研制创面温度与压力无线传感模块(下称无线传感模块)并进行相关特征性检验和生物安全性评价。
(1)设计无线传感模块结构及工作模式；在柔性排线一端焊接温湿度传感器，和压力传感器同时与焊接了蓝牙发射器、微处理器和电源接口的印制电路板相连，建立无线传感模块；开发移动端数据接收应用程序，在智能手机上，通过蓝牙功能读取无线传感模块暴露在空气中的检测数值。(2)同时用无线传感模块和红外线测温仪测量35～42 ℃热水袋温度，对比30对数据并进行相关分析。(3)于第2作者手臂贴负压封闭引流材料，将无线传感模块置于负压条件下，同时记录无线传感模块测得负压值和负压表数值，对比14对数据并进行相关分析。(4)按压力传感器、焊接温湿度传感器柔性排线每3平方厘米表面积加入1 mL生理盐水，分别配置相应材料浸提液。取20只6～8周龄雌性C57BL/6小鼠，称量实验前体质量，采用随机数字表法分为压力传感器浸提液组、柔性排线浸提液组、混合浸提液组和生理盐水组(每组5只)，分别腹腔注射压力传感器浸提液、焊接温湿度传感器柔性排线浸提液、压力传感器浸提液与焊接温湿度传感器柔性排线浸提液1∶1混合浸提液、生理盐水50 mL/kg，观察小鼠有无异常毒性反应，并称量注射后24、48、72 h小鼠体质量，综合评估材料毒性。(5)取4只3～6个月龄、雌雄不限日本大耳白兔，脊柱左侧2个区域敷贴无菌纱布设为无菌纱布组，脊柱右侧2个区域敷贴无线传感模块设为无线传感模块组，评估各区域敷贴后1、12、24、48 h皮肤状态，按照皮肤刺激性评分标准记录评分。(6)按压力传感器、焊接温湿度传感器柔性排线每1平方厘米表面积加入1 mL无血清DMEM培养基，分别配制相应材料浸提液。取L－929成纤维细胞株，分为压力传感器浸提液组、柔性排线浸提液组、苯酚对照组、培养基对照组，前2组分别加入对应浸提液，苯酚对照组加入64 g/L苯酚，培养基对照组加入不含血清的DMEM培养基培养，体积均为100 μL。噻唑蓝法检测培养2、4、7 d吸光度值以计算细胞增殖率(各时间点样本数为6)，进行细胞毒性分级。对数据行配对样本t检验、Wilcoxon符号秩检验、Pearson相关分析、Spearman相关分析、Mann－Whitney U检验、重复测量方差分析、析因设计方差分析、单因素方差分析、Bonferroni校正。
(1)智能手机通过蓝牙功能成功接收无线传感模块检测的空气温度、湿度与压力信息。(2)无线传感模块测量的热水袋温度为(37.7±1.7)℃，与红外线测温仪的(37.7±1.7)℃相近(t＝－0.112，P>0.05)，且二者存在明显正相关(r＝0.996，P<0.01)。(3)无线传感模块测量的手臂负压材料下负压为－36.7(－38.8，－27.4)kPa，明显低于负压表的－22.7(－32.7，－12.5)kPa(Z＝－3.235，P<0.01)，但二者绝对值存在明显正相关(ρ＝1.000，P<0.01)。(4)各组小鼠均无异常毒性反应。4组小鼠体质量总体比较，差异无统计学意义(F＝3.132，P>0.05)。(5)敷贴后1、12、24、48 h，2组兔敷贴区域皮肤刺激性评分均相近(Z＝－1.000、<0.001、－0.620、<0.001，P>0.05)。(6)培养各时间点，与培养基对照组比较，压力传感器浸提液组和柔性排线浸提液组细胞增殖率均明显升高(P<0.01)，苯酚对照组细胞增殖率均明显降低(P<0.01)。培养2、4、7 d，苯酚对照组细胞毒性分级分别为1、1、2级，各浸提液组细胞毒性分级均为0级。
无线传感模块集成了温湿度与压力传感器，可监测局部温度与压力，并能在移动端应用程序上实现参数的可视化，其测量温度准确，压力测量结果与负压表负压值变化趋势一致，且生物安全性良好，具有较大的临床应用价值和发展前景。
