牛澤浩，王 欣，丁姍姍,4，汪 濱,4，許育健，李 彥，陳猶白，雷永紅，郭希民，韓 巖

1 解放軍醫(yī)學(xué)院，北京 100853；2 解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心 整形修復(fù)科，北京 100853；3 戰(zhàn)略支援部隊特色醫(yī)學(xué)中心 眼科，北京 100101；4 北京服裝學(xué)院 材料設(shè)計與工程學(xué)院，服裝材料研究開發(fā)與評價北京市重點實驗室，北京 100853；5 軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所，北京 100853

腹部創(chuàng)傷是一種常見的戰(zhàn)創(chuàng)傷。在戰(zhàn)爭中，腹部創(chuàng)傷傷員占全部傷員的10% ～ 20%[1]。腹部創(chuàng)傷的常見致傷因素包括槍彈傷、爆炸傷、刺傷、高空跌落和交通事故等。根據(jù)腹壁是否受損，可將傷員分為閉合性腹部創(chuàng)傷和開放性腹部創(chuàng)傷[2]。其中，開放性腹部創(chuàng)傷由于內(nèi)臟外露常導(dǎo)致腹腔感染，嚴(yán)重者可導(dǎo)致膿毒癥[3]。因此，盡快封堵缺損的腹壁，保護(hù)腹腔臟器成為亟待解決的問題。現(xiàn)有技術(shù)可以封閉腹壁缺損，但由于腹內(nèi)壓未知，難以為醫(yī)護(hù)人員提供直接的相關(guān)信息。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，可穿戴式柔性傳感器在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用愈加廣泛。目前已經(jīng)有敷料可以檢測創(chuàng)面愈合過程中的酸堿度[4]、C反應(yīng)蛋白[5]、溫度[6]等的變化情況，因此有望通過功能性敷料解決腹內(nèi)壓監(jiān)測的問題。熱塑性聚氨酯彈性體(thermoplastic polyurethane，TPU)材料柔軟、透氣、舒適性好且具有良好的生物相容性；靜電紡絲技術(shù)制備的纖維膜透氣性好，機(jī)械性能佳[7]。因此應(yīng)用靜電紡絲技術(shù)制備TPU纖維膜柔性傳感器在創(chuàng)傷修復(fù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。本研究在柔性電容式壓力傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)上，自行研發(fā)一種適用于開放性腹部創(chuàng)傷的功能性封閉敷料，使其能夠在暫時性閉合腹腔的同時反映腹腔內(nèi)壓力，為進(jìn)一步研制智能敷料奠定基礎(chǔ)。

材料與方法

1 實驗動物 該實驗已獲得解放軍總醫(yī)院動物倫理委員會審批通過，編號SQ2021222，實驗動物購買并飼養(yǎng)于解放軍總醫(yī)院實驗動物中心。雄性新西蘭兔5只，3月齡，體質(zhì)量2.5 ～ 3.5 kg；雄性C57小鼠10只，8周齡，體質(zhì)量20 ～ 30 g。

2 主要材料與儀器 L929小鼠成纖維細(xì)胞(國家生物醫(yī)學(xué)實驗細(xì)胞資源庫)；MadLab生物信息化醫(yī)學(xué)信號采集處理系統(tǒng)(壓力讀取裝置，北京眾實科技，MadLab4c-5H)；超凈工作臺(中國，東聯(lián)哈爾)；倒置熒光顯微鏡(日本，Olympus)；紫外分光光度計 (美國，Beckman)；立式離心機(jī)(日本，Kubota)；熱塑性彈性體聚氨酯(TPU，德國巴斯夫集團(tuán))；N,N-二甲基甲酰胺(DMF，北京市通廣精細(xì)化工公司)；四氫呋喃(THF，北京市通廣精細(xì)化工公司)；紡絲機(jī)(TL-Pro，深圳通力微納有限公司)；電容測量儀(TH2618B，常州同惠電子有限公司)；拉力機(jī)(XLW-B 型，濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司)；CCK-8(Solarbio)；MEM培養(yǎng)基(Sigma)；舒泰50(北京佑寵生物科技有限公司)；殼聚糖(青島海匯生物科技有限公司)；醫(yī)用生物膠水(Vetbond Tissue Adhesive，3M公司)；醫(yī)用透明敷料(3M公司，10 cm × 12 cm)。

