开发用于评估伤口敷料材料与负压伤口治疗系统兼容性的台式模型

摘要

本研究介绍了一种台式模型，旨在通过在连续和间歇压力条件下持续72小时评估压力和液体收集情况，来检验伤口敷料材料与负压伤口治疗系统的相容性。

摘要

负压伤口治疗（NPWT）系统通过在创面区域施加低于大气压的压力，促进肉芽组织形成并减轻炎症，从而加速伤口愈合。这些系统可联合使用伤口敷料以增强治疗效果；然而，敷料对NPWT设备性能的影响难以评估。本研究旨在建立一种用于评估伤口敷料材料与NPWT设备兼容性的台式组织模拟模型。本研究评估了一种基于壳聚糖的先进伤口护理装置在最大和最小治疗压力下对NPWT性能的影响。目标是利用该模型比较使用与不使用壳聚糖伤口护理装置时的压力读数和液体收集情况。该台式模型由一个连接多个压力计的塑料盒构成。将作为组织模拟物的猪腹肉片开一个圆形缺损后置入盒中。缺损处填充标准NPWT泡沫或与伤口敷料复合的泡沫。向盒内加入含牛血清的模拟体液，并在最大（-200 mmHg）或最小（-25 mmHg）压力条件下持续测试72小时。每12小时记录一次压力和液体收集数据。NPWT系统在72小时测试期间无论是否添加测试敷料均能成功维持设定压力。添加伤口敷料对液体收集量无影响。该测试盒被证实是一种有效的台式模型，因其能够在72小时测试期间保持密封并维持真空状态。该模型成功展示了其在评估伤口敷料材料与NPWT系统兼容性方面的应用价值。

引言

目前存在多种治疗手段，可用于辅助伤口的管理和愈合过程。这些治疗方法包括高级伤口敷料、生长因子、高压氧治疗、皮肤替代物以及负压伤口治疗（NPWT）¹。负压伤口治疗是指通过伤口敷料系统持续或间歇性地施加低于大气压的压力，从而在伤口表面形成负压环境。NPWT 已成为治疗急性和慢性伤口的一种常用治疗方式²。NPWT 系统由开孔泡沫材料、粘性伤口敷料、液体收集装置和吸力泵组成³。吸力泵（即真空泵）用于在伤口部位维持稳定的压力，有助于增加血流并降低感染风险⁴。NPWT 通过清除伤口中的渗出液并减轻肿胀，促进肉芽组织的形成¹。临床上，用于伤口的吸力压力范围通常为 -20 mmHg 至 -200 mmHg，其中经过最充分验证的压力值为 -125 mmHg⁵。

由于缺乏合适的台式测试模型，负压伤口治疗（NPWT）的离体（ex vivo）实验面临挑战。目前测试NPWT系统的方法包括有限元分析（FEA）计算机模拟，该方法已被用于研究NPWT对切口部位的影响⁶。其他模型包括基于琼脂的台式伤口模型，可用于测试液体吸收情况⁷。在活体（in vivo）研究中，猪模型也已被用于观察伤口愈合过程⁸。这些模型具有若干优势，例如可通过计算机轻松模拟，以理论预测伤口愈合情况，也可用于测试液体穿过模型材料时的引流效果。活体（in vivo）测试对于确定系统在活体受试者中的有效性具有决定性意义⁸。然而，这些模型也均存在局限性。计算机模拟可能无法准确反映伤口在真实情况下的愈合过程；基于琼脂的模型虽可显示液体经伤口被有效引流，但可能无法真实反映液体在组织和肌肉中被引流的情况⁷。活体（in vivo）模型成本高昂，且完成研究需要大量资源。此外，保持动物半静止状态较为困难，动物可能自行拉扯装置，从而带来干扰性结果。

需要一种用于负压伤口治疗（NPWT）的台式模型，以便利用真实组织来测试新材料在该系统中的应用效果。新模型应能反映组织和肌肉对液体收集的影响。该模型还应能够在创面床内部提供压力读数，以确定创面所承受的压力是否与真空泵提供的压力一致。此外，还可测试新型材料或装置，例如额外的伤口敷料、不同类型的泡沫材料，以及覆盖在伤口上方的不同类型的粘性敷料。