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创面愈合是一个复杂而精细的生物学过程[1,2]，一旦愈合过程紊乱，创面便可能会慢性化。慢性创面病情复杂、病程长[3]，不但严重影响患者的生活质量，其治疗过程还会产生数额庞大的医药费[4]，因此找出一种有效的预防创面慢性化的手段就显得非常重要[5,6]。到目前为止，医师主要通过在换药过程中观察创面来主观判断愈合情况[7,8]。这种方式不仅会增加患者痛苦，扰乱创面的正常愈合进程，而且极度依赖主诊医师的临床经验，缺乏客观衡量标准。因此，创造一种客观便捷且不影响愈合进程的创面评估手段迫在眉睫[9]。创面温度往往被认为是反映局部血流及感染情况的指标，温度升高可能代表感染的发生或加重，温度降低可能表示创面的血供不良及慢性化[10]。创面压力会引起组织形变，激活创面主要修复细胞骨架相关力学信号通路，从而影响表皮细胞再生、血管化等生物学行为[11]。随着创面微环境[12,13]的研究进展和微型传感器[14]、柔性电路板[15]、纳米生物材料[16]的进步，各种智能敷料及创面监测系统层出不穷[17,18,19,20]，但监测指标大多比较单一。笔者课题组拟研制创面温度与压力无线传感模块(下称无线传感模块)，以实时监测创面局部温度和压力，使医师在不更换敷料的情况下能掌握创面愈合情况，并且通过蓝牙将数据传至移动端设备，为将来实现远程医疗服务，达到个体化医疗做准备。
本研究通过空军军医大学第二附属医院伦理委员会审批，批号：第201903－58号。
20只体质量20～30 g的健康成年清洁级C57BL/6雌性小鼠以及4只3～6个月龄、体质量≥1.5 kg的健康清洁级日本大耳白兔(雌雄不限)均由空军军医大学实验动物中心提供，生产许可证号：SCXK(陕)2019－001。HTU21D型温湿度复合传感器(双边扁平无引脚封装、尺寸为3 mm×3 mm×1 mm)购自法国Humirel公司，柔性排线购自深圳锐林鑫电子有限公司，FSR402型电阻式压力传感器(薄膜直径2.5 cm)购自美国Interlink Electronics公司，印制电路板(PCB)购自深圳宝安高顺电子电器厂，NRF51822－CEAA型蓝牙芯片购自深圳市动能世纪科技有限公司，CC2540芯片购自德州仪器公司，MF－K600型米尼电热水袋购自佛山市顺德区佳成电器有限公司，无菌脱脂纱布块购自河南飘安集团有限公司，852B型希玛红外线测温仪购自济南大象安防设备有限公司，3M™Tegaderm™型透明贴膜购自美国3M公司，指针式负压表购自北京鸿博龙净科技有限公司，VSD创面敷料(泡沫材料)购自武汉维斯第医用科技有限公司。DMEM培养基购自美国HyClone公司，L－929 Fb株购自上海中科院细胞库，噻唑蓝、苯酚均购自生工生物工程(上海)股份有限公司。311型二氧化碳培养箱购自赛默飞世尔科技(中国)有限公司，EL10A型酶标仪购自山东博科科学仪器公司。
无线传感模块主要包括各传感器和PCB，见图1。传感器部分包含温湿度传感器和压力传感器，温湿度传感器焊接在柔性排线的一端，和压力传感器分别通过柔性排线与导线独立与PCB相连。温湿度传感器提供经过校正的、线性的设备间通信协议I2C数字输出信号。压力传感器将施加在传感器薄膜区域的压力转换成电阻值，从而获得压力信息，压力越大，电阻越低。PCB上集成了蓝牙发射器、微处理器和电源接口。笔者团队委托成都谱迅科技有限公司完成移动端接收应用程序的开发。接通电源后，微处理器CC2540芯片接收并处理各传感器的监测信号，再通过蓝牙发射器完成与移动端设备的配对，从而实现数据的传输和可视化。
无线传感模块与功能性敷料结合并应用于创面的模式图见图2，创面表面仅保留各传感器，通过柔性排线或导线与敷料外的PCB相连。
制备完成后观察无线传感模块实物外观，并在智能手机上通过蓝牙功能读取无线传感模块暴露在空气中的检测数值。
在电热水袋表面覆盖一层无菌脱脂纱布块模拟人体皮肤并均分为2个区域，接通电源使电热水袋表面逐渐升温，以红外线测温仪结果为准，在35～42 ℃范围内，一个区域用红外线测温仪测其表面温度，另一个区域采用无线传感模块中的温湿度传感器测其表面温度。共检测100对数据，用随机数字表法抽取30对数据进行统计分析。
先将适当大小的VSD创面敷料贴于第2作者左前臂，然后将无线传感模块中的传感器及引流管贴于敷料上，最后用透明贴膜封闭。将引流管通过指针式负压表与医院中心负压带相连，以负压表数值为准，在－40.00～－3.33 kPa范围内，同时记录负压表数值及无线传感模块中的压力传感器所测负压值，每个数值重复测量3次，取平均值，共记录14对数据进行统计分析。