3 TPU靜電紡絲納米纖維膜的制備 將5 g TPU完全溶解于10 mL DMF和10 mL THF中，用注射器吸取并安裝在紡絲機(jī)上；裁取3.0 cm × 3.2 cm大小的錫紙，完全貼合在紡絲機(jī)接收輥筒；打開紡絲機(jī)熱風(fēng)箱，將熱功率調(diào)整為0.5 ～ 0.6 kW，預(yù)熱接收輥筒1 h，隨后將正極電壓調(diào)整為18 kV，負(fù)極電壓調(diào)整為-2 kV，介電層紡絲時間為3 h，支撐層紡絲時間為5 h。按照圖1組裝TPU納米纖維膜電容式壓力傳感器。將TPU納米纖維膜裁剪為面積為2.5 cm × 4.0 cm的矩形，并把碳納米管導(dǎo)電油墨緩慢倒于TPU膜表面進(jìn)行刮膜，構(gòu)成如圖1A所示電極層(黑色)。采用超聲波焊接的方式將各層進(jìn)行焊接封裝，外端兩根導(dǎo)線連接電容測量儀讀取電容值變化。新型止血殼聚糖敷料由郭希民團(tuán)隊制備并贈送于本課題組[8]，如圖1B所示。

圖1 功能性腹壁封閉敷料的制備示意圖A：TPU納米纖維膜電容式壓力傳感器制備示意圖；B：新型止血殼聚糖敷料；C：功能性腹壁封閉敷料外觀圖Fig.1 Schematic diagram for development of the functional abdominal wall sealing dressingA: Schematic diagram of TPU nanofiber membrane capacitive pressure sensor; B: Hemostatic chitosan dressing with optimized thickness; C: Appearance of the functional abdominal wall occlusive dressing

4 功能性腹壁封閉敷料的制備 通過生物膠水

將TPU納米纖維膜電容式壓力傳感器和新型止血殼聚糖敷料進(jìn)行組合(圖1C)。為增強(qiáng)該材料密閉性，我們在該敷料外層附加了一層透明敷料，面積約為10 cm × 12 cm，左右邊緣距殼聚糖敷料約2 cm，上下邊緣距殼聚糖敷料約3 cm。

5 功能性腹壁封閉敷料的物理性能檢測 1)力學(xué)性能檢測：使用拉力機(jī)對該功能性腹壁封閉敷料進(jìn)行測試。裁剪樣品條寬度為 1.5 cm，長度為10 cm，拉伸速度為25 mm/min。采用游標(biāo)卡尺對敷料中心層厚度進(jìn)行測量，選取相同厚度的無紡布作為對照組。2)體外壓力傳感性能檢測：電容式壓力傳感器的工作原理為外接施加的壓力使納米纖維膜基柔性壓力傳感器的電極層間距發(fā)生變化，從而導(dǎo)致壓力傳感器器件的電容值發(fā)生變化。壓力傳感性能測試方法：將該敷料與電容測量儀進(jìn)行連接，示數(shù)穩(wěn)定后讀取初始電容值C0；取一蓋玻片覆蓋于該器件上，用鑷子夾取砝碼，穩(wěn)定后讀取電容值C；將所測得的數(shù)據(jù)作圖，橫軸為壓力(mmHg)，縱軸為C，進(jìn)行分段擬合。

