پانسمان های هوشمند زخم برای بهبود زخم

برخی از زخم ها ممکن است هرگز بهبود نیابند و چالش های قابل توجهی هم برای بیماران و هم برای سیستم های مراقبت های بهداشتی ایجاد می کند. برای افراد، این زخم ها دردناک و به طور بالقوه تهدید کننده زندگی و اندام هستند.

برای ارائه مراقبت های بهداشتی، آن ها بستری طولانی مدت در بیمارستان ایجاد می کنند. مطالعه اخیر انجام شده توسط اتحاد آمریکایی سهامداران مراقبت از زخم نشان داد که هزینه های سالانه مراقبت از زخم در ایالات متحده از 28.1 میلیارد دلار تا 31.7 میلیارد دلار متغیر است و شیوع زخم‌ها احتمالاً افزایش می‌یابد (به دلیل افزایش میانگین سنی جمعیت، همراه با افزایش شیوع چاقی و دیابت). زخم های غیر التیام شونده، مانند زخم های فشاری (PUs)، زخم های پای دیابتی (DFUs) و زخم های جراحی غیر التیام یافته معمولاً به دلیل بیماری های زمینه ای مانند دیابت یا بیماری شریانی ایجاد می شوند. افراد مبتلا به دیابت و افراد مسن به ویژه مستعد ابتلا به زخم هایی هستند که به سختی التیام می یابند.

پانسمان‌های هوشمند پارامترهای زخم را با ارتباطات بی‌سیم داده‌ها در زمان واقعی ترکیب می‌کنند. مزایای عمده این جهش عظیم در مراقبت از زخم، کاهش زمان بهبود زخم و تسهیل نظارت از راه دور بر بیمار خواهد بود.
 

تصویر: سیستم حسگر بی سیم ساخته شده روی 0.15 میلی متر برد مدار چاپی انعطاف پذیر ضخیم و دو لایه.
 

چالش های زخمی که به سختی بهبود می یابند

پیچیدگی مراقبت از زخم‌هایی که به سختی التیام می‌یابند نباید دست کم گرفته شود و چالش‌ هایی که برای توسعه فناوری ایجاد می‌کند دلهره‌آور است. یک پانسمان زخم هوشمند نیازهای زیادی در زمینه های تشخیص، درمان، نظارت، کاربرد عملی و عملکرد حسگر دارد. قبل از بررسی دستگاه های جدید توسعه یافته، درک این چالش ها ضروری است.

چالش های تشخیص

هنگامی که یک بیمار با زخمی که به سختی التیام می‌یابد به پزشک مراجعه می‌کند، ابتدا باید به علت زمینه‌ای زخم و هر عامل بالقوه‌ای که فرد ممکن است داشته باشد که بر بهبود زخم تأثیر منفی می‌گذارد، رسیدگی شود. استفاده از تیم بالینی چند رشته ای برای دستیابی به نتایج بالینی خوب ضروری است. پس از ارزیابی اولیه بیمار، ارزیابی زخم اغلب با طبقه بندی بر اساس عمق از دست دادن بافت آغاز می شود.

زخم ها می توانند از سطحی تا از دست دادن بافت گسترده با قرار گرفتن در معرض استخوان و عضله متفاوت باشند. پزشک تا آنجا که ممکن است پارامترهای زخم را برای مرحله بندی دقیق زخم و همچنین برای تعیین یک برنامه درمانی مناسب در نظر می گیرد. پارامترهای زخم را می توان به سه نوع تقسیم کرد:
فیزیکی، بیولوژیکی و بیوشیمیایی. پارامترهای فیزیکی به صورت بصری ارزیابی می‌شوند و اگرچه این به تشخیص سریع کمک می‌کند، اما نکته منفی این است که این فرآیند هم ذهنی و هم کیفی است. برای مثال، اگزودای زخم ممکن است توسط یک پزشک به عنوان زرد، غلیظ و مرطوب توصیف شود، در حالیکه ممکن است دیگری همان مایع را سبز، بسیار غلیظ و نسبتاً مرطوب بداند. در نتیجه، هر یک ممکن است یک مشکل و/یا طرح درمانی متفاوت مرتبط با زخم را تشخیص دهد.

