综述：具有生物活性界面的智能纺织品：微生物组-电子器件融合用于先进皮肤健康管理

《Advanced Fiber Materials》：Smart Textiles with Living Interfaces: Microbiome–Electronics Integration for Advanced Skin Health Management

　　本综述系统探讨了智能纺织品与皮肤微生物组的协同整合，为个性化健康管理开辟了新范式。文章详细阐述了皮肤微生物的分布、功能机制及其与宿主相互作用，重点介绍了基于皮肤的柔性电子设备（如电子皮肤e-skin、智能伤口敷料）在监测（如pH、温度）、治疗和能量供给（如微生物燃料电池MFC）中的应用。同时，综述总结了智能纺织品的材料选择（如细菌纤维素）、结构设计（如编织、非织造）和制造技术（如静电纺丝、3D打印），并展望了微胶囊化、合成生物学、光遗传学和人工智能等创新技术推动下一代活体智能纺织品发展的潜力。

　　

人类皮肤微生物组及其作用机制

作为人体最大的器官，皮肤拥有复杂的生理结构和独特的微生物生态系统。成人皮肤表面积约1.8–2 m²，其表面分布着高达10³–10⁶ CFU/cm²的微生物。这些微生物群落的组成因皮肤部位的微环境差异（如皮脂区、潮湿区和干燥区）而显著不同。皮脂区（如面部）主要以丙酸杆菌属（Propionibacterium spp.）等亲脂性细菌为主，而潮湿区（如腋窝）则有利于葡萄球菌属（Staphylococcus spp.）和棒状杆菌属（Corynebacterium spp.）的增殖。皮肤微生态系统主要包括细菌、真菌和病毒，它们与宿主及其他物种建立复杂的共生关系。

皮肤微生物组通过四种关键机制维持皮肤健康：屏障保护、免疫调节、代谢干预和疾病预防。在屏障功能方面，共生微生物如表皮葡萄球菌（Staphylococcus epidermidis）和痤疮角质杆菌（Cutibacterium acnes）通过分泌脂酶将皮脂分解为游离脂肪酸（FFAs），使皮肤表面pH维持在4.5–5.5的酸性环境，从而抑制病原体生长。此外，共生菌通过竞争营养和空间间接抑制病原体定植。在免疫调节方面，微生物与树突状细胞、巨噬细胞和T细胞相互作用，调节炎症反应和免疫耐受。例如，表皮葡萄球菌可抑制炎症并促进对共生菌的耐受，而金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）则会引发中性粒细胞反应以清除病原体。

代谢方面，微生物通过代谢皮肤成分产生短链脂肪酸（SCFAs）等活性分子，调节皮肤细胞分化和免疫细胞功能。某些微生物还参与维生素合成和环境毒素降解，帮助皮肤抵抗氧化应激和炎症。在疾病预防方面，健康的微生物组通过分泌抗菌肽（AMPs）（如β-防御素）或刺激宿主产生抗菌分子来增强皮肤屏障。微生物失衡（如特应性皮炎AD患者中金黄色葡萄球菌过度增殖）则与多种皮肤疾病密切相关。

用于健康管理的基于皮肤的柔性电子器件

柔性传感器通过与皮肤直接或间接接触，将环境变化转化为电信号，具备轻、薄、可拉伸、高灵敏和快速响应等特性。这些设备可分为监测、治疗和能量供应三类。监测类设备如电子皮肤（e-skin）可实时检测汗液中的葡萄糖、乳酸等代谢物，或通过集成传感器阵列监测心率、体温等生理参数。例如，仿生电子皮肤通过分析汗液分泌中的氧化还原信号实现葡萄糖和乳酸的定量检测，其疏水封装技术提升了在汗液环境下的稳定性和耐久性。

治疗类设备包括微针技术，该技术通过微米级针阵穿透皮肤角质层，实现无痛药物输送或生物传感。例如，负载肠杆菌（Enterobacter aerogenes）的微针可利用其氢酶蛋白催化产生氢气，推动药物分子穿透至皮肤下1000 μm深处进行深部组织治疗。植入式设备如无线充电的神经刺激器，可通过电调节促进神经功能恢复，并实时监测组织再生参数（如局部pH、温度）。

