的碳纳米管/聚二甲基硅氧烷纤维。而对于手术伤口破损监测，相应的传感器还应满足敷料的基本要求，同时需要对于伤口渗出液具备定性或定量检测能力。例如，中国专利201780050186.3提出了利用GELMA/显色微球/光引发剂混合物，并将其通过固化沉积于Orion非织造材料而形成的用于伤口状况确定的可视化指示系统，其中GELMA可以被伤口渗出液中的特定酶降解而引发显色微球的定向流动。但问题在于该系统由于存在结构性损耗无法实现持续监测，而且颜色信号本身的判读存在人为误差干扰，伤口包扎也不利于其发挥作用。
目前基于GELMA在生物相容性方面的优势，通过在交联过程中掺入CNTs或石墨烯，并利用交联形成的多孔结构，获得了具有良好导电性、力学稳定性和较高的负载能力的复合水凝胶基质，例如，中国专利201910072582.7、201911129801.7。但这些基质材料并未展示出在应变、湿润程度变化等方面的传感能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于柔性透气水凝胶膜的伤口破损状态监测装置，能实现伤口受力形变和伤口组织液渗出体积的实时、准确监测，并具有操作简单的特点。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
该伤口破损状态监测装置包括传感模块及检测模块，所述传感模块包括一个以上的可变电阻式柔性传感单元，所述柔性传感单元分为应变传感单元和渗出液传感单元，所述柔性传感单元(应变传感单元和/或渗出液传感单元)包括负载有碳纳米管(CNTs)和石墨烯的复合甲基丙烯酰胺明胶(GelMA)水凝胶膜，检测模块包括用于将所述柔性传感单元由自身应变和/或润湿程度变化引起的电阻变化转换为相对应的电信号的电路元件以及电信号检测设备(例如，触屏式示波器)。
优选的，所述复合甲基丙烯酰胺明胶(GelMA)水凝胶膜是通过将碳纳米管(CNTs)和石墨烯固定在甲基丙烯酰胺明胶(GelMA)水凝胶基体的多孔结构上而制得的。
优选的，所述甲基丙烯酰胺明胶(GelMA)水凝胶基体选自甲基丙烯酰胺明胶(GelMA)水凝胶电纺丝膜，甲基丙烯酰胺明胶(GelMA)水凝胶电纺丝膜在与碳纳米管(CNTs)和石墨烯复合前进行了紫外交联以及冷冻干燥处理，所述复合甲基丙烯酰胺明胶(GelMA)水凝胶膜(例如，CNTs/石墨烯/GelMA电纺丝膜)的厚度为10～100μm。
优选的，所述复合具体包括以下步骤：将干燥的多孔电纺丝膜(即经过紫外交联和冷冻干燥的甲基丙烯酰胺明胶水凝胶电纺丝膜)置于碳纳米管-石墨烯-壳聚糖混合浆料中进行超声处理，然后取出晾干(即可得到干燥的CNTs/石墨烯/GelMA电纺丝膜)。
优选的，所述碳纳米管-石墨烯-壳聚糖混合浆料是将由0.5～2mL的石墨烯水溶液和0.4～0.6mL的壳聚糖溶液组成的二元混合液与≤0.05g的碳纳米管(CNTs)混合而成；所述石墨烯水溶液的质量分数为1％～5％(可通过将购买的水溶性石墨烯进一步稀释而得到)，壳聚糖溶液的质量分数为0.5％～1％。
优选的，所述柔性传感单元还包括设置于所述复合甲基丙烯酰胺明胶(GelMA)水凝胶膜两侧或一侧的封装膜层(例如，采用医用透气膜，对应形成双面封装或单面封装)。
优选的，所述电路元件与所述柔性传感单元通过串联构成分压电路。
优选的，所述检测设备与所述柔性传感单元的高、低电势端点分别相连(例如，所述柔性传感单元与示波器的两端并联)。
优选的，所述检测模块还包括用于向分压电路供电的电源。
优选的，所述伤口破损状态监测装置还包括与所述检测设备远程连接的移动终端。
优选的，所述传感模块具体包括一个以上的应变传感单元，以及一个以上的渗出液传感单元，应变传感单元包括经过充分润湿(例如，采用水或生理盐水)的负载有碳纳米管(CNTs)和石墨烯的复合甲基丙烯酰胺明胶(GelMA)水凝胶膜(并采用双面封装)，渗出液传感单元包括未经润湿的负载有碳纳米管(CNTs)和石墨烯的复合甲基丙烯酰胺明胶(GelMA)水凝胶膜(并采用单面封装)，各传感单元相互独立。