6 生物相容性檢測 根據(jù)《醫(yī)療器械生物學(xué)評價》GB/T 16886.5-2003和GB/T 16886.11-2011對該敷料進(jìn)行體外細(xì)胞毒性和全身毒性試驗。將敷料以鈷60照射滅菌后，按照6 cm2/mL的標(biāo)準(zhǔn)將所制備的敷料整體(包括殼聚糖、傳感器薄膜等)浸泡于含10%血清的MEM培養(yǎng)基和0.9%氯化鈉注射液。制備浸提液的時間為(24±2) h，溫度為(37±1)℃。1)細(xì)胞毒性試驗：對照組使用正常培養(yǎng)基，實驗組使用含10%血清的MEM培養(yǎng)基浸提液。將對數(shù)期生長的L929細(xì)胞分別制備成濃度為5 × 104/mL的細(xì)胞懸液，按照每孔100 μL加入96孔板中。分別培養(yǎng)24 h、48 h、72 h、96 h后，棄去培養(yǎng)基，加入100 μL的CCK-8工作液，繼續(xù)培養(yǎng)3 h。吸取上清液進(jìn)行分光光度檢測，于OD450進(jìn)行讀數(shù)，同時在顯微鏡下觀察兩組細(xì)胞形態(tài)。2)皮膚致敏實驗：取7周齡的C57小鼠10只，隨機(jī)分為2組。所有小鼠腹部備皮，裸露面積約2.5 cm × 2.5 cm。其中，實驗組將0.9%氯化鈉注射液浸提液均勻涂抹至小鼠腹部裸露皮膚處；對照組以0.9%氯化鈉注射液處理小鼠。分別于處理后1 h、24 h、48 h觀察小鼠皮膚變化并拍照，按照表1標(biāo)準(zhǔn)對小鼠皮膚進(jìn)行評分。3)全身毒性試驗：將0.9%氯化鈉注射液和0.9%氯化鈉注射液浸提液按50 mL/kg注入小鼠腹腔內(nèi)，于注射后24 h、48 h、72 h分別測量小鼠體質(zhì)量，并密切觀察小鼠生理狀態(tài)。

表1 皮膚致敏實驗評分標(biāo)準(zhǔn)Tab. 1 Scoring criteria for skin sensitization test

7 動物模型構(gòu)建及腹腔壓力監(jiān)測 為檢測該功能性腹壁封閉敷料反映腹腔壓力的能力，使用新西蘭兔構(gòu)建5只腹壁缺損及腹內(nèi)高壓模型(圖2)。實驗動物于術(shù)前1 d禁食水，舒泰50肌內(nèi)注射麻醉后，取仰臥位將動物固定于固定架上。于腹部中線逐層切開皮膚、皮下組織、部分腹直肌及腹膜，構(gòu)建直徑約5 cm的缺損創(chuàng)面(圖2A)。向動物腹腔內(nèi)置入可調(diào)節(jié)體積的特制水囊，以調(diào)節(jié)腹腔內(nèi)壓力，并將膀胱內(nèi)置管與壓力信號采集系統(tǒng)連接，采用經(jīng)膀胱測壓法實時監(jiān)測動物的腹腔壓力(圖2B，點1連接壓力讀取裝置，所得壓力值記為P1)。動物致傷后立刻使用功能性腹壁封閉敷料關(guān)閉腹腔，并通過向水囊中注水使動物腹腔內(nèi)壓力增高(圖2B，點2連接注射器，可向水囊中注水)。使用電容讀取裝置讀取功能性腹壁封閉敷料的電容值，并將電容值轉(zhuǎn)化為壓力(圖2B，點3連接電容讀取裝置，將轉(zhuǎn)化的壓力值記為P2)。比對P1與P2值，以驗證該敷料反映腹腔壓力的準(zhǔn)確度和敏感度。

圖2 動物模型示意圖A：構(gòu)建直徑約為5 cm的缺損創(chuàng)面；B：使用膀胱測壓法和功能性腹壁封閉敷料分別對實驗動物腹腔壓力進(jìn)行監(jiān)測Fig.2 Schematic diagram of the animal modelA: An abdominal defect wound with a diameter of about 5 cm was constructed; B: The abdominal pressure of animals was monitored using cystometry and functional abdominal wall occlusive dressing

8 統(tǒng)計學(xué)方法 使用SPSS23.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和

結(jié) 果

1 功能性腹壁封閉敷料力學(xué)性能 相較于無紡布，功能性腹壁封閉敷料的拉伸性能較好。該敷料拉伸形變可以達(dá)到200%以上(圖3)，說明其具備良好柔韌性，可以滿足極端條件下的使用需求。

圖3 功能性腹壁封閉敷料和無紡布的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of the functional abdominal occlusive dressing and the non-woven fabric

