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这篇综述展示了一种创新的TLMG水凝胶平台，该平台集成了茶多酚/木质素微球，实现了对不规则创面的强韧原位粘附、实时高保真电生理信号监测以及通过免疫调节促进伤口愈合的按需治疗，代表了用于可穿戴医疗系统的集成化生物电子医学的突破性进展。
柔性生物电子界面在推动现代医疗保健和人机交互方面具有巨大前景。然而，目前的生物电子界面技术仍然受限于受损组织复杂的表面条件。即使实现了紧密的组织-电极粘附，同时实现传感和治疗干预也构成了一项严峻的挑战。本研究应用液-固转化原理，开发了一种无缝的原位成型生物界面平台——TLMG水凝胶。该平台对不规则的皮肤伤口具有强韧且稳定的粘附性、增强的机械性能、实时高保真信号监测能力以及促进伤口愈合的按需治疗效果。
通过掺入茶多酚/木质素微球(TL NPs)，TLMG水凝胶有效实现了生物电子界面和生物活性界面的集成。这种原位生物界面的多重特性包括强大的原位粘附力(200 kPa)、高离子电导率(0.27 mS cm–1)和卓越的机械稳定性。其设计核心在于利用明胶的热响应性溶胶-凝胶转变来实现液-固转换，而TL NPs作为多功能交联中心，通过氢键、π–π堆积和配位作用，与明胶单元和组织表面相互作用，从而调节并稳定了强韧的、顺应组织的网络形成。此外，TL NPs的芳环结构与MXene层结合，形成了增强的界面导电模式，实现了可靠、高效和高保真的信号传输与采集。TL NPs自身的生物功能和治疗效果，能够通过缓解氧化应激、调节巨噬细胞极化以及增强血管生成来加速伤口闭合。
该系统概述、设计原理与配置旨在满足组织-设备接口的可靠建立，这需要材料特性、机械适应性结构和可扩展制造方法的协同优化。该接口必须同时确保与形态复杂伤口的顺应性粘附，同时维持生物物理安全性并最小化分层引起的信号伪影。由此，我们提出了一个与无线系统集成的原位凝胶生物界面平台，用于伤口实时肌电图监测。核心生物界面由茶多酚/木质素微球(TL NPs)、MXene纳米片和明胶(Gel)配制而成。明胶因其生物相容性、水溶性和热可逆相变机制而被选择，使其成为原位界面形成的理想基质。MXene的加入增强了导电性，而TL NPs则协同赋予了机械强度、组织粘附力和伤口愈合能力。
全面表征与电输出特性研究揭示了TLMG生物界面平台的组成依赖性机械优化。采用简便的一锅法超声辅助自组装方法合成了TL NPs。傅里叶变换红外光谱确认了TL NPs中C–O–C和C=C的振动峰。透射电子显微镜图像显示形成了平均尺寸为53 ± 6 nm的棕红色TL NPs。核磁共振氢谱分析证实了木质素和TL NPs中甲氧基和酚羟基信号峰的保留，并验证了木质素与茶多酚之间通过共价交联形成了TL NPs。流变学测量显示了温度依赖的粘弹性变化，增加TL NPs含量使转变温度从32.3°C升高至52.8°C。拉伸和抗穿刺测试表明，随着TL NPs含量增加，杨氏模量和穿刺力增强。电化学阻抗谱显示了导电率与温度的正相关关系，即使在40°C时也能保持0.29 mS cm–1的导电率。在50,000次折叠疲劳循环后，TLMG生物界面保持了稳健的电性能，电流保持率约为87%，证明了其出色的耐久性。