本发明的有益效果体现在：
本发明利用CNTs及石墨烯与GelMA构成的复合柔性透气水凝胶膜作为可变电阻式柔性传感单元的核心元件，依据所发现的伤口形变使传感单元不同程度拉伸，以及伤口渗出液不同程度润湿传感单元时，传感单元的电阻也相应发生改变的特性，通过将传感单元电阻变化转换为相对应的电信号(例如，两端分压)并进行检测，从而直观反映电阻变化情况(例如，可在并联的示波器上显示)，可用于监测伤口实际状态(例如，破损)。本发明体型小巧、成本低廉、实用性强，可作为术后居家恢复的监测装置。
进一步的，将GelMA制成电纺丝膜并采用紫外交联增强其柔韧性和透气性，通过冷冻干燥后形成大孔结构增强其吸附性能，从而利用壳聚糖的成膜作用将石墨烯和CNTs固定在GelMA水凝胶多孔结构的孔壁上。另外，通过控制膜厚，使得复合柔性透气水凝胶膜具有优良的应变性能。
进一步的，所述应变传感单元是将经润湿后的CNTs/石墨烯/GelMA电纺丝膜用医用透气膜两面封装，既可避免水分快速蒸发又可保证伤口透气，且保持伤口干燥环境有利于降低染菌风险。所述渗出液传感单元是将干燥的CNTs/石墨烯/GelMA电纺丝膜用医用透气膜封装外面，防止过大的应力作用导致传感器撕裂，里面直接与创面接触方便吸收渗出液。
进一步的，所述应变传感单元和渗出液传感单元分别与伤口垂直固定，并分别构成独立的分压电路，两个电路为并联关系，测试结果分别记录。该应变传感单元和渗出液传感单元的组合能同时检测创面的形变程度和渗出液体积，多方面的反映伤口恢复情况及受力后的破损情况。
进一步的，所述的CNTs/石墨烯/GelMA电纺丝膜在干燥状态下测试了润湿程度对其电阻的影响，结果表明润湿其的液体体积与电阻变化在0-0.37μL/mm2的润湿程度范围内呈线性关系。
进一步的，所述的CNTs/石墨烯/GelMA电纺丝膜在完全润湿状态下测试了应变对电阻的影响，其拉伸程度与电阻变化分别在0-70％范围内和70-85％范围内呈线性关系。
进一步的，所述的触屏式示波器体积小、重量轻，且可以通过WiFi与手机等移动终端连接，相比大型检测设备更适合在家庭监测伤口动态和向医生反馈。
进一步的，碳纳米管的用量经过严格的控制(以0.04g为最优)，用量过多则碳纳米管会发生从CNTs/石墨烯/GelMA电纺丝膜上脱落的情况，而且使得透气性变差，导电性也会降低，过少则导电性降低更为明显。
附图说明
图1为实施例1制备的CNTs/石墨烯/GelMA电纺丝膜的表面(a)和截面(b)扫描电镜图。
图2为实施例1制备的CNTs/石墨烯/GelMA电纺丝膜的透气性测试结果。
图3为实施例1中的监测伤口破损状态的传感装置的结构原理框图。
图4为图3中所示分压电路的信号检测模型示意图；其中，R为变值电阻，R1为定值电阻，V为示波器，U为电压信号，E为电源。
图5为实施例1制备的CNTs/石墨烯/GelMA电纺丝膜拉伸长度(应变量)与电阻变化率(电阻变化率：每个点电阻R的阻值相对其初始电阻值R0的变化量ΔR与该初始电阻值R0的比值)关系曲线。
图6为实施例1制备的CNTs/石墨烯/GelMA电纺丝膜润湿程度与电阻变化率关系曲线。
图7为柔性透气水凝胶膜的应用原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，实施例的描述是为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，不应理解为对本发明的保护范围的限制。
实施例1
(一)GelMA的合成