某些伤口需要额外的伤口敷料，以降低感染风险，促进愈合过程。需要额外敷料材料的另一个原因是防止伤口床表面与开孔泡沫之间发生组织长入。这种附加敷料可降低伤口床与开孔泡沫粘连的风险，从而在停止负压伤口治疗（NPWT）系统时有助于减少组织损伤和疼痛⁹。这些附加敷料可置于开孔泡沫周围，在伤口床与泡沫之间起到屏障膜的作用。已有某些材料被用作伤口床与泡沫之间的界面，例如石蜡或凡士林浸渍纱布。研究表明，石蜡作为伤口敷料具有良好的应用潜力，因其不会影响系统压力向伤口的传递⁹。然而，有报道称凡士林浸渍纱布会抑制液体收集，因此被认为不适合作为额外的敷料材料⁹。

由于壳聚糖具有抗菌作用和良好的生物相容性，基于壳聚糖的伤口敷料可作为负压伤口治疗（NPWT）过程中一种良好的附加敷料^10,11。壳聚糖是甲壳素的N-脱乙酰化衍生物，而甲壳素是一种天然多糖，存在于真菌和节肢动物中^12,13。壳聚糖对多种革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌均表现出固有的抗菌特性¹⁴。因此，壳聚糖膜在伤口治疗中得到了广泛应用，因其易于制备、保存期长，并具有天然的抗菌效果¹⁰。这些膜还表现出良好的生物相容性、可生物降解性，且无毒性¹⁰。

本研究评估了Foundation DRS（一种壳聚糖与糖胺聚糖高级伤口护理装置）与负压伤口治疗（NPWT）的生物相容性。Foundation DRS是一种可生物降解的真皮再生支架，其设计具有理想的可操作性和孔隙率，可促进伤口中细胞侵入和新生血管形成。该装置适用于多种不同类型损伤和用途的愈合过程。其预期适用范围广泛，包括压力性溃疡、糖尿病足溃疡、一度烧伤、创伤性伤口、伤口裂开以及手术切口^10,11。由于制造工艺的优势，Foundation DRS在湿润状态下不会转变为水凝胶，因此是NPWT应用中的理想选择。该装置在润湿后仍能保持开放的孔隙结构，有利于NPWT治疗过程中液体的流动^12,13。

本研究的目的是开发一种可在实验台上使用的仿生软组织模型，用于测试伤口敷料材料与负压伤口治疗（NPWT）设备的兼容性。临床上，大多数NPWT应用的压力范围为-80 mmHg至-125 mmHg⁴。为了模拟最不利的临床使用条件，本研究采用了更高和更低的压力设置（-25 mmHg和-200 mmHg）。本研究的另一项目标是确定添加壳聚糖伤口护理装置是否会影响NPWT的压力读数和液体收集效果。在NPWT过程中，液体收集受阻或压力损失可能导致伤口愈合不良和临床效果不佳。含有和不含有壳聚糖伤口护理装置的测试组在液体收集量方面应相似。各测试组在72小时内的压力读数也应相近。在临床实践中，伤口敷料通常每48至72小时更换一次，因此本研究中每个样本均测试72小时³。在测试过程中，应持续监测压力读数，以确保压力未出现下降。

方案

本研究中所用试剂和设备的详细信息见材料表。

1. 测试箱的制备

1. 取一个 3.2 杯容量的塑料容器。
2. 在容器盖的中心位置开一个直径为 2 英寸的孔。同时，在容器盖的两个角落各开一个直径为 3/8 英寸的孔，位置距离边缘密封处约 1/2 英寸。使用开孔钻头来钻孔。
   注意：图 1 展示了使用商用负压伤口治疗（NPWT）设备连接至实验室自制的台式组织模拟箱的整体测试装置示意图。该示意图说明了该箱子在实验中的使用方式。本实验所制作的箱子如 图 2 所示。
3. 在第一个 3/8 英寸的孔上，直接连接一个压力表。
   注意：该压力表用于监测测试组织外部的压力下降情况，若出现压力下降则表明组织存在泄漏。
4. 在第二个 3/8 英寸的孔中，穿过一根外径小于 3/8 英寸的小型柔性静脉输液管，使管子在盖子内侧延伸 7 英寸长。然后，将压力管连接至容器外部的低压压力表。
   注意：测试过程中，压力管被放置于创面床内。