按照国际标准化组织颁布的医疗器械评价实验指南及我国《医疗器械生物学评价》GB/T16886.11－1997标准，对无线传感模块进行全身急性毒性实验[21,22,23]、皮肤原发刺激实验[24,25,26,27]和细胞毒性实验[28,29]。
无线传感模块表面用乙醇擦拭后，再用环氧乙烷消毒灭菌。以生理盐水为浸提介质，按压力传感器、焊接温湿度传感器柔性排线每3平方厘米表面积加入1 mL生理盐水，在37 ℃二氧化碳培养箱中浸提72 h，分别配制相应材料浸提液。取20只小鼠，实验前称取体质量，采用随机数字表法将小鼠分为压力传感器浸提液组、柔性排线浸提液组、混合浸提液组和生理盐水组(每组5只)，分别腹腔注射压力传感器浸提液、焊接温湿度传感器柔性排线浸提液、压力传感器浸提液与焊接温湿度传感器柔性排线浸提液1∶1混合浸提液、生理盐水50 mL/kg。密切观察注射后小鼠有无异常毒性反应，包括行动、神经系统反应、自主神经系统反应及死亡等，并分别在注射后24、48、72 h称量并记录小鼠体质量。小鼠未见毒性症状记为材料无毒；小鼠有呼吸困难或腹部轻度刺激症状，但无运动减少，记为材料有轻度毒性；小鼠有呼吸困难、腹部刺激症状、运动减少、眼睑下垂、腹泻、体质量降至15～17 g，记为材料有中度毒性；小鼠有严重呼吸衰竭、发绀、震颤、严重腹部刺激症状、眼睑下垂、体质量降至<15 g，或小鼠死亡，记为材料有重度毒性。
取4只白兔，实验前24 h常规除去兔背部脊柱两侧毛发，不损伤表皮，乙醇消毒皮肤。每只兔取脊柱双侧共4个区域，每个区域3.5 cm×3.5 cm，左侧2个区域敷贴无菌纱布设为无菌纱布组，右侧2个区域敷贴无线传感模块设为无线传感模块组，均用透明贴膜固定。分别于敷贴后1、12、24、48 h揭开敷料，观察敷贴区域的皮肤反应并评分，前3个时间点揭开观察后按前述方法贴回固定，最后一个时间点观察后除去敷贴物，用温生理盐水擦拭皮肤。皮肤刺激性评分标准如下：皮肤无水肿、无红斑为0分，极轻微水肿、轻度红斑(勉强可见)为1分，轻微水肿、中度红斑(边界清晰)为2分，中度水肿(隆起1 mm)、重度红斑为3分，严重水肿、紫红色红斑或痂皮形成为4分。
同1.5.1消毒材料，以无血清DMEM培养基为浸提介质，按压力传感器、焊接温湿度传感器柔性排线每1平方厘米表面积加入1 mL无血清DMEM培养基，于37 ℃二氧化碳培养箱中浸提24 h，以配制相应材料浸提液。取L－929 Fb株，用不含血清的DMEM培养基调整细胞浓度为1×104个/mL，于96孔板中培养，每孔100 μL。将细胞分为压力传感器浸提液组、柔性排线浸提液组、苯酚对照组、培养基对照组，每组24孔。培养24 h后弃上清液，用PBS洗涤2次。压力传感器浸提液组和柔性排线浸提液组细胞分别加入100 μL对应浸提液，苯酚对照组细胞加入64 g/L苯酚100 μL，培养基对照组细胞加入100 μL不含血清的DMEM培养基。分别于培养2、4、7 d，每组取8孔细胞，噻唑蓝法处理后，分别用酶标仪测定500 nm波长处吸光度值，去除1个最高值和1个最低值后，计算细胞增殖率，细胞增殖率＝(各组细胞吸光度值÷培养基对照组吸光度值)×100%。按细胞增殖率进行细胞毒性分级：>100%为0级，75%～99%为1级，50%～74%为2级，25%～49%为3级，1%～24%为4级，<1%为5级。
采用SPSS 24.0统计软件分析数据。计量资料数据服从正态分布的采用
±s表示，连续资料温度值组间比较采用配对样本t检验；对小鼠体质量行重复测量方差分析；对细胞增殖率行析因设计方差分析，各时间点组间总体比较行单因素方差分析，组间两两比较采用Bonferroni校正(软件自动略去该统计量值)。计量资料数据不服从正态分布的采用M(P25，P75)表示，负压值组间比较采用Wilcoxon符号秩检验，皮肤刺激性评分组间两两比较采用Mann－WhitneyU检验并进行Bonferroni校正。对无线传感模块所测温度和红外线测温仪测量温度行Pearson相关分析，对无线传感模块所测负压值与负压表负压值行Spearman相关分析。P<0.05为差异有统计学意义。