در روش دیگر، تشخیص پارامترهای بیولوژیکی و بیوشیمیایی نیاز به سواب زخم دردناک و آزمایش‌های آزمایشگاهی پرهزینه دارد. اگرچه این داده‌های کمی و عینی را ارائه می‌دهد، فرآیند طولانی دارد که تشخیص را به تاخیر می‌اندازد و تنها اندازه‌گیری ‌های یکباره را ارائه می‌دهد.

نگرانی اضافی این واقعیت است که سواب زخم روشی نامناسب برای تشخیص عفونت است، زیرا تشخیص عفونت باید بر اساس ترکیبی از تعداد باکتری ها و نشانگرهای التهابی باشد. با این حال، در جایی که عفونت در زخم وجود دارد، درمان به موقع بسیار مهم است.
 

چالش های درمان و نظارت

محافظت و جلوگیری از آلودگی خارجی زخم و در نهایت ترویج بهبود زخم برای عملکرد پانسمان مهم است. محیط مرطوب زخم برای تشویق روند بهبود کلیدی است. حفظ این محیط و نظارت بر هر تغییرات در مسیر ترمیم زخم یکی از چالش‌های اولیه است که در مراقبت از زخم با آن مواجه می‌شویم.

به عنوان مثال، افزایش دمای پوست اطراف زخم، همراه با حجم زیاد اگزودا، به احتمال زیاد نشانه عفونت است. حضور متعادل متالوپروتئینازها (MMP-2) و بسیاری از نشانگرهای زیستی دیگر نشانگر بهبود خوب زخم است، در حالیکه کمبود اکسیژن در زخم از رشد بافت جلوگیری می کند.

روش پذیرفته شده برای نظارت بر بهبود زخم، برداشتن پانسمان به منظور حذف زخم است. زخم را بازرسی کنید این می تواند برای بیمار درد ایجاد کند، ممکن است محیط بهینه زخم را مختل کند و تا 12 ساعت بهبودی را به عقب برگرداند. به طور کلی، پانسمان زخم ممکن است نیازی به تعویض روزانه نداشته باشد، برخی از آن ها برای تعویض یک یا دو بار در هفته بسته به نوع پانسمان و نیاز بیمار و زخم مناسب هستند.

با این حال، تغییر بیش از حد مکرر پانسمان به عنوان یک مشکل در عمل بالینی شناسایی شده است که عوارض مرتبط با تغییرات پانسمان زخم و افزایش هزینه‌های غیر ضروری را افزایش می‌دهد.

با تعبیه حسگرهای میکروالکترونیک و ارتباطات بی‌سیم در دستگاه‌ها یا پانسمان‌های نظارت بر زخم، پیش‌بینی می‌شود که پزشکان می‌توانند دید کمی از محیط زخم بدون ایجاد اختلال در آن داشته باشند و آن ها را قادر می‌سازد تا درمان بهینه و شخصی‌شده را تجویز کنند.
 

پارامترهای مهم در زخم

pH

اندازه گیری جهانی برای اسیدیته (pH) است و به فعالیت یون های هیدروژن در یک محلول مربوط می شود. محدوده مقیاس pH از 0 تا 14.48 است که محیط داخلی بدن انسان در pH 7 عمدتاً خنثی است، در حالیکه pH پوست از 4 تا 6.49 متغیر است، محیط اسیدی پوست هنگامی که یکپارچگی پوست شکسته می شود مختل می شود. pH نقش حیاتی در بهبود زخم ایفا می کند و به این ترتیب، اندازه گیری pH زخم می تواند برای شناسایی زخم های غیر التیام یافته در اوایل مسیر ترمیم زخم مفید باشد.

مقادیر pH نشان دهنده مراحل مختلف بهبود زخم است. به عنوان مثال، مکانیسم های ترمیم زخم در یک محیط کمی اسیدی عمل می کنند و بنابراین pH زخم در حال بهبود یا حاد در محدوده 5-6 قرار دارد. زخم‌هایی که به سختی التیام می‌یابند دارای pH در محدوده 7.15-8.90 هستند، گاهی اوقات تا pH 10 افزایش می‌یابد که تا حدی به دلیل تکثیر باکتری‌هاست. بنابراین تفاوت‌های بزرگ در pH زخم می‌تواند ایجاد کند.