2. 组织模拟物的制备

1. 使用市售的咸猪五花肉（以下简称组织）来模拟负压伤口治疗（NPWT）测试中的肌肉和脂肪组织。
2. 使用#21刀片手术刀在组织表面创建一个圆形伤口缺损，直径约1.5英寸，深度约0.75英寸。然后，用#21刀片手术刀在缺损两侧的脂肪层上进行开窗处理。
3. 创建伤口缺损后，擦拭组织表面以去除皮肤上的多余脂肪，随后将其浸泡于去离子水中过夜，以去除多余的盐分。

3. 测试室的装载

1. 在测试室底部填充厚度为1.5英寸的开孔泡沫，然后将组织样本置于泡沫上方。
   注意：手动将组织样本居中，使所创建的伤口缺损正好位于盖子顶部孔洞的正下方。
2. 对于实验组，将壳聚糖伤口护理装置放入伤口缺损内，使其覆盖缺损的底部和侧壁，然后用开孔泡沫填充缺损的其余部分。
3. 将连接至测试室压力计的压力管插入用于填充缺损的开孔泡沫中，确保该管放置在距伤口缺损表面约一半深度的位置。
4. 用粘性伤口敷料覆盖组织样本，然后在粘性敷料上制作一个小切口，位置正对填充伤口缺损的开孔泡沫的中心上方。
5. 将负压引流管头穿过测试室盖子，并将其放置在粘性敷料的小切口处。放置好负压引流管头后，关闭测试室盖子，以压紧粘性伤口敷料和负压引流管头，从而帮助形成密封。
6. 将500 mL的液体收集罐连接至负压泵，然后将负压引流管头连接至液体收集罐。

4. 模拟体液的制备

1. 根据 Marques 等人的方法制备模拟体液。¹⁵.
2. 通过将 8.035 g NaCl、0.355 g NaHCO₃、0.224 g K₂HPO₄·3H₂O、0.305 g MgCl₂·6H₂O、0.278 g CaCl₂、0.292 g KCl、0.071 g Na₂SO₄ 和 6.118 g C₆H₁₂O₆ 溶解于 1 L 去离子水中制备模拟体液。使用 1 M HCl 将溶液的 pH 值调节至 7.4。₃，0.225 g KCl，0.231 g K₂HPO₄3H₂O，0.311 g 的 Cl₂Mg6H₂O，0.292 g CaCl，0.072 g NaSO₄^2-，6.118 g 的 (HOCH₂)₃CNH₂，以及将39 mL 1 M HCl加入960 mL去离子水中，定容至1 L。
   注意：模拟体液的成分如表所示 表1.
3. 然后，按3:1的比例将模拟体液与牛血清混合。向终溶液中添加5%的10倍抗生素/抗真菌剂以控制微生物污染。加入牛血清及抗生素/抗真菌剂后搅拌溶液，随后置于冰箱中保存。
   注意：最终溶液将被称为完全溶液。该溶液无需保持无菌，每次检测样本前应新鲜配制。