将100mL PBS(pH＝7)缓冲液搅拌并加热到60℃，在搅拌加热过程中缓慢加入10g明胶使其完全溶解，得到明胶溶液。将8mL甲基丙烯酸酐逐滴加入到明胶溶液中，并保持在60℃，避光继续加热搅拌3h后得到反应液。用400mL提前预热到50℃的PBS(pH＝7)缓冲液稀释前述反应液。将含有合成的GelMA的稀释反应液转移到透析膜中，封口后在5L去离子水中避光、保持50℃透析一周，以去除未反应完的甲基丙烯酸酐，得到GelMA溶液。将透析后得到的GelMA溶液于-80℃冷冻24h，然后冷冻干燥(-80℃、真空度0.1MPa)4天，得到海绵状的GelMA固体。
(二)GelMA电纺丝膜的制备
取(一)中制得的GelMA固体0.5g，溶解在5mL六氟异丙醇中，得到透明状液体。将透明状液体转移到注射器中，将注射器固定在电纺丝机的移动设备上，并使金属针头与电源高电位的接头相连，设置0.6mL/h流速和15kV电压，调整金属针头位置使其对准接收板，并控制二者距离约为15cm，在接收板上包锡箔纸并与电源低电位的接头相连。关闭玻璃舱门，打开电源开关，使金属针头和接收板之间形成15kV电位差，从而使液体呈纤维状喷出注射器并在接收板上收集制备好的电纺丝膜。将制成的电纺丝膜放于光引发剂溶液(体积分数10％的2-羟基-2甲基苯丙酮无水乙醇溶液)中浸泡2h，将电纺丝膜连同光引发剂溶液一起置于箱式紫外交联仪中并在波长为365nm的紫外光(UV)下交联45min。取出交联后的电纺丝膜，用乙醇和去离子水清洗后在去离子水中浸泡过夜。将清洗干净的GelMA电纺丝膜于-80℃冷冻24h，然后冷冻干燥(-80℃,真空度0.1MPa)2天，形成干燥的多孔电纺丝膜。
(三)CNTs/石墨烯/GelMA电纺丝膜的制备和表征
先取1mL质量分数5％的石墨烯水溶液和0.5mL 1％壳聚糖-醋酸溶液(1g壳聚糖加入到100mL体积分数1％醋酸溶液中形成)配制混合液，然后在该混合液中加入0.04g CNTs(直径10～20nm，长度10～30μm)，并于室温下超声(100W)30min，得CNTs-石墨烯-壳聚糖混合浆料。
然后将(二)中制备的干燥的多孔电纺丝膜裁剪后置于上述CNTs-石墨烯-壳聚糖混合浆料中，并于室温下超声(100W)10min，使导电物质CNTs和石墨烯分散到电纺丝膜的孔隙中。取出后用自然晾干，随着水分的蒸发和醋酸的挥发，壳聚糖会原位成型，使得CNTs和石墨烯被固定在电纺丝膜的表面和孔隙中，得到干燥的CNTs/石墨烯/GelMA电纺丝膜。
经扫描电镜测试发现，CNTs/石墨烯/GelMA电纺丝膜的表面形貌可见石墨烯鳞片和由CNTs形成的网络结构，二者由壳聚糖固定形成片状和网络相间的形貌，其中网络结构有助于保持CNTs/石墨烯/GelMA电纺丝膜的透气性(如图1a所示)。CNTs/石墨烯/GelMA电纺丝膜的截面形貌可见GelMA多孔结构支架和通过壳聚糖固定在其表面和内部的CNTs/石墨烯复合物(指CNTs和石墨烯)，总膜厚约为30μm(如图1b所示)。
透气性的定量测试：将制得的CNTs/石墨烯/GelMA电纺丝膜贴于装水的玻璃瓶口，并在37℃条件下每隔1h测定一次玻璃瓶中水的重量变化，得到12h的水蒸汽透过率(WVTR)曲线(如图2所示)，经计算得出WVTR为554.3g·h-1·m-2。结合扫描电镜测试结果可以看出所制备的CNTs/石墨烯/GelMA电纺丝膜为CNTs及石墨烯与GelMA电纺丝膜构成的柔性透气水凝胶膜，并且经测定，该柔性透气水凝胶膜在无拉伸变形下的方阻值为150Ω·sq-1，吸水率为300％～500％。
(四)制作基于柔性透气水凝胶膜的传感单元
取一片干燥的CNTs/石墨烯/GelMA电纺丝膜，两端用导电胶将其与细导线(直径约为100μm的漆包线)固定在一起，将膜用水完全润湿后再用软弹性的透明医用防水透气膜(杨氏模量与完全润湿的CNTs/石墨烯/GelMA电纺丝膜接近，可同时形变)双面粘接封装。由于湿润状态的电纺丝膜具有更好的柔韧性和弹性，因此用于构建应变传感单元。在CNTs/石墨烯/GelMA电纺丝膜完全润湿状态下测试了其应变对电阻的影响，结果表明其拉伸程度分别在0-70％范围内和70-85％范围内与其电阻变化呈线性关系(如图5所示)，应变系数(单位应变下的电阻变化率)分别为15.4和72.9。两个应变范围分别符合皮肤正常拉伸和破损的拉伸范围(参见文献Wang et al.Adv.Mater.2020,2003014)，可用于定性判断伤口是否破损。