2 功能性腹壁封閉敷料壓力傳感性能 使用紡絲時間為5 h的TPU納米纖維膜作為支撐層，使用紡絲時間為3 h的TPU納米纖維膜作為介電層，并對該器件進(jìn)行壓力傳感性能測試。結(jié)果顯示，電容值隨壓力上升而上升，壓力響應(yīng)良好。使用Boltzmann方法對該曲線進(jìn)行擬合，擬合曲線如圖4所示，擬合方程：y=25.86 + -9 242.53/[1 + exp(x+ 26.55)/4.43)]，其中y為電容值(單位為pF)，x為壓力值(單位為mmHg)。

圖4 功能性腹壁封閉敷料壓力響應(yīng)曲線Fig.4 Pressure-response curve of the functional abdominal occlusive dressing

3 功能性腹壁封閉敷料生物相容性 細(xì)胞毒性實驗顯示，培養(yǎng)24 h、48 h、72 h、96 h后，實驗組與對照組吸光度值無差異(圖5)；顯微鏡下觀察可見實驗組細(xì)胞呈貼壁生長，與對照組細(xì)胞相比形態(tài)無明顯變化。皮膚致敏實驗結(jié)果顯示實驗組小鼠皮膚無水腫、無紅斑；全身毒性試驗顯示實驗組和對照組動物均無中毒癥狀。

圖5 CCK-8實驗Fig.5 Cell counting Kit-8 (CCK-8) assay

4 功能性腹壁封閉敷料腹內(nèi)壓檢測 如圖6所示，隨著水囊中液體量增加，膀胱內(nèi)壓(腹內(nèi)壓，P1)也隨之增加，腹腔壓力與水囊灌注量呈正相關(guān)。通過上述公式將電容值轉(zhuǎn)換為壓力值(P2)，P2值與水囊灌注量、P1呈正相關(guān)。對P1與P2進(jìn)行t檢驗，以判定兩組壓力數(shù)值差異是否有統(tǒng)計學(xué)意義。結(jié)果顯示，P1與P2的變化趨勢一致，兩組數(shù)據(jù)之間差異無統(tǒng)計學(xué)意義(表2)，說明該敷料可以反映實驗動物腹內(nèi)壓。

圖6 膀胱內(nèi)壓和功能性腹壁封閉敷料轉(zhuǎn)化壓力值曲線Fig.6 Bladder pressure and functional abdominal dressing conversion pressure curve

表2 膀胱內(nèi)壓與功能性腹壁封閉敷料轉(zhuǎn)化壓力值比較Tab. 2 Comparison of bladder pressure and pressure detected by the functional abdominal wall occlusive dressing

討 論

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭作戰(zhàn)環(huán)境和作戰(zhàn)模式的轉(zhuǎn)變，戰(zhàn)場傷情愈加復(fù)雜，極大地增加了現(xiàn)場救治難度。其中，由于缺少防具保護(hù)，腹部創(chuàng)傷常呈現(xiàn)出損傷面積大、傷情嚴(yán)重、死亡率高的特點[1,9]。腹部戰(zhàn)創(chuàng)傷后患者常出現(xiàn)多種危及生命的病理生理學(xué)變化，其中以失血和腹腔臟器損傷最為嚴(yán)重。

失血是穿透性腹部創(chuàng)傷最直接的致命因素，腹部主要血管和臟器的損傷是導(dǎo)致大出血的主要原因，盡早控制出血能夠顯著提高傷病員的生存率[10-11]。目前，世界各國軍隊針對止血產(chǎn)品的開發(fā)已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，相關(guān)產(chǎn)品包括纖維蛋白敷料(dry fibrin sealant dressing，DFSD)、Kaolin gauze (QuikClot Combat Gauze，QCCG；Z-Medica,USA)、Zeolite granules(QCZG；QuikClot，ZMedica，USA)、Celox Gauze(CELOX；SAM Medical Products，USA)等。但這些產(chǎn)品均不能完全滿足理想止血劑的所有特征[8]。因此，本課題組在前期工作中研發(fā)了一種新型止血材料，以應(yīng)對嚴(yán)重出血的一線急救[8]。在兔動脈致死性出血模型中，相比于QCCG、QCZG和CELOX，該新型止血材料能夠以更快的速度封堵兔股動脈，動物平均出血量明顯減少。而且止血后，該材料易于移除，從而保持創(chuàng)面的清潔，降低后續(xù)治療難度。

