球盟会(中国)

针对上述问题，陕西科技大学刘新华团队构建了一款双层多功能生物电子微针贴片（DMB-MN），将光热治疗、温控释药、实时pH传感与电刺激（ES）整合于同一平台，用于智能化管理感染型慢性伤口。上层针尖以MoO_3-x纳米点为核心光热-ROS清除剂，嵌入PVA/PNIPAM温敏基质，实现近红外触发升温杀菌与抗氧化药物的温度响应式释放；下层基底由GelMA/COOH-MWCNTs导电水凝胶组成，兼具机械支撑与微电极功能，可依据实时测得的创面pH变化自动调节电刺激强度，促进血管新生与巨噬细胞极化。细菌感染小鼠全层皮肤缺损实验表明，DMB-MN能同步完成精准光热灭菌、ROS中和、自适应电刺激及加速胶原沉积与再上皮化，显著缩短愈合时间。该研究首次在微针尺度上实现“诊断-决策-治疗”闭环，为慢性炎性感染伤口给予了一种可穿戴、一次性、家庭化的智能解决方案。该文章于2025年9月23日以《Dual-Layer Modular Microneedle-Based Biosensor for Advanced Precision Management of Infected Chronic Wounds》为题发表于《Advanced Functional Materials》（DOI：10.1002/adfm.202517521）。

研究示意图

（1）DMB-MN贴片的制备和结构表征

图1a给出DMB-MN双层微针阵列的完整示意图，内层为GelMA-COOH-MWCNTs（G-C）导电水凝胶，外层为PNIPAM-MoO_3-x（P-M）温敏ROS清除层。图1b的FT-IR在1641与1552 cm^-1出现酰胺I/II峰，证实GelMA基质。图1c外层PNIPAM的FT-IR显示3282 cm^-1（N-H）、1643 cm^-1（C=O）及1388/1365 cm-1异丙基分裂峰，提示温敏结构完整。图1d拉曼1352 cm^-1（D-band）与1582 cm^-1（G-band）证明COOH-MWCNTs均匀分散于内层。图1e超景深显微呈现规整10×10阵列，图1f RhB染色清晰区分双层界面，尖端锐利。图1g-h高度轮廓显示复合针最终达800 µm，较单层显著提升深度与功能分区。图1i小鼠H&E染色证实微针完全贯穿表皮与真皮，可递药至深部。图1j TEM测得MoO_3-x纳米点平均直径≈5 nm，均匀载入PNIPAM。图1K I-VI猪皮肤在体插入实验表明0 min孔道清晰，30 min内表皮几乎闭合，验证其微创、可快速自愈的特性。

图1. DMB-MN结构表征。a) 基于DMB-MN的治疗-诊断平台制备流程与工作原理示意图；b) DMB-MN的FT-IR谱图；c) PNIPAM的FT-IR谱图；d) DMB-MN的拉曼谱图；e-f) DMB-MN超景深显微图像；g) DMB-MN超景深三维图像；h) G-C MN超景深三维图像；i) H&E染色组织切片；j) MoO3-x纳米点的TEM图像；k) DMB-MN穿透猪皮肤0–30 min的照片

（2）体外温度响应性和药物释放的评估

图2系统表征表明，DMB-MN的光热、热敏、力学与导电性能均可顺利获得COOH-MWCNTs浓度实现量化调控：图2b显示，当添加量升至5 mg·mL^-1时，0.5 W·cm^-2 NIR照射1 min即可使表面温度达到50.4 ℃；图2c证实，0–5 mg·mL^-1范围内升温幅度与浓度呈线性正相关，且在1 min内迅速达到热平衡。图2d的5次NIR开/关循环曲线几乎重叠，表明光热稳定性优异。体内验证（图2e I-II）进一步表明，大鼠背部皮肤在同等辐照下温度由29.8 ℃升至44.8 ℃，升温速率与体外一致；PNIPAM外层赋予贴片温度响应释药特性：图2f结果显示，120 h时37 ℃累积释放94.66 %，42 ℃为88.93 %，差异具有统计意义。溶胀实验（图2g）表明，即使在41 ℃，贴片4 h溶胀率仍高达376.33 %，可充分吸收创面渗出液。力学测试（图2h）显示，双层结构最大压缩力达52.52 N，确保穿刺皮肤时不断裂。电学性能（图2i）随COOH-MWCNTs浓度单调递增，5 mg·mL^-1时电导率为1.29 S·m^-1；图2j循环伏安曲线封闭且重现性好，证实其作为生物电极长期工作的可靠性。综上，DMB-MN在光热转换速率、热敏释药区分度、机械强度及导电稳定性方面均达到设计目标，为后续感染创面的精准联合治疗给予了参数依据。