用于几何同步与伤口止血的原位生物界面平台通过解决传统方法的双重限制，彻底改变了组织固定方式：通过自主的儿茶酚介导粘附消除缝合引起的机械创伤，并通过动态拓扑纠缠实现完全界面顺应性。受贻贝启发的儿茶酚化学机制，涉及茶多酚/木质素纳米颗粒，与极性基底（如金属、聚合物、玻璃和皮肤）产生多价键合，实现了前所未有的无创组织-电子集成。搭接剪切测试定量评估了原位和离位TLMG水凝胶界面在不同TL NPs浓度下的粘附强度。引入TL NPs的儿茶酚基团显著增强了原位界面在皮肤上的粘附强度。标准的90度剥离测试显示，原位TLMG生物界面在多种极性基底上表现出优异的剥离能。推测其优异的原位粘附与粗糙多孔和亲水表面有关，这些表面促进了水凝胶基质的渗透并产生了广泛的物理互锁。TLMG水凝胶的强韧稳定粘附可归因于明胶的羧基和TL NPs的儿茶酚基团通过多种动态相互作用的协同效应。在干性纹理人造皮肤上测得的最高粘附强度约为200 kPa，这应被视为理想条件下的上限。在盐水湿润的猪皮上，原位TLMG生物界面仍能通过多动态相互作用形成紧密的初始接触，但随着水合作用减弱界面键合，其粘附力逐渐松弛，这有利于避免更换敷料时的二次组织损伤。这种动态键合机制相较于基于丙烯酸聚合物或氰基丙烯酸酯衍生物的化学粘合剂具有明显优势。尽管这些合成粘合剂在受控环境下初期表现出强粘结力，但其临床适用性仍受限于（1）细胞毒性单体的逐渐释放会损害组织活力；（2）刚性界面键合限制了自然组织变形。自粘附和顺应的原位界面能够实现弯曲皮肤的顺应性，从而促进生理信号的捕获。激光显微镜图像证实，原位TLMG生物界面完全适应了突起和凹槽，展现出几乎与原始非可展周期性曲线几何形状相同的图案。此外，随着基底几何复杂性的增加，原位界面粗糙度呈现一致的增长，推断原位生物界面能够完全跟随底层三维基底的微尺度轮廓，实现无缝界面连接。模量和粘附力原子力显微镜映射图证实，TLMG生物界面实现了强韧且强粘附的界面。为了揭示无缝互锁界面的潜在机制，通过原位剥离过程中的连续光学图像描绘了控制界面断裂的能量耗散过程。纳米纤丝桥接网络在初始界面分离时自发形成，建立了非线性裂纹扩展阈值以防止灾难性分层。单个纤丝的可控顺序破裂取代了整体断裂模式，避免了连续、灾难性和脆性的界面失效，实现了无残留剥离，同时保持了界面的完整性以供重复使用。这种抗断裂且顺应的粘附范式在界面完整性和生物保护之间建立了最佳平衡。此外，进行了20次连续循环和5天储存的剥离测试，以评估原位TLMG水凝胶界面的耐久性和稳定性。TLMG水凝胶在重复剥离/再粘附循环后仍保持优异的粘附力，并在储存5天后表现出稳定的粘附力，这意味着其出色的粘附耐久性。原位TLMG水凝胶生物界面平台可通过重复的溶胶-凝胶相变进行回收，其粘附力在20次回收循环中仅略有下降，提供了相较于已报道的固化后无法再活化的粘附水凝胶的竞争性特征。
值得注意的是，粘附性原位生物界面有助于有效的创伤护理：其快速止血能力减轻了急性内脏损伤中危及生命的出血，同时为加速伤口闭合建立了抗感染的再生微环境。使用SD大鼠肝脏穿孔伤模型评估止血潜力。在肝脏被刺穿后，将原位凝胶直接贴附在出血部位，立即形成物理止血屏障，而对照组未进行干预。滤纸图像显示，原位组仅见小面积血渍。相反，在对照组中观察到清晰的出血路径。止血时间的统计分析进一步证实，原位凝胶组在约16.67秒内有效止住了肝脏出血，所需时间明显少于对照组（约158.33秒）。在总失血量方面，原位凝胶组表现出显著更低的失血量（约0.08克），而对照组约为1.06克。上述结果强调，由儿茶酚基团和氢键促进的快速原位凝胶化和湿态生物粘附，实现了即时缺损填充并构建了持久的物理止血屏障，在开放性伤口中显著减少了92.5%的失血并缩短了89.5%的止血时间。通过无缺陷的顺应性接触建立的超纳米拓扑生物界面平台，从根本上解决了生物电位实时监测中慢性信号衰减的问题。通过实现与组织微结构的亚微米级拓扑互锁，这种精确接触力学超越了传统的电极-组织界面，在那里气隙和表面不规则通常导致40-60%的信号损失，从而为捕获具有临床级时间分辨率的毫秒级动作电位传播奠定了必要的机电基础。
