全球许多地区的人口老龄化现象日益严重，加上疾病和不愈合的慢性伤口，许多医疗系统和经济正面临威胁，因为这些情况需要频繁的常规护理。虽然慢性伤口可能听起来不如其他一些疾病严重，但它们的频繁开放为病原微生物提供了一个天然且有利的环境。伤口部位的微生物会干扰身体的自然愈合过程，导致炎症、愈合延迟和感染，如果不及时治疗，甚至可能导致截肢和死亡。以下是需要了解的关键点：
- 慢性伤口是全球范围内日益增长的挑战，特别是在老龄人口和患有糖尿病等基础疾病的人群中。
- 未治疗或管理不当的慢性伤口可能导致严重的并发症，包括感染、截肢，甚至死亡。
- 抗生素耐药性的增加限制了传统治疗方法的有效性，迫切需要替代疗法。
- 光动力疗法（PDT）是一种非侵入性的基于光的治疗方法，具有双重优势：加速伤口愈合和控制感染。
- 当前的PDT系统主要在医院使用，体积庞大，突显了便携式家用设备在慢性伤口护理中的需求。
多年来，传统的药物治疗途径一直是抗生素。然而，许多微生物现在对药物治疗产生了抗药性，因此这些治疗方法的效果正在减弱。在管理慢性伤口时，疗法需要同时针对感染和伤口愈合方面。一种新兴的替代抗生素的方法是使用光动力疗法（PDT），这是一种非侵入性技术，利用光和光敏药物治疗伤口（和其他条件）。PDT已被证明可以促进伤口愈合并保护伤口免受感染。然而，迄今为止开发的许多PDT设备都是体积庞大的系统，只能在医院内使用。对于有慢性伤口需求的患者来说，能够在家中进行治疗而无需每次伤口打开时都去医院，不仅可以节省他们的时间，还能让他们放心知道手头有治疗方法，同时也减轻了医院和整个医疗系统的负担。
开发可在家中使用的伤口愈合PDT并非易事，但研究人员现已开发出一种新的可穿戴红蓝LED（r&bLED）贴片，可以通过远程控制实现家庭治疗。
可穿戴光疗设备的兴趣日益增长
近年来，柔性、可穿戴和可适应的电子设备的发展呈指数级增长，其应用范围不仅限于医疗保健领域，还包括各种远程监测应用。可穿戴设备的关键在于，组成电子设备的活性材料非常薄，因此可以随着柔性基材（通常是聚合物）一起弯曲和拉伸。值得注意的是，量子点发光二极管（QD-LED）和微LED的使用为下一代可穿戴光疗设备开辟了新途径。这些技术提供了高发光效率和波长可调性，对于优化治疗效果至关重要。然而，成本和监管批准仍然是广泛采用的主要障碍。
材料创新：拉伸性和舒适性
最近在可穿戴技术方面的进展已经开发出了拉伸性和耐用性改进的材料，如热塑性聚氨酯（TPU），可以无缝集成到柔性设备中。TPU不仅为可穿戴设备提供了必要的机械强度，还通过适应身体轮廓增强了用户的舒适度。其在柔性光疗设备中的使用确保了更长的使用寿命和更好的可用性，尤其是在医疗保健应用中。
此外，银纳米线基互连的集成彻底改变了柔性LED设备，提供了在反复弯曲和拉伸下仍能保持优异导电性和韧性的能力。这一进展促进了能够在使用场景中保持一致性能的设备的开发，例如需要频繁重新定位的伤口护理应用。
光动力疗法应用的挑战
对于PDT应用，LED光技术也发展迅速，但尽管有广泛的兴趣，柔性LED光疗设备在家用领域的应用仍面临挑战。微LED和有机LED（OLED）作为柔性PDT设备的光源引起了广泛关注。然而，这些技术也有自己的挑战。例如，微LED尚未获得医疗应用的监管批准，因此目前不是选项。OLED是一项成熟的技术，但实现稳定的蓝色发射是一个挑战。为了克服蓝色OLED稳定性的限制，研究人员正在探索增强寿命和效率的新材料配方。一旦这些进步得到完善，它们可以为需要精确蓝色发射的应用提供可行的替代方案，特别是在柔性光疗设备中。
传统LED：当前的最佳选择
目前，传统LED是可穿戴PDT设备的最佳选择，因为它们已在美国获得FDA的医疗设备监管批准，并且在临床和家庭环境中被证明是安全的。它们还以其长寿命、高稳定性和优秀的单色性而著称。然而，迄今为止尝试制造可穿戴PDT设备的努力略显不足。使用传统LED的伤口愈合设备成功地使用红色光有效促进伤口愈合。然而，这些设备难以发出蓝色光，因此目前的PDT伤口贴片无法解决感染问题。
为了更好地了解可穿戴光动力疗法（PDT）设备的进展，下图展示了新型双波长红蓝LED（r&bLED）贴片的结构和操作。该设备集成了柔性材料，能够精确传递光线以促进伤口愈合和感染控制。其智能控制系统和与F-凝胶的兼容性使其成为家庭治疗慢性伤口的变革性解决方案。
生物相容性封装以提高安全性