图2. DMB-MN的光热性能、力学性能与药物释放特性。a) DMB-MN光热机制示意图；b) 空白组与DMB-MN经NIR照射后的红外热像图；c) 不同COOH-MWCNTs含量DMB-MN的光热温升曲线；d) DMB-MN在五次NIR开/关循环中的温度变化；e) Balb/c大鼠创面处空白组与DMB-MN的NIR照射热像图；f) DMB-MN于25、37、41 ℃的药物释放曲线；g) DMB-MN于25、37、41 ℃的溶胀率曲线；h) 力-位移曲线；i) 不同COOH-MWCNTs添加量下DMB-MN的电导率；j) DMB-MN的双圈伏安曲线

（3）体外抗菌和抗氧化性能的评估

图3a显示了其抗菌机制示意图，图3b-d的菌落计数结果显示，仅依靠COOH-MWCNTs的贴片即可对革兰氏阴性E. coli和革兰氏阳性S. aureus产生显著杀伤，存活率分别降至21.58%与21.94%；抗氧化性能方面，图3e-g的ABTS自由基体系在300 µg·mL^-1 MoO_3-x浓度下清除率达到68.45%，图3h-j的DPPH体系于同浓度下清除率为72.66%，且均随纳米点剂量线性上升，表明材料具有广谱自由基捕捉能力。细胞水平验证由图3k、l显示，DCFH-DA探针显示，H₂O₂刺激组荧光强度升至418.00，代表重度胞内氧化损伤，而DMB-MN干预组强度降至122.67，降幅达70.7%，充分证明MoO_3-x纳米点可在生理环境中高效清除ROS，赋予贴片协同的抗菌-抗氧化双重功能。

图3. DMB-MN的抗菌与抗氧化性能。a) DMB-MN抗菌-抗氧化机制示意图；b) 针对E. coli与S. aureus的平板计数法照片；c) DMB-MN对E. coli的细菌存活率；d) DMB-MN对S. aureus的细菌存活率；e) 不同MoO₃₋ₓ纳米点含量DMB-MN的ABTS抗氧化活性UV曲线；f) 空白组ABTS抗氧化活性UV曲线；g) DMB-MN对ABTS自由基清除效率；h) 不同MoO_3-x纳米点含量DMB-MN的DPPH抗氧化活性UV曲线；i) 空白组DPPH抗氧化活性UV曲线；j) DMB-MN对DPPH自由基清除效率；k) ROS荧光染色图像：I) PBS处理L929细胞，II) H₂O₂处理L929细胞，III) 空白贴片+H₂O₂处理L929细胞，IV) DMB-MN+H₂O₂处理L929细胞；l) 各组L929细胞活力统计

（4）体液中pH监测传感器的评价

图4a显示，NFC无源柔性pH传感器制备完成，可贴附于创面。图4b中，传感器在pH 2–9范围内呈浓度依赖式电位响应，临床关注的感染区间（pH 6–9）灵敏度最高；图4c线性拟合给出平均斜率86.65 mV·decade^-1，R²=0.9969，证实输出与H⁺浓度高度线性相关。图4d显示，常见阳离子NH₄⁺、K⁺、Na⁺、Ca²⁺对电位干扰均小于5%，选择性优异；图4e的长期稳定性测试在12 h内pH 7电位漂移不足25 mV。转入体内后，图4f实时记录感染全厚创面的pH波动，可即时反映微环境变化；图4g纵向追踪显示，随着DMB-MN治疗推进，创面pH由碱性逐步回归生理范围，与组织修复进程同步，实现治疗-监测闭环。