另取一片干燥的CNTs/石墨烯/GelMA电纺丝膜，两端用导电胶将其与细导线(直径约为100μm的漆包线)固定在一起，并保持干燥(不用水浸润)，然后用软弹性的透明医用防水透气膜单面粘接封装(未封装的一面朝向伤口)，构成渗出液传感单元。在干燥的CNTs/石墨烯/GelMA电纺丝膜梯度吸水的情况下测试了其润湿程度对电阻的影响，结果表明其吸水体积在0-0.37μL/mm2的范围内与其电阻变化呈线性关系(如图6所示)。
(五)监测伤口破损状态的传感装置
参见图3，所述传感装置主要由分压电路和便携式检测设备组成，其中，包含应变传感单元的分压电路及包含渗出液传感单元的分压电路可由电源提供电压输入。各分压电路通过便携式检测设备(例如，触屏式示波器)实现对所含传感单元电压信号的实时检测，而电压信号的变化与相应传感单元的电阻值的变化呈正相关。
所述分压电路和便携式检测设备的安装和连接具体如下：
将应变传感单元两端(通过封装将导线已分别连接在相应传感单元两端)分别固定于伤口两侧皮肤，中间则覆盖于伤口的一段缝合区域，渗出液传感单元整体覆盖伤口的另一段缝合区域，对应传感单元于伤口附近皮肤处的固定采用软弹性的透明医用防水透气膜，具体电路连接参照图4。各传感单元充当变值电阻，通过导线将各传感单元分别与一定阻值的定值电阻串联，从而构建由电源供电的各分压电路，将触屏式示波器的两组探头分别与应变传感单元两端、渗出液传感单元两端连接，用于同时测试传感单元两端的分压变化。将首次读取的电压值用于计算或校准R0，据此就可以通过参比同一分压电路中的定值电阻的电压计算传感单元电阻值的变化，从而评估伤口在恢复期的形变程度(例如，因受力引发开裂)以及伤口组织液渗出情况(例如，渗出液体积)。触屏式示波器也可通过WiFi连接手机等移动终端设备进行远程控制和读取。
(六)应用监测伤口破损状态的传感装置
参见图7，产妇在接受剖腹产手术后需要自主或在外力协助下进行器官归位复健训练，由于创面较大，器官移动或外力挤压导致的皮肤应变很容易撕扯到手术伤口，使其因受力过大开裂或伤口破损而流出组织液。但在纱布覆盖状态下不容易用肉眼观察伤口状态变化，因此需要具有应变传感和渗出液传感的双功能传感器进行伤口状态监测并用于警示。
双功能传感器的传感单元分为应变传感单元和渗出液传感单元，分别横跨伤口，贴合皮肤，并使用上述医用防水透气膜经剪裁形成的胶带固定。将应变传感单元和渗出液传感单元分别与定值电阻通过漆包线连接为两个分压电路(两个电路为并联关系，由恒压电源供电)，并使用触屏式示波器的两个通道分别检测对应传感单元两端分压变化(采集传感单元两端的电压信号，结果分别记录)，并计算分析得到随应变及润湿程度变化而引起的对应传感单元的电阻变化，从而反映紧贴于伤口的对应传感单元因外力作用在伤口附近而引起的形变和组织液渗出体积。还可以将手机终端通过WIFI连接触屏式示波器，以方便使用APP远程、实时的控制示波器和显示检测结果。
在实际应用中，由于剖腹产手术后缝合的伤口通常为较长的条形，中间部位的形变相对较大，因此将应变传感单元设置在伤口中间部位，旁边可适当添加一组或多组渗出液传感单元，以先于痛感及时发现伤口变化，并警示其可能的危险。例如，当应变传感单元在示波器上的显示超过设定的70％范围时，可能会出现伤口撕裂的危险(如图5所示)。通过继续观察渗出液传感单元对应信号是否发生线性变化判断伤口是否有液体(例如，组织液)渗出和渗出量，当渗出液传感单元吸收液体达到饱和(完全浸润)时，线性曲线骤然增加而后趋于平稳(如图6所示)，此时产妇会出现明显的痛感。因此可以根据示波器的反馈判断伤口状态，在渗出液传感单元完全润湿前对伤口进行及时处理，避免渗出液过多引起过度疼痛和继发感染。在后续装置成品开发中也可在70％拉伸量和渗出液体吸收达饱和等对应的信号节点处设置相应的报警模块，以提醒及时调整用力。