هشدار زودهنگام عفونت، که pH را به یک پارامتر کلیدی در بهبود زخم و مشخص کردن آن تبدیل می کند. در حال حاضر بسیاری از حسگرها با پتانسیل تشخیص سطح pH در زخم ها در دسترس هستند.
 
 

تصویر: شماتیک عملکرد باند هوشمند بی سیم را نشان می دهد.
 

رطوبت

تشخیص رطوبت در زخم‌هایی که به سختی التیام می‌یابند می‌تواند داده‌های کمی کلیدی را برای چهار پارامتر تشخیصی ارائه دهد: حجم ترشح، سرعت ترشح زخم، اشباع پانسمان زخم و کارآیی پانسمان. یک زخم خشک یا خیلی مرطوب مانع از بهبود زخم می شود، راه حل آن شامل تغییر پانسمان های نگهدارنده رطوبت است که رطوبت را در اطراف زخم خشک نگه می دارد، یا پانسمان های سوپرجاذب که رطوبت اضافی را از زخم می گیرند.

در مورد DFU ها (زخم پا دیابتی ها)، تخلیه یک زخم مرطوب برای جلوگیری از خیساندن بیشتر بافت زخم و تخریب زخم بسیار مهم است. شاخص های اشباع پانسمان برای تعویض به موقع پانسمان های کاملاً اشباع شده، ارزیابی کارایی پانسمان و سرعت پانسمان ضروری است. میزان رطوبت ترشح شده از زخم با استفاده از روش‌هایی مانند بازرسی بصری، استفاده از نشانگرهایی مانند WoundSense و سنسورهای رطوبت تشخیص داده می‌شود. البته مشکل اصلی این است که سطح بهینه رطوبت زخم برای بهبود هنوز ناشناخته است.
 

درجه حرارت

دما نقش مهمی در عملکرد هر سیستمی در بدن ایفا می کند، به طوری که تمام عملکردهای سلولی تحت تأثیر دما هستند. این مورد در بهبود زخم نیز صادق است. اگرچه افزایش دمای زخم با التهاب مرتبط است، که به خودی خود همیشه نشانه عفونت نیست، افزایش طولانی مدت دمای بیش از 1.11 درجه سانتیگراد در زخمی که التیام نیافته است می تواند نشانگر احتمالی عفونت باکتریایی باشد و گاهی اوقات با لمس قابل تشخیص است.

از اطراف زخم عفونت به طور کلی با ترکیبی از شاخص های التهابی مانند قرمزی، تورم، درد و گرما که با لمس و بو تشخیص داده می شود، شناسایی می شود. ابزارهای غیرتهاجمی برای اندازه گیری گرمای سطح بدن شامل ترموگرافی مادون قرمز موج بلند و دوربین های مادون قرمز است، اما نظارت در زمان واقعی دمای زخم و/یا اطراف زخم بخشی از عملکرد بالینی معمول نیست. پایش مداوم دمای زخم می‌تواند در ترکیب با سایر نشانگرهای زیستی زخم، منجر به تشخیص زودهنگام عفونت شود.
 

اکسیژن رسانی زخم

اکسیژن یک تعدیل کننده کلیدی در روند بهبود زخم هاست و برای رسوب کلاژن، اپی تلیال، فیبروپلازی و مقاومت در برابر عفونت مورد نیاز است. در غیاب اکسیژن، بهبود زخم مختل می شود و هیپوکسی (کمبود اکسیژن) بافتی علت اصلی بستری طولانی مدت در بیمارستان است. فشار جزئی اکسیژن در ترشحات زخم غیر التیام‌یافته بین 5 تا 20 میلی‌متر جیوه است، در حالیکه در بافت‌های سالم حدود 30 تا 50 میلی‌متر جیوه است.