5. 测试条件

1. 根据测试条件调整样品的真空泵设置。
   注意：测试组包括：第1组对照组（n = 3）：仅使用泡沫敷料，持续负压 -200 mmHg；第2组对照组（n = 3）：仅使用泡沫敷料，间歇性负压从 0 到 -200 mmHg；第3组（n = 3）：在泡沫敷料下方使用壳聚糖伤口护理装置，持续负压 -200 mmHg；第4组（n = 3）：在泡沫敷料下方使用壳聚糖伤口护理装置，间歇性负压从 0 到 -200 mmHg；第5组对照组（n = 3）：仅使用泡沫敷料，持续负压 -25 mmHg；第6组对照组（n = 3）：仅使用泡沫敷料，间歇性负压从 0 到 -25 mmHg；第7组（n = 3）：在泡沫敷料下方使用壳聚糖伤口护理装置，持续负压 -25 mmHg；第8组（n = 3）：在泡沫敷料下方使用壳聚糖伤口护理装置，间歇性负压从 0 到 -25 mmHg。
2. 对于最大压力测试组，将压力设定为 -200 mmHg；对于最小压力测试组，将压力设定为 -25 mmHg。然后将真空泵设置为间歇性或持续性压力模式。所有样品运行 72 小时。
   注意：持续性模式在 72 小时内持续施加压力；间歇性模式以 5/2 的比例施加压力（5 分钟加压，随后 2 分钟无压力），持续 72 小时。最大值和最小值的选择基于临床负压伤口治疗（NPWT）系统可使用的压力范围。72 小时的周期选择依据是临床上 NPWT 在更换敷料前通常使用的时间长度³。
3. 测试期间，每 12 小时记录一次压力表上的压力值以及液体收集罐中的液体量，持续 72 小时。
4. 如果观察到模拟体液的液面低于测试腔顶部的 75%，则移除次级压力表并向腔内添加完整的溶液。
   注意：样品制备和测试装置的设置可参见 图3。
5. 72 小时后，关闭真空泵，并将液体收集罐从真空喷嘴上断开。从真空泵上取下液体收集罐。
6. 从测试腔中取出组织，撕下粘性伤口敷料，然后取出开孔泡沫，观察壳聚糖伤口护理装置是否仍保持完整。若能完整取出而无破裂、撕裂或破损，则视为完整；若膜能够完全取出，轻微的撕裂或变薄可接受。

6. 统计分析

1. 使用每个测试条件下三个测试样本在测试期间每12小时记录的压力值进行统计分析。对于统计分析，每个测试条件采用三个测试样本的最终液体收集量。
   注：所有统计分析的显著性水平设定为 α = 0.05。
2. 计算每个时间点的均值和标准差（n = 3/组）。在进行统计分析前，使用Shapiro-Wilk检验对每组数据进行正态性检验（例如，-200 mmHg持续负压、-25 mmHg持续负压、-200 mmHg间歇负压和-25 mmHg间歇负压），以确定使用ANOVA还是Kruskal-Wallis检验更为合适。
3. 对在相同压力测试条件下进行实验的实验组和对照组数据进行分析（例如，-200 mmHg持续负压；-25 mmHg持续负压；-200 mmHg间歇负压或-25 mmHg间歇负压），采用双因素方差分析（two-way ANOVA）或Kruskal-Wallis检验，以膜类型和时间为主要因素。
4. 若发现统计学差异，则进行事后分析。在ANOVA分析后使用Tukey's HSD事后检验，或在Kruskal-Wallis检验后使用Dunn事后检验，以确定哪些组之间存在差异。
5. 利用对照组和实验组中每个样本的最终液体收集量，进行双尾t检验，假设方差不相等。
   注：在每个时间点对压力进行分析，以确保在整个测试期间压力无显著下降。虽然在每个时间点都观察了液体收集情况，但仅在最终时间点进行统计分析。这是因为每个组织样本的脂肪和肌肉构成不同，导致液体收集速率存在差异，因此总体液体收集量比按时间点分段的液体收集量更具分析价值。

结果

本研究的目的是开发一种使用组织模拟材料的负压伤口治疗（NPWT）台式模型，并利用该模型评估伤口敷料材料与负压伤口治疗设备的兼容性。该模型用于研究在添加伤口护理装置后，NPWT设备是否能够随时间维持设定压力。此外，该模型还用于确定在存在或不存在伤口护理装置的情况下，NPWT设备所产生的压力以及收集的液体量是否存在差异。

