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針對上述問題，陜西科技大學劉新華團隊構(gòu)建了一款雙層多功能生物電子微針貼片（DMB-MN），將光熱治療、溫控釋藥、實時pH傳感與電刺激（ES）整合于同一平臺，用于智能化管理感染型慢性傷口。上層針尖以MoO_3-x納米點為核心光熱-ROS清除劑，嵌入PVA/PNIPAM溫敏基質(zhì)，實現(xiàn)近紅外觸發(fā)升溫殺菌與抗氧化藥物的溫度響應(yīng)式釋放；下層基底由GelMA/COOH-MWCNTs導電水凝膠組成，兼具機械支撐與微電極功能，可依據(jù)實時測得的創(chuàng)面pH變化自動調(diào)節(jié)電刺激強度，促進血管新生與巨噬細胞極化。細菌感染小鼠全層皮膚缺損實驗表明，DMB-MN能同步完成精準光熱滅菌、ROS中和、自適應(yīng)電刺激及加速膠原沉積與再上皮化，顯著縮短愈合時間。該研究首次在微針尺度上實現(xiàn)“診斷-決策-治療”閉環(huán)，為慢性炎性感染傷口提供了一種可穿戴、一次性、家庭化的智能解決方案。該文章于2025年9月23日以《Dual-Layer Modular Microneedle-Based Biosensor for Advanced Precision Management of Infected Chronic Wounds》為題發(fā)表于《Advanced Functional Materials》（DOI：10.1002/adfm.202517521）。

研究示意圖

（1）DMB-MN貼片的制備和結(jié)構(gòu)表征

圖1a給出DMB-MN雙層微針陣列的完整示意圖，內(nèi)層為GelMA-COOH-MWCNTs（G-C）導電水凝膠，外層為PNIPAM-MoO_3-x（P-M）溫敏ROS清除層。圖1b的FT-IR在1641與1552 cm^-1出現(xiàn)酰胺I/II峰，證實GelMA基質(zhì)。圖1c外層PNIPAM的FT-IR顯示3282 cm^-1（N-H）、1643 cm^-1（C=O）及1388/1365 cm-1異丙基分裂峰，提示溫敏結(jié)構(gòu)完整。圖1d拉曼1352 cm^-1（D-band）與1582 cm^-1（G-band）證明COOH-MWCNTs均勻分散于內(nèi)層。圖1e超景深顯微呈現(xiàn)規(guī)整10×10陣列，圖1f RhB染色清晰區(qū)分雙層界面，尖端銳利。圖1g-h高度輪廓顯示復合針最終達800 μm，較單層顯著提升深度與功能分區(qū)。圖1i小鼠H&E染色證實微針完全貫穿表皮與真皮，可遞藥至深部。圖1j TEM測得MoO_3-x納米點平均直徑≈5 nm，均勻載入PNIPAM。圖1K I-VI豬皮膚在體插入實驗表明0 min孔道清晰，30 min內(nèi)表皮幾乎閉合，驗證其微創(chuàng)、可快速自愈的特性。

圖1. DMB-MN結(jié)構(gòu)表征。a) 基于DMB-MN的治療-診斷平臺制備流程與工作原理示意圖；b) DMB-MN的FT-IR譜圖；c) PNIPAM的FT-IR譜圖；d) DMB-MN的拉曼譜圖；e-f) DMB-MN超景深顯微圖像；g) DMB-MN超景深三維圖像；h) G-C MN超景深三維圖像；i) H&E染色組織切片；j) MoO3-x納米點的TEM圖像；k) DMB-MN穿透豬皮膚0–30 min的照片

（2）體外溫度響應(yīng)性和藥物釋放的評估

圖2系統(tǒng)表征表明，DMB-MN的光熱、熱敏、力學與導電性能均可通過COOH-MWCNTs濃度實現(xiàn)量化調(diào)控：圖2b顯示，當添加量升至5 mg·mL^-1時，0.5 W·cm^-2 NIR照射1 min即可使表面溫度達到50.4 ℃；圖2c證實，0–5 mg·mL^-1范圍內(nèi)升溫幅度與濃度呈線性正相關(guān)，且在1 min內(nèi)迅速達到熱平衡。圖2d的5次NIR開/關(guān)循環(huán)曲線幾乎重疊，表明光熱穩(wěn)定性優(yōu)異。體內(nèi)驗證（圖2e I-II）進一步表明，大鼠背部皮膚在同等輻照下溫度由29.8 ℃升至44.8 ℃，升溫速率與體外一致；PNIPAM外層賦予貼片溫度響應(yīng)釋藥特性：圖2f結(jié)果顯示，120 h時37 ℃累積釋放94.66 %，42 ℃為88.93 %，差異具有統(tǒng)計意義。溶脹實驗（圖2g）表明，即使在41 ℃，貼片4 h溶脹率仍高達376.33 %，可充分吸收創(chuàng)面滲出液。力學測試（圖2h）顯示，雙層結(jié)構(gòu)最大壓縮力達52.52 N，確保穿刺皮膚時不斷裂。電學性能（圖2i）隨COOH-MWCNTs濃度單調(diào)遞增，5 mg·mL^-1時電導率為1.29 S·m^-1；圖2j循環(huán)伏安曲線封閉且重現(xiàn)性好，證實其作為生物電極長期工作的可靠性。綜上，DMB-MN在光熱轉(zhuǎn)換速率、熱敏釋藥區(qū)分度、機械強度及導電穩(wěn)定性方面均達到設(shè)計目標，為后續(xù)感染創(chuàng)面的精準聯(lián)合治療提供了參數(shù)依據(jù)。