نظارت بر وضعیت اکسیژن پوست نیاز به اندازه‌گیری اکسیژن از طریق پوست دارد. روش‌ها تا به امروز شامل رنگ‌آمیزی هیستوشیمیایی با نشانگرهای هیپوکسی و تصویربرداری توموگرافی انتشار پوزیترون (PET) از نشانگرهای نشان‌دار رادیواکتیو بوده است. این روش‌ها به روش‌های تهاجمی مانند بیوپسی بافت در سمت زخم و گرم کردن پوست ملتهب نیاز دارند. مانیتورینگ غیرتهاجمی شامل پالس اکسیمتری مبتنی بر ویژگی های طیفی هموگلوبین وابسته به اکسیژن، روش های نوری با استفاده از فیلم های حسگر و تصویربرداری لومینسانس دو بعدی از اکسیژن رسانی فیزیولوژیکی زخم است.
 

اسید اوریک

اسید اوریک یک بیومارکر کلیدی زخم است و مطالعات نشان می‌دهد که افزایش اسید اوریک با شدت زخم و استرس اکسیداتیو در VLUهایی که به سختی التیام می‌یابند، ارتباط دارد که می تواند عملکرد طبیعی لیپیدها، DNA و پروتئین ها را در بهبود زخم مختل کند.

اندازه گیری مداوم این نشانگر زیستی در مایع زخم می تواند به ارزیابی بالینی مزمن شدن زخم و پاسخ به درمان کمک کند. اسید اوریک حسگرهای فشار پیزوالکتریک و خازنی تجاری موجود برای تشخیص فشار بانداژ خارجی استفاده شده است، اما ادغام آنها در پانسمان زخم هنوز مشخص نشده است. با این حال، سنسورهای فشار نوری مبتنی بر گریتینگ فیبر براگ (FBG) در حال توسعه هستند و حساسیت، دقت و ابعاد بهبود یافته آن ها را برای کاربردهای پزشکی مناسب می‌سازد.
 
تیمی در دانشگاه استرالیای جنوبی یک سیستم تله متری قابل حمل کم مصرف برای سنجش و نظارت بر وضعیت زخم ایجاد کرده اند. هدف این سیستم نظارت بر دمای زخم، فشار زیر بانداژ و رطوبت از داخل پانسمان زخم است. یک برد مدار چاپی دولایه و انعطاف پذیر با ضخامت 0.15 میلی متر شامل مدارهای دستگاه و اجزایی از جمله مدارهای رابط سفارشی، فرستنده RF ، آنتن، دستگاه Balun، مبدل 10 بیتی آنالوگ به دیجیتال (ADC) و تراشه 2.4 گیگاهرتز است.

مسائل زیست سازگاری با استفاده از پوشش پلی دی متیل سیلوکسان (PDMS) بر روی اجزای مدار در معرض بررسی قرار گرفته است. وزن دستگاه 9.74 گرم است که یک باتری قلیایی نیز دارد. حداکثر مصرف انرژی 17.4 میلی آمپر است. این دستگاه با استفاده از شناسه دستگاه انتقال به سوابق پزشکی یک بیمار خاص مرتبط است. دستگاه در یک پانسمان زخم ادغام نشده است، اما در نزدیکی آن قرار می گیرد تا سنسورهای رطوبت و دما در زیر پانسمان قرار گیرند.

خروجی سنسور رطوبت بر حسب درصد رطوبت نسبی (RH) بیان می شود، زمانی که پانسمان خیس است به 100% RH می رسد و زمانی که مایع پانسمان از سنسور دور می شود RH به 0% کاهش می یابد. سنسور فشار در زیر باندهای فشاری دو و چهار لایه قرار می گیرد. آزمایش ‌ها بر روی پای انسان نشان داد که تغییرات وضعیتی (نشستن، ایستادن، دراز کشیدن) منجر به خروجی ‌های فشار متفاوت می‌شود، با ایستادن بالاترین فشار زیر بانداژ (~45 میلی‌متر جیوه) و نشستن با پای بالا که کمترین فشار را ایجاد می‌کند (~14 میلی‌متر جیوه). در نظر گرفته شده است که این دستگاه پس از استریل کردن برای یک بیمار قابل استفاده مجدد باشد.