生物相容性与抗氧化性是用于伤口愈合和生物信号传感的生物电子界面的先决条件。使用小鼠成纤维细胞评估了原位TLMG水凝胶生物界面的体外细胞相容性和血液相容性。CCK-8实验表明，TLMG凝胶的最高安全临界浓度为5 mg mL–1，在此浓度下细胞存活率保持在约96.5%。一旦浓度超过此阈值，细胞活力显著下降。活/死染色直观地观察了细胞生物相容性。对照组以及MG凝胶、TL NPs和TLMG凝胶组均呈现正常的L929细胞形态，未见明显的红色荧光细胞。用5 mg mL–1TLMG凝胶处理的细胞显示出与对照组相似的增殖趋势，证实了良好的体外细胞相容性。此外，TLMG凝胶不会引起溶血，使其适用于严重出血伤口和新发伤口。我们通过在小鼠皮下注射TLMG进一步检查了体内生物相容性和生物降解性。注射4周后，收集注射的TLMG凝胶样本和邻近组织进行组织学分析。与对照组相比，TLMG组未检测到明显的炎症浸润。值得注意的是，注射4周后几乎观察不到TLMG。表皮完全再生，皮脂腺保持完整未受损，展现出与健康皮肤组织相当的结构。主要器官的组织学评估表明，对心脏、肝脏、脾脏、肺和肾脏的细胞形态及整体结构完整性影响可忽略不计。在治疗期间及后续观察中，未发现小鼠一般健康状况或行为有显著改变。这些结果共同证实，所提出的原位生物界面平台在伤口部位作为生物电子敷料表现出合适的生物相容性。
伤口部位积累过量的活性氧会导致严重的氧化应激损伤并阻碍伤口愈合。茶多酚被认为是中和自由基和非自由基、直接对抗活性氧的有效剂。为了研究TLMG生物电子界面的活性氧清除能力，进行了DPPH自由基清除试验和细胞内活性氧清除试验。随着TL NPs浓度从5 μg mL–1增加到50 μg mL–1，平均DPPH清除率从约27.41%增加到约74.18%，当TL NPs浓度进一步增加到100 μg mL–1时，则下降至约69.02%。同样，随着TLMG浓度从0.5 mg mL–1增加到10 mg mL–1，平均DPPH清除率从约34.06%上升到约72.10%。具体而言，一旦水凝胶浓度超过5 mg mL–1，TLMG表现出与TL NPs中等量茶多酚相当的DPPH清除能力（>70%），表明凝胶化并未削弱其清除活性氧的能力。考虑到浓度对生物相容性和自由基清除特性的影响，确定后续实验中的最佳TLMG干预浓度为5 mg mL–1。此外，还研究了TLMG生物界面对细胞内活性氧的清除能力。使用H2O2在L929细胞中建立氧化损伤模型。随着H2O2浓度从1 mM增加到1.4 mM，细胞存活率逐渐从90.82%下降到36.56%。值得注意的是，1.3 mM的H2O2浓度导致L929细胞存活率为55.3%。此时，细胞易受氧化损伤但不会大量死亡。CCK-8实验也验证了其对细胞免受H2O2损伤的保护作用。添加1.3 mM H2O2后，细胞存活率降至近50%。相比之下，与TLMG共孵育后，存活率显著增加至约100%，表明TLMG可以从根本上保护细胞免受H2O2损伤。此外，通过荧光探针DCFH-DA研究了TLMG生物界面对细胞内活性氧的清除能力。用Rosup处理的L929细胞可以观察到强烈的绿色荧光信号，表明细胞内活性氧水平升高。与TL NPs和TLMG孵育后，Rosup处理细胞的绿色荧光信号明显淬灭，表明由于水凝胶中的TL NPs成分，TLMG生物界面可以有效清除细胞内活性氧。这些结果共同表明，TLMG生物界面平台可以清除细胞内和细胞外的自由基，保护细胞免受氧化环境造成的损伤，并且可以作为解决慢性伤口中过量活性氧问题的有效伤口敷料选择。
在临床前伤口模型中的验证及伤口愈合机制方面，伤口愈合经历时空程序化的阶段，包括止血、炎症和重塑，需要阶段特异性的生物电子界面。我们的TLMG生物界面平台在复杂的伤口管理中协调了快速密封以控制凝血微环境、活性氧清除与炎症调节协同作用以及血管生成-上皮化耦合的皮肤重塑。作为临床前疗效验证的一部分，利用小鼠全层皮肤缺损模型研究了原位TLMG生物电子界面在整个伤口愈合所有阶段的高度集成功能和及时治疗递送。