在72小时测试期间，针对每个对照组和实验组，计算了每个时间点的平均值±标准差压力。对每组的压力读数进行比较，以确定是否存在随时间的压力下降或压力上升。在最大和最小压力下的所有四种测试条件中，无论是对照组还是实验组，在72小时测试期间均未观察到具有统计学意义的压力变化（p > 0.7）。由于在72小时测试期间任何组均未观察到压力下降，因此添加壳聚糖膜在测试过程中未影响真空泵的性能。

在最大压力下（图4），连续测试条件下对照组与实验组的压力读数之间未见差异，但在间歇测试条件下存在差异。在连续测试条件下，实验组的压力读数（-169.6 ...

讨论

目前有一些用于负压伤口治疗（NPWT）的台式模型，但它们存在显著局限性。Loveluck 等人开发了一种有限元分析（FEA）计算机模型，用于研究 NPWT 对缝合切口部位的影响，但该模型未考虑额外的伤口敷料材料。⁶Rycerz 等人开发了基于琼脂的模型，用于评估负压伤口治疗（NPWT）期间灌注溶液在伤口中的分布情况⁷尽管琼脂为评估水溶性物质/染料在不同模型中的分布提供了介质，但它是一种简单的均质材料，无法模拟涉及肌肉和脂肪组织并接受负压伤口治疗（NPWT）的复杂异质性伤口结构。此外，这些测试仅在相对较短的时间内进行，最长不超过3.5小时，而在临床条件下，通常在更换敷料前持续使用真空负压48至72小时。³或者， 体内，可以使用猪模型，但成本较高，且在使用前需要特殊的监管和审批流程⁷目前尚无现有的台式模型能够在不同实验条件下，利用接近真实组织成分和结构来评估伤口床内相对于真空泵的液体聚集情况和压力。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
100倍抗生素/抗真菌剂	Gibco	15240062	这是用于模拟体液中的100倍抗生素/抗真菌剂
3 M KCI ACTIV.A.C 治疗系统	KCI Medical Products	VFTR006619	这是本研究中使用的真空泵。
3 M KCI InfoV.A.C 带凝胶500 mL集液瓶	eSutures.com	M8275063	这些是本研究中使用的液体收集集液瓶
3 M KCI V.A.C GranuFoam 中号敷料套装，SensaT.R.A.C	eSutures.com	M8275052	这些是带有真空接口的伤口敷料包，包含开孔泡沫材料
牛血清	Gibco	16170086	用于与模拟体液及抗生素/抗真菌剂混合
氯化钙	Fisher Scientific	C614-500	用于配制模拟体液
Excel/PowerPoint	Microsoft Office	N/A	用于进行统计分析并绘制图1的示意图
Foundation DRS Solo	BioNova Medical	N/A	这是本研究中使用的高级壳聚糖伤口护理装置。
盐酸	Fisher Scientific	SA54-1	用于配制模拟体液
氯化镁	Fisher Scientific	M33-500	用于配制模拟体液
磷酸盐缓冲液	Thermo Scientific	J62036.K3	用于将100倍抗生素/抗真菌剂稀释至10倍
氯化钾	SIGMA	P-3911	用于配制模拟体液
磷酸氢二钾	Fisher BioReagents	BP363-500	用于配制模拟体液
PRM 真空表 0 至 -10 in Hg	PRM Filtration	PGCNBTY630652J10HG	测试腔需要两个压力表
腌制猪五花肉	Hormel Food Corporations	UPC: 0003760037988	腌制猪五花肉可从Kroger购买。不能切片。最好选择脂肪较少、肌肉较多的样品。
碳酸氢钠	SIGMA	S5761-500G	用于配制模拟体液
氯化钠	Fisher Scientific	S640-500	用于配制模拟体液
硫酸钠	Fisher Scientific	BP166-100	用于配制模拟体液
三羟甲基氨基甲烷	Fisher Scientific	BP152-500	用于配制模拟体液
Tupperware Brands Corp, Kissimmee , FL	Tupperware	N/A	这是用作测试腔的盒子。