无线传感模块实物见图3。智能手机通过数据接收应用程序和蓝牙功能成功接收无线传感模块检测的空气温度、湿度与压力信息，见图4。
注：1为印制电路板，2为FSR402型电阻式压力传感器，3为HTU21D型温湿度复合传感器，4为柔性排线，5为压力传感器导线，6为电源接口
无线传感模块测量的热水袋温度为(37.7±1.7)℃，与红外线测温仪的(37.7±1.7)℃比较，差异无统计学意义(t＝－0.112，P＝0.912)，且二者存在明显正相关(P<0.01)，见图5。
无线传感模块测量的手臂负压材料下负压为－36.7(－38.8，－27.4)kPa，明显低于负压表的－22.7(－32.7，－12.5)kPa(Z＝－3.235，P<0.001)，但二者绝对值存在明显正相关(P<0.01)，见图6。
注射后各组小鼠大小便正常，进食、活动正常，无抽搐、呼吸抑制等异常毒性症状。随着注射后时间的延长，各组小鼠体质量均有所增加。4组小鼠体质量总体比较，差异无统计学意义(P>0.05)，见表1。各组材料均无毒性。
4组小鼠各时间点体质量比较(g，
±s)
4组小鼠各时间点体质量比较(g，±s)
| 组别 | 鼠数(只) | 实验前 | 注射后24 h | 注射后48 h | 注射后72 h |
|---|---|---|---|---|---|
| 压力传感器浸提液组 | 5 | 25.6±1.1 | 26.1±1.2 | 26.3±1.1 | 26.8±0.9 |
| 柔性排线浸提液组 | 5 | 25.0±1.1 | 25.5±1.3 | 26.2±1.0 | 26.6±1.0 |
| 混合浸提液组 | 5 | 24.4±1.3 | 24.9±1.2 | 25.4±1.1 | 26.0±1.4 |
| 生理盐水组 | 5 | 26.5±1.2 | 27.1±1.0 | 27.6±0.9 | 27.9±1.0 |
注：处理因素主效应，F＝3.132，P＝0.055；时间因素主效应，F＝33.981，P<0.001；两者交互作用，F＝0.806，P＝0.612
随着敷贴时间的延长，2组兔敷贴区域皮肤刺激性评分均有所下降。2组兔敷贴后各时间点敷贴区域皮肤刺激性评分比较，差异均无统计学意义(P>0.05)，见表2。
2组兔敷贴后各时间点敷贴区域皮肤刺激性评分比较[分，M(P25，P75)]
2组兔敷贴后各时间点敷贴区域皮肤刺激性评分比较[分，M(P25，P75)]
| 组别 | 区域数(个) | 1 h | 12 h | 24 h | 48 h |
|---|---|---|---|---|---|
| 无线传感模块组 | 8 | 1.0(1.0，1.0) | 1.0(0，1.0) | 0 | 0 |
| 无菌纱布组 | 8 | 1.0(1.0，1.0) | 1.0(0，1.0) | 0 | 0 |
| Z值 | －1.000 | <0.001 | －0.620 | <0.001 | |
| P值 | 0.317 | 1.000 | 0.535 | 1.000 |
培养各时间点，压力传感器浸提液组和柔性排线浸提液组细胞增殖率均明显高于培养基对照组(P<0.01)，苯酚对照组细胞增殖率均明显低于培养基对照组(P<0.01)。见表3。苯酚对照组细胞增殖率随着培养时间的延长呈逐渐下降趋势，培养2、4、7 d该组细胞毒性分级分别为1、1、2级。各浸提液组培养各时间点细胞毒性分级均为0级。
4组成纤维细胞培养各时间点细胞增殖率比较(%，
±s)
4组成纤维细胞培养各时间点细胞增殖率比较(%，±s)
| 组别 | 样本数 | 2 d | 4 d | 7 d |
|---|---|---|---|---|
| 压力传感器浸提液组 | 18 | 108.33±0.45a | 111.21±0.47a | 116.21±1.48a |
| 柔性排线浸提液组 | 18 | 107.44±0.28a | 110.22±1.61a | 114.67±1.25a |
| 苯酚对照组 | 18 | 86.25±1.27a | 77.78±1.37a | 50.76±0.89a |