在此，伤口缺损分别用原位TLMG凝胶、TL NPs、MG凝胶和市售Tegaderm薄膜进行局部处理，后者作为对照组。术后3天，在TL NPs组和TLMG生物界面组观察到明显的干燥和形成的结痂，而对照组仍然显示湿润的开放性伤口。动态愈合过程的实时跟踪表明，TLMG生物界面显示出优异的伤口愈合进展，疤痕最小。定量分析进一步证实，处理10天后，TLMG生物界面组的伤口闭合率达到93.2%，超过了MG凝胶组（72.58%）和对照组（72.91%）。此外，修复区域的苏木精-伊红染色能够评估伤口愈合质量。在第14天，TLMG处理组的再生皮肤组织中观察到完整的上皮化和丰富的毛囊新生，而其他组，特别是对照组，仍显示结痂和不完全的皮肤附件再生。此外，TLMG生物界面组显示出更窄的肉芽组织宽度，进一步证实了其加速伤口闭合的能力。这些发现证实，与市售Tegaderm薄膜相比，原位TLMG生物界面疗法促进了更优的伤口愈合质量并加速了伤口愈合过程。
为了进一步阐明原位TLMG生物电子界面增强伤口愈合的机制，进行了免疫荧光染色。过量的活性氧与炎症环境和血管生成减少有关，从而阻碍伤口愈合。第3天，DHE染色结果显示，与对照组相比，TL NPs处理组和TLMG处理组伤口区域的活性氧水平显著降低，表明由于关键成分茶多酚的作用，伤口部位的抗氧化效果得到增强。值得注意的是，由于TL NPs的持续释放，TLMG凝胶界面表现出最高的氧化应激减弱效率，甚至高于单独的TL NPs。此外，为了评估原位TLMG生物电子界面的免疫调节作用，检测了再生伤口区域巨噬细胞的极化情况。所有组均表达F4/80（总巨噬细胞的标记物）。具体而言，应用的TLMG和TL NPs诱导了特别低水平的CD86（促炎M1巨噬细胞表型的标记物），分别为2.02%和4.93%，而MG凝胶组和对照组的水平分别为25.79%和28.96%。这种对比表明了TLMG凝胶生物电子界面固有的抑制炎症能力。此外，与其他组相比，TLMG处理的伤口在第14天表现出增强的微血管化，CD31+血管密度升高和α-平滑肌肌动蛋白水平更高。总体而言，对愈合组织的形态、结构和机制的综合分析证实了原位TLMG生物界面平台在伤口愈合、皮肤重塑和加速皮肤再生方面的卓越性能。这些发现共同凸显了原位TLMG凝胶界面在生物电子伤口敷料和再生医学领域有前景的临床应用。
连续高保真生理信号检测的验证方面，在动态运动背景下获得的高质量电生理信号可用于通过评估肌肉疲劳来预防损伤和有效管理健康，因此在临床诊断、康复和运动训练中具有广阔的应用前景。在此，我们设计了一种粘附性导电的MXene基水凝胶生物界面，并加入了茶多酚/木质素纳米增强剂，该界面建立了动态自适应的组织-传感器耦合，用于在生理运动期间精确采集生物电信号。为了验证功能可靠性，原位凝胶电极在大鼠模型中实现了与拓扑复杂伤口的无缝集成，在坐骨神经刺激期间捕获了同步的电生理特征。该生物界面在动态伤口表面实现了毫秒级精度的信号采集，同时保持与底层神经肌肉活动的机电同步。此外，以高信噪比成功捕获了特征波形，并且SNR随刺激电流变化的强度变化趋势相似。对波形和SNR增长趋势的仔细检查揭示了一致的模式，没有明显波动，表明原位生物界面平台在受损皮肤界面上实现了高效的信号采集。为了展示临床级保真度，原位电极在动态递增协议期间从大腿肌肉捕获了高清肌电图信号，同时皮肤张力峰值达到39.6%。时频分析显示，离位对应物存在严重的运动伪影和基线漂移，而原位生物界面在最大生物力学应力下保持了电生理完整性，验证了我们原位生物界面平台的抗疲劳优越性。