圖2. DMB-MN的光熱性能、力學性能與藥物釋放特性。a) DMB-MN光熱機制示意圖；b) 空白組與DMB-MN經(jīng)NIR照射后的紅外熱像圖；c) 不同COOH-MWCNTs含量DMB-MN的光熱溫升曲線；d) DMB-MN在五次NIR開/關(guān)循環(huán)中的溫度變化；e) Balb/c大鼠創(chuàng)面處空白組與DMB-MN的NIR照射熱像圖；f) DMB-MN于25、37、41 ℃的藥物釋放曲線；g) DMB-MN于25、37、41 ℃的溶脹率曲線；h) 力-位移曲線；i) 不同COOH-MWCNTs添加量下DMB-MN的電導率；j) DMB-MN的雙圈伏安曲線

（3）體外抗菌和抗氧化性能的評估

圖3a顯示了其抗菌機制示意圖，圖3b-d的菌落計數(shù)結(jié)果顯示，僅依靠COOH-MWCNTs的貼片即可對革蘭氏陰性E. coli和革蘭氏陽性S. aureus產(chǎn)生顯著殺傷，存活率分別降至21.58%與21.94%；抗氧化性能方面，圖3e-g的ABTS自由基體系在300 μg·mL^-1 MoO_3-x濃度下清除率達到68.45%，圖3h-j的DPPH體系于同濃度下清除率為72.66%，且均隨納米點劑量線性上升，表明材料具有廣譜自由基捕捉能力。細胞水平驗證由圖3k、l顯示，DCFH-DA探針顯示，H₂O₂刺激組熒光強度升至418.00，代表重度胞內(nèi)氧化損傷，而DMB-MN干預組強度降至122.67，降幅達70.7%，充分證明MoO_3-x納米點可在生理環(huán)境中高效清除ROS，賦予貼片協(xié)同的抗菌-抗氧化雙重功能。

圖3. DMB-MN的抗菌與抗氧化性能。a) DMB-MN抗菌-抗氧化機制示意圖；b) 針對E. coli與S. aureus的平板計數(shù)法照片；c) DMB-MN對E. coli的細菌存活率；d) DMB-MN對S. aureus的細菌存活率；e) 不同MoO???納米點含量DMB-MN的ABTS抗氧化活性UV曲線；f) 空白組ABTS抗氧化活性UV曲線；g) DMB-MN對ABTS自由基清除效率；h) 不同MoO_3-x納米點含量DMB-MN的DPPH抗氧化活性UV曲線；i) 空白組DPPH抗氧化活性UV曲線；j) DMB-MN對DPPH自由基清除效率；k) ROS熒光染色圖像：I) PBS處理L929細胞，II) H₂O₂處理L929細胞，III) 空白貼片+H₂O₂處理L929細胞，IV) DMB-MN+H₂O₂處理L929細胞；l) 各組L929細胞活力統(tǒng)計

（4）體液中pH監(jiān)測傳感器的評價

圖4a顯示，NFC無源柔性pH傳感器制備完成，可貼附于創(chuàng)面。圖4b中，傳感器在pH 2–9范圍內(nèi)呈濃度依賴式電位響應(yīng)，臨床關(guān)注的感染區(qū)間（pH 6–9）靈敏度最高；圖4c線性擬合給出平均斜率86.65 mV·decade^-1，R²=0.9969，證實輸出與H⁺濃度高度線性相關(guān)。圖4d顯示，常見陽離子NH₄⁺、K⁺、Na⁺、Ca²⁺對電位干擾均小于5%，選擇性優(yōu)異；圖4e的長期穩(wěn)定性測試在12 h內(nèi)pH 7電位漂移不足25 mV。轉(zhuǎn)入體內(nèi)后，圖4f實時記錄感染全厚創(chuàng)面的pH波動，可即時反映微環(huán)境變化；圖4g縱向追蹤顯示，隨著DMB-MN治療推進，創(chuàng)面pH由堿性逐步回歸生理范圍，與組織修復進程同步，實現(xiàn)治療-監(jiān)測閉環(huán)。