图4. DMB-MN生物传感器的生物标志物检测能力。a) pH传感器工作机制示意图；b) pH传感器阶梯电压响应曲线；c) 经一点校准后的电压响应与pH线性拟合曲线；d) pH传感器对潜在干扰离子的选择性测试；e) pH传感器稳定性测试；f) pH传感器陆续在1 h数据采集曲线；g) Balb/c大鼠创面pH数据实时采集图

（5）CNS激活自噬以调节 S-BMDM 的抗炎表型开关并促进线粒体生物发生

生物相容性评估表明，DMB-MN 贴片安全可用，图5b、d的CCK-8结果显示，L929细胞存活率为100.06%，与空白对照无统计学差异；引入外源电刺激（ES）后，图5c、d显示DMB-MN+ES组第5天OD值较DMB-MN组再升高8.10%，存活率提升至109.44%；图5e的划痕实验表明，贴片本身24 h内可使细胞迁移率达到50.10%，比对照组提高15.20%图5f溶血实验显示溶血率低于2%，红细胞形态完整，血液相容性符合临床要求。流式细胞术（图5h–j）显示，联合处理组早期凋亡率降至0.089%，晚期凋亡率仅0.36%，均显著低于对照，表明电刺激可协同DMB-MN促进细胞增殖、迁移并抑制凋亡，为感染慢性伤口的加速愈合给予安全有效的生物电增强策略。

图5. DMB-MN的生物相容性。a) 电刺激促进细胞增殖与分化机制示意图。b) CCK-8检测对照组、DMB-MN组与DMB-MN+ES组细胞密度的显微照片。c) 对照组、DMB-MN组与DMB-MN+ES组的OD值。d) 对照组、DMB-MN组与DMB-MN+ES组的细胞活力。e) 对照组、G-C MN组与DMB-MN组细胞划痕迁移实验照片。f) 对照组、G-C MN组与DMB-MN组红细胞破裂照片及溶血率。h) 第5天对照组流式细胞凋亡图像。i) 第5天DMB-MN组流式细胞凋亡图像。j) 第5天DMB-MN+ES组流式细胞凋亡图像

（6）感染伤口愈合进展的评估

图6b–d陆续在14 d图像显示，功能模块依次叠加显著加速感染全厚创面闭合：第2天，Control组无收缩且脓性渗出明显，DMB-MN组收缩33.33%，DMB-MN+NIR组因PTT灭菌升至34.34%，DMB-MN+NIR+ES组达45.27%，同期菌量降至Control的9.63%（图7d），第7天，闭合率逐级提高为54.52%、56.54%与67.16%。第14天，愈合差异最显著：Control组仅84.36%且瘢痕厚重，DMB-MN组达93.23%，DMB-MN+NIR组升至96.96%，DMB-MN+NIR+ES组实现99.78%近完全闭合。图7a的H&E与Masson染色进一步验证，DMB-MN+NIR+ES组表皮、毛囊及脂肪层结构完整，胶原排列致密有序，呈现高质量再生皮肤架构。图7b定量表明，胶原密度分别达到Control的121.37%、163.91%与233.33%，CD31阳性血管面积为Control的144.62%、175.89%与241.61%；图8a-c免疫荧光显示CD31表达依次递增，提示血管新生随功能叠加而增强；组织学证实DMB-MN+NIR+ES组肉芽形成最早且炎症最轻。综合证实药物释放-光热灭菌-电刺激协同可同步克服感染、氧化与组织再生障碍，完成感染创面快速、高质量修复。

图6. 感染创面愈合效果的体内动物研究。a) 感染创面模型构建及愈合过程示意图；b) 四种不同处理创面的代表性图像；c) 不同组别创面愈合过程示意图；d) 愈合过程中创面面积的定量分析

图7. 感染创面愈合的体内动物研究。a) 第7与14天再生皮肤组织的H&E及Masson染色；b) 第14天再生皮肤组织的胶原沉积量；c) 大鼠金黄色葡萄球菌感染创面涂布菌液圆盘；d) 第2天创面部位菌落计数

图8.第7与14天免疫荧光分析。a) 再生皮肤组织CD31及肿瘤坏死因子-α（TNF-α）染色；b) 第14天CD31阳性表达量；c) 第14天再生皮肤组织TNF-α染色