在LED设备中加入生物相容性封装层解决了先前关于皮肤刺激和微生物污染的担忧。这些层通常由聚二甲基硅氧烷（PDMS）等材料组成，确保设备适合长时间使用，特别适用于家庭慢性伤口护理。
一项突破性研究强调了双波长LED贴片的使用，结合红色和蓝色光来应对伤口愈合和感染控制的双重挑战。红色光通过促进线粒体功能加速组织修复，而蓝色光有效地靶向并消除微生物生物膜。这种组合代表了光动力疗法领域的重大进展，使单一设备能够全面进行伤口护理。
新型可拉伸红蓝LED设备用于家庭PDT
为了应对现有柔性PDT贴片的不足，研究人员开发了一种可穿戴PDT设备，该设备由双波长红蓝LED（r&bLED）贴片和智能控制模块组成。该设备具有家庭使用所需的功率密度，可以提供稳定的治疗，并且足够柔软，可以在佩戴者家中提供广泛的治疗覆盖。控制模块（一个大小类似于AirPods盒子的小型遥控盒）允许用户通过手机轻松控制伤口贴片。
多层结构以实现最佳性能
贴片有多层结构，包括基材、反射层和PDMS封装层、互连、温度传感器和r&bLED芯片。整个设备设计为适应佩戴者的轮廓，以提供均匀的光线传递，而集成的温度传感器确保局部区域不会过热，从而避免治疗期间的热损伤。该设备还设计有抗菌粘附层和防水功能，确保可以长时间使用。
F-凝胶集成以增强治疗效果
贴片与一种喷雾纤维蛋白凝胶（称为F-凝胶）一起使用，其中含有对蓝色光敏感的硫代奎宁（TQ）和红色光协同作用的还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）。F-凝胶在治疗前涂在患者的皮肤上，在伤口表面形成一层薄膜。当F-凝胶涂抹在皮肤上并用r&bLED贴片照射时，它提供了抗感染和伤口愈合的功能，仅需短暂的照射时间。在治疗过程中，蓝色LED光通过生成自由基氧物种（ROS）杀死微生物并去除伤口上的生物膜，包括多药耐药的MRSA微生物，而红色LED光协同改善线粒体功能，促进伤口愈合并减少伤口炎症。F-凝胶中的NADH减少了在伤口处生成ROS可能造成的潜在损害。
将红色和蓝色光的能力结合在一个柔性伤口贴片中，再加上功能性治疗凝胶的使用，表明未来有可能为更多患者提供家庭护理，即使是有慢性疾病的患者。这种方法不仅可以在患者不适时让他们更加舒适，还可以帮助缓解世界各地不断增长的人口和老龄化人口给医疗系统带来的财务和时间负担。
结论
慢性伤口对全球医疗系统构成了重大挑战，特别是在老龄人口和患有糖尿病等基础疾病的人群中。由于抗生素耐药性的增加，传统抗生素疗法的效果正在下降，这突显了创新解决方案的迫切需求。光动力疗法（PDT）提供了一种有希望的替代方案，通过基于光的治疗结合感染控制和增强伤口愈合。
最近的进展，如双波长红蓝LED贴片与功能性凝胶（如F-凝胶）的集成，标志着重大进步。这些创新不仅解决了慢性伤口的感染和愈合问题，还设计用于家庭使用，为患者提供了更大的便利，减轻了医疗系统的负担。生物相容性材料、可拉伸设计和智能控制模块的集成，为安全、有效和便携的PDT解决方案铺平了道路。
可穿戴PDT设备为改善慢性伤口护理提供了实用方法。这些技术不仅提高了患者的结果，还展示了创新在解决复杂医疗挑战方面的力量。随着进一步的发展和采用，这些设备有望显著提高患者的生活质量，并缓解全球医疗基础设施的压力。
参考文献：
Lu M. et al., A wearable and stretchable dual-wavelength LED device for home care of chronic infected wounds, Nature Communications, 15, (2024), 9380.
作者：Liam Critchley
Liam Critchley 是一位科学作家，专门研究化学、材料科学和纳米技术如何与先进电子系统相互作用。Liam 与世界各地的媒体网站、公司和行业协会合作，至今已撰写超过900篇文章，涵盖各种内容类型和科学领域。除了写作，Liam 在纳米技术领域的专业知识和主题知识使他担任了多个顾问委员会的成员，目前的任命包括 Matter Inc. 和纳米技术世界协会的顾问委员会。Liam 还曾长期担任国家石墨烯协会顾问委员会成员，直到该协会在疫情期间解散。
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