圖4. DMB-MN生物傳感器的生物標志物檢測能力。a) pH傳感器工作機制示意圖；b) pH傳感器階梯電壓響應(yīng)曲線；c) 經(jīng)一點校準后的電壓響應(yīng)與pH線性擬合曲線；d) pH傳感器對潛在干擾離子的選擇性測試；e) pH傳感器穩(wěn)定性測試；f) pH傳感器連續(xù)1 h數(shù)據(jù)采集曲線；g) Balb/c大鼠創(chuàng)面pH數(shù)據(jù)實時采集圖

（5）CNS激活自噬以調(diào)節(jié) S-BMDM 的抗炎表型開關(guān)并促進線粒體生物發(fā)生

生物相容性評估表明，DMB-MN 貼片安全可用，圖5b、d的CCK-8結(jié)果顯示，L929細胞存活率為100.06%，與空白對照無統(tǒng)計學差異；引入外源電刺激（ES）后，圖5c、d顯示DMB-MN+ES組第5天OD值較DMB-MN組再升高8.10%，存活率提升至109.44%；圖5e的劃痕實驗表明，貼片本身24 h內(nèi)可使細胞遷移率達到50.10%，比對照組提高15.20%圖5f溶血實驗顯示溶血率低于2%，紅細胞形態(tài)完整，血液相容性符合臨床要求。流式細胞術(shù)（圖5h–j）顯示，聯(lián)合處理組早期凋亡率降至0.089%，晚期凋亡率僅0.36%，均顯著低于對照，表明電刺激可協(xié)同DMB-MN促進細胞增殖、遷移并抑制凋亡，為感染慢性傷口的加速愈合提供安全有效的生物電增強策略。

圖5. DMB-MN的生物相容性。a) 電刺激促進細胞增殖與分化機制示意圖。b) CCK-8檢測對照組、DMB-MN組與DMB-MN+ES組細胞密度的顯微照片。c) 對照組、DMB-MN組與DMB-MN+ES組的OD值。d) 對照組、DMB-MN組與DMB-MN+ES組的細胞活力。e) 對照組、G-C MN組與DMB-MN組細胞劃痕遷移實驗照片。f) 對照組、G-C MN組與DMB-MN組紅細胞破裂照片及溶血率。h) 第5天對照組流式細胞凋亡圖像。i) 第5天DMB-MN組流式細胞凋亡圖像。j) 第5天DMB-MN+ES組流式細胞凋亡圖像

（6）感染傷口愈合進展的評估

圖6b–d連續(xù)14 d圖像顯示，功能模塊依次疊加顯著加速感染全厚創(chuàng)面閉合：第2天，Control組無收縮且膿性滲出明顯，DMB-MN組收縮33.33%，DMB-MN+NIR組因PTT滅菌升至34.34%，DMB-MN+NIR+ES組達45.27%，同期菌量降至Control的9.63%（圖7d），第7天，閉合率逐級提高為54.52%、56.54%與67.16%。第14天，愈合差異最顯著：Control組僅84.36%且瘢痕厚重，DMB-MN組達93.23%，DMB-MN+NIR組升至96.96%，DMB-MN+NIR+ES組實現(xiàn)99.78%近完全閉合。圖7a的H&E與Masson染色進一步驗證，DMB-MN+NIR+ES組表皮、毛囊及脂肪層結(jié)構(gòu)完整，膠原排列致密有序，呈現(xiàn)高質(zhì)量再生皮膚架構(gòu)。圖7b定量表明，膠原密度分別達到Control的121.37%、163.91%與233.33%，CD31陽性血管面積為Control的144.62%、175.89%與241.61%；圖8a-c免疫熒光顯示CD31表達依次遞增，提示血管新生隨功能疊加而增強；組織學證實DMB-MN+NIR+ES組肉芽形成最早且炎癥最輕。綜合證實藥物釋放-光熱滅菌-電刺激協(xié)同可同步克服感染、氧化與組織再生障礙，完成感染創(chuàng)面快速、高質(zhì)量修復。

圖6. 感染創(chuàng)面愈合效果的體內(nèi)動物研究。a) 感染創(chuàng)面模型構(gòu)建及愈合過程示意圖；b) 四種不同處理創(chuàng)面的代表性圖像；c) 不同組別創(chuàng)面愈合過程示意圖；d) 愈合過程中創(chuàng)面面積的定量分析

圖7. 感染創(chuàng)面愈合的體內(nèi)動物研究。a) 第7與14天再生皮膚組織的H&E及Masson染色；b) 第14天再生皮膚組織的膠原沉積量；c) 大鼠金黃色葡萄球菌感染創(chuàng)面涂布菌液圓盤；d) 第2天創(chuàng)面部位菌落計數(shù)

圖8.第7與14天免疫熒光分析。a) 再生皮膚組織CD31及腫瘤壞死因子-α（TNF-α）染色；b) 第14天CD31陽性表達量；c) 第14天再生皮膚組織TNF-α染色