此外，基于所提出的TLMG原位凝胶生物界面平台，我们设计了各种条状和片状图案的电极，这些电极可顺应不同的解剖部位，用于皮肤实时生理监测。这些电极可以无缝应用于弯曲区域，如背部和腿部，保持与皮肤的紧密接触以实现稳定的信号采集。瞬时表面肌电图被绘制成图以可视化通道特异性信号幅度，揭示了原位电极的清晰可靠的强度分布和传播动力学。我们进一步使用由原位凝胶电极、PCB连接器和便携式无线模块组成的无线测量系统，在连续运动期间进行了原位肌电图信号测量。电极附着在股四头肌的股内侧肌上。值得注意的是，原位电极在整个运动过程中保持与皮肤的稳健和顺应性接触，从而确保清晰稳定地采集肌电图和心电图信号，没有将运动伪影引入肌电图记录或损害动态心电图评估的准确性。此外，信号基线在运动开始时为30.71 μV，运动结束时为60.54 μV，并且不同运动状态的肌电图信号可以通过其强度和幅度清楚地区分。这一结果表明电极在运动后保持完好，并且在锻炼期间未产生运动伪影。我们进一步分析了不同活动期间的心率，例如慢跑、跑步和休息，以及呼吸频率和脉搏的逐渐增加，并且在早期阶段（慢跑）、中期阶段（跑步）和后期阶段（休息）的肌电图信号的信噪比在整个持续时间内保持一致。上述信号采集表明，即使在压力加载条件下，组装好的电极也保持了其界面完整性，成功记录了整个持续时间的信号。尽管对电极施加了苛刻的机械应力，但我们确认原位电极在高负荷和高重复性运动场景中均保持顺应性接触，最小化了运动伪影并保持其性能不受损坏，从而实现了成功的长期连续信号测量。
这项研究存在一些局限性需要指出。首先，报道的约200 kPa的粘附强度是在干燥纹理基底上获得的，代表了理想条件下的上限。在水合环境中，水凝胶仍能形成顺应性接触，但随着长时间暴露于液体，界面强度逐渐降低。其次，真实伤口微环境的生物学复杂性在我们的体外实验中仅被部分捕捉。诸如局部pH值、离子组成和细菌负荷等因素被简化，它们对凝胶化、降解和信号稳定性的综合影响需要在更真实的设置中进行量化。第三，尽管与基于PEDOT:PSS的水凝胶相比，TLMG系统在运动期间提供了稳定的电生理记录，但与商用Ag/AgCl电极的比较受到几何形状、凝胶配方和接触面积差异的限制。严格匹配的基准不可行，比较依赖于文献范围和内部对照。第四，批次间重现性在导电性、粘附性和机械性能方面显示出适度的差异。然而，生物来源前体的可变性可能导致性能波动，需要在规模化制造中进行进一步评估。最后，虽然TLMG在啮齿动物模型中得到了验证，但将其转化为临床实践需要在大型动物模型和临床试验中进行系统研究，以在真实的伤口护理工作流程中建立安全性、有效性和可用性。
总而言之，这项工作提出了一种完全集成的无线智能伤口敷料系统，旨在进行高保真电生理信号监测，并同步全面管理动态伤口愈合。虽然许多先前的研究探索了个别方面，例如用于伤口愈合的原位成型电子界面或水凝胶，但我们的关键创新在于成功地将无线传感器和伤口管理集成到一个单一的生物界面平台中。主要成就包括：（1）对动态伤口进行主动且稳定的实时监测；以及（2）加速和调节整个协调有序的伤口愈合阶段序列，从止血和氧化应激到炎症和组织再生。值得注意的是，所实现的高质量伤口愈合归因于完整的上皮化、丰富的皮肤附件再生以及增强细胞增殖和招募促再生表型的免疫调节机制。这种双模式集成推动了在复杂伤口生理挑战下进行信号监测的领域，提供了一种优化且易于获取的解决方案，不仅拓宽了患者适应症，而且提升了护理标准。尽管其能力前景广阔，但当前的生物界面平台仍有改进空间。将研究扩展到大型动物模型，随后进行人体试验，将为我们初步发现提供更有力的验证，特别是在预测伤口愈合过程中的电生理信号及其在指导治疗策略中的作用方面。未来的研究还将侧重于集成机器学习和多模态传感器，例如监测血氧水平、温度和湿度的传感器，这为推进下一代个性化闭环生物电子医学提供了巨大潜力。