دانشمندان در دانشکده پزشکی هاروارد و موسسه فناوری ماساچوست (MIT) نیز بر روی دستگاه مشابهی کار کرده‌اند که به آن بانداژ هوشمند برای نظارت و درمان زخم‌هایی که به سختی التیام می‌یابند، گفته می‌شود. پارامترهای مورد سنجش و کنترل دما و pH هستند. این دستگاه دو قسمتی شامل یک وصله حسگر یکبار مصرف و یک قطعه الکترونیکی قابل استفاده مجدد است. اولی دارای دو لایه است، ضخامت آن 3 میلی متر است و دارای سنسورهای انعطاف پذیر pH و دما است. همچنین حاوی ریزدانه‌های آزادکننده دارو با گرما و یک میکروهیتر است. سنسور pH بر روی یک بستر پلی اتیلن ترفتالات (PET) ساخته شده است.

یک ماژول الکترونیکی جداشدنی شامل یک ماژول کم مصرف بلوتوث (BLE) و یک میکروکنترلر آردوینو (آردوینو، ایتالیا) است که حسگرها را کنترل می‌کند و باعث فعال شدن ریزدانه‌های حاوی دارو در پاسخ به تغییرات دما می‌شود. هنگام آزمایش، سنسور pH یک حرکت 6 میلی ولتی را در یک دوره 12 ساعته نشان داد که برای تغییرات روزانه پانسمان، ممکن است قابل قبول باشد. با این حال، پانسمان‌هایی که از راه دور کنترل می‌شوند می‌توانند تا 10 روز بدون تغییر باقی بمانند. همچنینف دانشمندان روی یک باند انعطاف پذیر بی سیم برای نظارت مداوم بر اکسیژن رسانی زخم کار می کند. کمبود اکسیژن در زخم می تواند منجر به از دست دادن بافت شود و بر بهبودی تأثیر منفی بگذارد، بنابراین نظارت بر این پارامتر برای زخم هایی که به سختی ترمیم می شوند، کلیدی است. با استفاده از قطعات الکترونیکی خارج از قفسه و یک سنسور اکسیژن سفارشی در Parylene، یک باند انعطاف پذیر و بی سیم در یک بسته واحد ساخته شد.

در این نمونه، یک باند انعطاف پذیر به صورت سه بعدی چاپ شد که حسگرها و وسایل الکترونیکی روی آن نصب شده بودند. لایه هیدروژل در تماس مستقیم با زخم است. لوازم الکترونیکی داخلی شامل یک میکروکنترلر Arduino Lilypad (Arduino، ایتالیا) و یک فرستنده بی‌سیم Xbee (Digi Xbee، ایالات متحده)، پتانسیواستات (Texas Instruments، LMP91000) و برد تقویت‌کننده جلویی (ساخته شده در آزمایشگاه) است. ارتفاع کل بسته 19 میلی متر است.

یک نسخه جایگزین شامل میکروکنترلر بلوتوث Lightblue Bean و یک جفت رادیوی بی سیم BLE  است. این دستگاه در حالت انتقال فعال 20 میلی آمپر مصرف می کند و انرژی آن توسط یک باتری سکه ای 3 ولت CR2032 با ظرفیت 225 میلی آمپر ساعت تامین می شود. پچ الکترونیکی قابل استفاده مجدد است اما پچ سنسور یک بار مصرف در نظر گرفته شده است. دما و pH همچنین توسط یک بانداژ هوشمند با اتصال بی سیم برای نظارت نوری pH کنترل می شود.

مجموعه دو قسمتی شامل یک کاوشگر اپتوالکترونیک است که به یک پلت فرم شناسایی RF بی سیم (RFID) متصل است. پلتفرم RFID شامل یک مدار مجتمع و سنسور دما است. مجموعه پروب شامل یک LED و فتودیود است که بر روی یک تخته سفت و سخت FR4 جداگانه قرار گرفته است.

یک فیلم حساس به pH (15×15 میلی‌متر مربع) روی یک پانسمان زخم تجاری چاپ می‌شود و هنگامی که pH مایع پانسمان از اسیدی به بازی تغییر می‌کند، رنگ آن از زرد به بنفش تغییر می‌کند. تغییر رنگ ناشی از pH ذرات سلولز با پیوند کووالانسی GJM-534 (رنگ نشانگر pH) اندازه‌گیری شده و نتایج به یک واحد راه دور ارسال می‌شود.
 

تصویر: مدل سه بعدی بانداژ هوشمند
 
منبع: سوزان کالاقان، University College Cork, Ireland