腹腔臟器的損傷是腹部損傷區(qū)別于其他部位損傷的特征性病變。腹部創(chuàng)傷會導(dǎo)致腹腔臟器的水腫、擴(kuò)張[12]；在開放性腹部創(chuàng)傷中，腹壁向外側(cè)收縮，腹壁順應(yīng)性下降，使腹腔容積進(jìn)一步縮小，從而導(dǎo)致腹腔內(nèi)壓升高[13]。而在戰(zhàn)場救治時，由于治療條件有限，常規(guī)暫時關(guān)閉腹腔和保護(hù)腸道的救治方法常忽略患者腹腔內(nèi)壓力變化，甚至導(dǎo)致腹內(nèi)高壓轉(zhuǎn)變?yōu)楦骨婚g隙綜合征[14]，嚴(yán)重危及傷員生命。因此，腹腔壓力實時監(jiān)測對于腹部創(chuàng)傷的患者至關(guān)重要。目前，壓力監(jiān)測的方法主要有經(jīng)膀胱測壓、經(jīng)胃測壓、經(jīng)直腸測壓、經(jīng)下腔靜脈測壓等。其中經(jīng)膀胱測壓方法簡單易行，費(fèi)用低廉，是監(jiān)測腹內(nèi)壓的首選方法[15]。何紅艷等[16]評估了膀胱測壓法在基層部隊腹部創(chuàng)傷救治中的應(yīng)用，結(jié)果顯示該方法可以準(zhǔn)確及時地反映腹部傷情變化情況，適合應(yīng)用于基層部隊腹部創(chuàng)傷救治救護(hù)。由于戰(zhàn)場條件下救治時間窗較短，且手術(shù)環(huán)境簡陋，操作不當(dāng)可能會導(dǎo)致傷員尿路感染和尿路損傷，很難及時對患者行導(dǎo)尿術(shù)[17]。因此，本研究采用柔性壓力傳感器直接從外部監(jiān)測患者腹腔壓力變化，同時采用膀胱測壓法作為動物腹腔壓力變化監(jiān)測的金標(biāo)準(zhǔn)，并將該數(shù)值用于評估柔性壓力傳感器的準(zhǔn)確度。研究結(jié)果顯示，該傳感器可以較為精準(zhǔn)地反映腹腔壓力變化，具有良好的應(yīng)用前景。

戰(zhàn)場致傷環(huán)境復(fù)雜，研究者們建立了多種動物模型以詳盡探索腹部創(chuàng)傷的生理病理學(xué)變化。其中，爆炸致傷模型、槍彈射擊致傷模型、外傷手術(shù)致傷模型應(yīng)用范圍最為廣泛[18-19]。本研究通過手術(shù)造成動物腹壁全層缺損和腹腔臟器暴露，具有致傷部位精確、可重復(fù)性好的特點。此外，本研究通過將可調(diào)節(jié)體積的水囊置入動物腹腔內(nèi)，從而模擬了因腹腔臟器水腫擴(kuò)張導(dǎo)致腹內(nèi)壓升高傷員的病理狀態(tài)。

本研究還有許多不足之處：1)該敷料通過電容值的變化反映壓力變化情況，而電容讀取裝置目前體積比較龐大，且讀取電容之后仍需要通過公式轉(zhuǎn)化為壓力值。目前本課題組正在研發(fā)便攜式讀取裝置，以期解決便攜性的問題。2)本研究中僅使用了一種動物模型對該敷料進(jìn)行驗證，后續(xù)研究中仍需要使用多種腹部創(chuàng)傷模型對該器件進(jìn)行驗證。即使存在以上不足，本研究依然首次將柔性壓力傳感器和新型止血材料應(yīng)用于腹部開放性創(chuàng)傷中，為后續(xù)腹部開放性創(chuàng)傷救治的研究工作提供了參考。

綜上所述，本研究通過將電容式壓力傳感器內(nèi)嵌于殼聚糖敷料中，實現(xiàn)了對腹內(nèi)壓的實時監(jiān)測。同時該敷料生物相容性良好，可以應(yīng)用于戰(zhàn)場條件下開放性腹部創(chuàng)傷的緊急救治。