| 培养基对照组 | 18 | 100.00 | 100.00 | 100.00 |
| F值 | 2 055.835 | 3 466.915 | 719.573 | |
| P值 | <0.001 | <0.001 | <0.001 |
注：各组各时间点样本数为6；处理因素主效应，F＝4 479.385，P<0.001；时间因素主效应，F＝267.802，P<0.001；两者交互作用，F＝1 002.641，P<0.001；F值、P值为4组间各时间点总体比较所得；与培养基对照组比较，aP<0.001
理想的智能敷料包括功能性敷料及嵌入其中的用于监测创面温度、湿度、pH值、含氧量、一氧化氮浓度等指标的传感器[30]。作为一种监测装置，传感器在医疗系统中被广泛应用，已成为促进医学发展的关键因素之一。在临床工作中，传感器一般被用来监测生理参数，如心率、血压、血氧饱和度等，有关其在监测创面微环境方面的研究寥寥无几。本实验也仅是对传感器在监测创面微环境领域应用的初步研究。根据无线智能敷料的总体设计方案，笔者课题组首先明确了集成传感平台的结构及工作模式，确定了监测各微环境参数所需的传感器，再联合相关企业完成电路图的设计、硬件电路的制作及移动端应用程序的开发。经过多次修改、实验，最终完成了无线传感模块的研制。该模块包括微处理器、蓝牙发射器、温湿度传感器、压力传感器等，初步实现了对创面温度和压力的监测，并通过蓝牙在移动端设备实现了数据的可视化。
在设计创面监测系统时，要综合考虑传感器的测量范围和创面温度和pH值的变化范围、装置的使用环境条件等，而传感器的测量结果能否及时、真实地反映创面微环境的变化是创面监测系统是否能够正常工作的关键。本实验中，无线传感模块测量的温度值和红外线测温仪测量的温度值几乎一致且呈明显正相关，而无线传感模块测量的负压值和负压表显示的负压值差异明显。笔者推测，无线传感模块应用的薄膜压力传感器通过感受其所受压力的大小，来间接反映创面的负压值，而当创面局部形成一个负压的环境时，由于力的平衡作用，相当于在创面上下各施加了一个正压。这就不能排外监测结果受到敷料种类及伤口部位等多种因素的影响，应用程序上最终显示的压力值与实际负压值必然存在一定差距，但压力测量的2组数据存在明显正相关。因此，可以初步认为，当无线传感模块贴于人体表面皮肤时，所测温度值准确，所测压力值能够大致反映出实际负压值的变化。
传感模块应用的HTU21D型温湿度复合传感器监测湿度的工作原理：湿度敏感元件芯片通过传感器表面的小窗和空气充分接触，芯片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在膜上时，敏感元件的电阻率和电阻值会发生变化，从而反映出环境湿度。而在本实验中的负压环境下，水蒸气无法正常吸附在芯片的敏感膜上，导致其无法正常工作。故本部分实验仅对温度和压力2项指标进行了检验。
现代医用生物材料在外科修复与重建方面起着重要作用。智能敷料直接接触机体的组织和细胞，所以配套使用的无线传感模块的生物相容性是不可忽视的问题[31]。无线传感模块不仅理化特性和生物力学特性要满足使用时的需求，还必须无毒无害，这样才能保证临床应用时的安全性。全身急性毒性实验中，注射各浸提液组小鼠无异常毒性反应，体质量无下降；皮肤刺激实验中，无线传感模块组和无菌纱布组兔背部皮肤刺激评分相近；细胞毒性实验中，各浸提液组细胞毒性分级一直处于0级。以上结果表明，无线传感模块的生物安全性良好，可初步认为该装置是安全无害的。
虽然本系统可以初步实现对创面局部温度和压力的监测，但是仍有许多不足之处，如监测指标太少，目前仅能实现对温度、湿度、压力3项指标的监测，且在负压状态下无法检测湿度；控制模块采用的是PCB，不能顺应人体表面；移动端应用程序尚未实现对数据的存储和上传，且普适性不高，操作较烦琐等。在今后的工作中，笔者课题组将继续增加更多的创面微环境采集指标以实现更完善的监测；整个装置都改用柔性电路板，以更好地贴合皮肤表面；进一步优化应用程序，使其能将监测数据保存并传至云端；进行动物实验，验证本装置在体应用的可行性及效果等。总之，笔者会进一步对无线传感模块进行优化，使其更具科学性和实用性。
所有作者均声明不存在利益冲突