实施例2
与实施例1相比，CNTs/石墨烯/GelMA电纺丝膜的制备存在的不同在于CNTs用量：
取1mL 5％的石墨烯水溶液和0.5mL 1％壳聚糖-醋酸溶液配制混合液，然后在该混合液中加入0.01g CNTs，并于室温下超声(100W)30min，得CNTs-石墨烯-壳聚糖混合浆料。
与实施例1中制得的CNTs/石墨烯/GelMA电纺丝膜相比，实施例2中制得的CNTs/石墨烯/GelMA电纺丝膜在无拉伸变形下的方阻值为250Ω·sq-1，方阻值的显著升高表明其导电性相对实施例1较差。且在0-70％范围内，其应变系数为9.32，小于实施例1的应变系数，说明其作为应变传感器的应变性能相对较差。
总之，本发明针对剖腹产术后会出现的伤口形变以及伤口内液体渗出的现象，利用相应的传感单元从两个方面对产妇的伤口进行实时监测，利于产妇的术后恢复，同时也适用于会出现应力影响的其他类型手术(例如，器官移植)的术后伤口风险监测。

Claims (8)

1.一种基于柔性透气水凝胶膜的伤口破损状态监测装置，其特征在于：该伤口破损状态监测装置包括传感模块及检测模块，所述传感模块包括一个以上的可变电阻式柔性传感单元，所述柔性传感单元包括负载有碳纳米管和石墨烯的复合甲基丙烯酰胺明胶水凝胶膜，所述复合甲基丙烯酰胺明胶水凝胶膜是通过碳纳米管-石墨烯-壳聚糖混合浆料将碳纳米管和石墨烯负载在静电纺丝制备的甲基丙烯酰胺明胶水凝胶基体的多孔结构上而复合形成的，检测模块包括用于将所述柔性传感单元由自身应变和/或润湿程度变化引起的电阻变化转换为相对应的电信号的电路元件以及电信号检测设备。
2.根据权利要求1所述一种基于柔性透气水凝胶膜的伤口破损状态监测装置，其特征在于：所述柔性传感单元还包括设置于所述复合甲基丙烯酰胺明胶水凝胶膜两侧或一侧的封装膜层。
3.根据权利要求1所述一种基于柔性透气水凝胶膜的伤口破损状态监测装置，其特征在于：所述电路元件与所述柔性传感单元通过串联构成分压电路。
4.根据权利要求3所述一种基于柔性透气水凝胶膜的伤口破损状态监测装置，其特征在于：所述检测设备与所述柔性传感单元的高、低电势端点分别相连。
5.根据权利要求1所述一种基于柔性透气水凝胶膜的伤口破损状态监测装置，其特征在于：所述伤口破损状态监测装置还包括与所述检测设备远程连接的移动终端。
6.根据权利要求1所述一种基于柔性透气水凝胶膜的伤口破损状态监测装置，其特征在于：所述传感模块包括一个以上的应变传感单元，以及一个以上的渗出液传感单元，应变传感单元包括经过润湿的负载有碳纳米管和石墨烯的复合甲基丙烯酰胺明胶水凝胶膜，渗出液传感单元包括未经润湿的负载有碳纳米管和石墨烯的复合甲基丙烯酰胺明胶水凝胶膜。
7.一种柔性透气水凝胶膜，其特征在于：该柔性透气水凝胶膜为复合甲基丙烯酰胺明胶水凝胶膜，所述复合甲基丙烯酰胺明胶水凝胶膜是通过碳纳米管-石墨烯-壳聚糖混合浆料将碳纳米管和石墨烯负载在甲基丙烯酰胺明胶水凝胶基体的多孔结构上而复合形成的，复合甲基丙烯酰胺明胶水凝胶膜表面的石墨烯鳞片和由碳纳米管形成的网络结构，由壳聚糖固定形成片状和网络相间的形貌，厚度为10～100μm；
所述甲基丙烯酰胺明胶水凝胶基体选自甲基丙烯酰胺明胶水凝胶电纺丝膜；
所述复合具体包括以下步骤：将经过紫外交联和冷冻干燥的甲基丙烯酰胺明胶水凝胶电纺丝膜置于碳纳米管-石墨烯-壳聚糖混合浆料中进行超声处理，然后干燥。
8.根据权利要求7所述一种柔性透气水凝胶膜，其特征在于：所述碳纳米管-石墨烯-壳聚糖混合浆料是将由0.5～2mL的石墨烯水溶液和0.4～0.6mL的壳聚糖溶液组成的二元混合液与≤0.05g的碳纳米管混合而成；所述石墨烯水溶液的质量分数为1％～5％，壳聚糖溶液的质量分数为0.5％～1％。
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