能量供应类设备以微生物燃料电池（MFCs）为代表，其通过微生物催化反应将化学能转化为电能。MFCs可分为两类：一类利用电活性细菌（如假单胞菌Pseudomonas、地杆菌Geobacter）或光合微生物（如微藻）进行生物催化；另一类则利用酶、酶级联或线粒体等提取的生物催化剂提高电子传递效率。例如，基于铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）的纺织物MFC可产生最大功率密度1.0 μW/cm²和电流密度6.3 μA/cm²。酶燃料电池（EFCs）则利用葡萄糖氧化酶（GOx）等特异性氧化还原酶催化葡萄糖、乳酸等燃料氧化产电，为植入式设备（如心脏起搏器）供能。

智能纺织品的设计、制造与健康管理应用

智能纺织品的材料选择是其功能集成的基础，主要分为天然聚合物和合成聚合物。天然聚合物包括羊毛、丝绸、壳聚糖、胶原蛋白和纤维素等。羊毛因其独特的鳞片结构具备优异的保温性和弹性；丝绸则以其光泽、机械强度和生物相容性广泛应用于医疗纺织品；壳聚糖具有天然抗菌性和可降解性，适用于功能性涂层；胶原蛋白因其与人体组织相似的三维结构，可促进细胞修复；细菌纤维素（如木醋杆菌Gluconacetobacter xylinus合成）则因高纯度、柔韧性和生物可降解性成为理想基底。

合成聚合物如聚酯（PET）、尼龙、聚氨酯（PU）、聚乳酸（PLA）和聚己内酯（PCL）则通过改性赋予纺织品防水、抗紫外等功能。柔性基底和电极材料包括金属（如银、金）、导电聚合物（如聚苯胺、MXene、PEDOT:PSS）、碳基材料（如石墨烯、碳纳米管CNTs）和电活性材料（如压电材料PVDF）。这些材料通过编织、针织、编织和非织造等结构设计，实现传感、导电和响应驱动等功能。例如，三维（3D）纺织结构通过多层设计集成传感能力，实现压力检测和热调节；四维（4D）纺织品则利用可变形聚合物对外界刺激（如温度）作出响应，形成自适应服装。

制造技术方面，静电纺丝通过高压电场制备微纳米纤维膜，用于透气纺织品和过滤膜；3D打印通过逐层沉积导电聚合物或生物材料，制造复杂结构的智能服装；热拉伸通过加热拉伸热塑性聚合物制备功能纤维，集成电子和光学组件；表面涂层通过物理或化学吸附将功能材料（如导电墨水）附着于纺织品表面，实现传感或能量收集；刺绣则利用导电纤维将传感器直接绣于织物表面，实现健康监测和运动追踪。

智能纺织品通过与皮肤的长期密切接触，在健康管理领域展现出广泛应用前景。代表性产品包括智能手套（如非接触电压检测）、智能服装（如自供能监测）、智能伤口敷料（如慢性伤口管理）和智能绷带（如湿度压力监测）。这些纺织品集成传感、治疗和通信模块，实现生理参数实时采集、病原体过滤和个性化治疗。例如，负载有益微生物的纺织品可通过微胶囊化技术实现可控释放，调节皮肤微生物组平衡；集成光遗传学工程菌的纺织品则可通过光调控菌群活性，实现动态响应。

下一代智能纺织品的先进技术

微胶囊化技术通过将活性物质或工程微生物封装于微纳米载体中，提升其稳定性和可控释放。载体材料（如聚合物、脂质）可保护微生物免受洗涤、高温和紫外线等环境影响，并通过pH、温度或湿度响应实现智能释放。例如，工程菌封装于微型生物医学设备中，可检测体内炎症生物标志物；负载表皮葡萄球菌的微胶囊可通过竞争性抑制病原菌，降低皮肤感染风险。

合成生物学通过重构微生物基因组，使其具备感知、调节和治疗功能。工程微生物可编程化合成活性化合物（如抗菌肽、抗氧化剂），或优化电子传递路径提升MFCs效率。例如，乳酸杆菌（Lactobacillus）工程菌可感知皮肤微生物组失衡，触发抗菌剂合成以恢复稳态；木葡糖酸醋杆菌（Komagataeibacter rhaeticus）则通过基因编辑提升细菌纤维素产量，用于组织修复支架。

光遗传学结合遗传工程和光学控制，通过光敏感蛋白（如蓝光受体）精确调控微生物基因表达。例如，pDusk和pDawn系统通过蓝光调控MazEF毒素-抗毒素系统，控制生物膜生长和降解；工程大肠杆菌（Escherichia coli）光敏感生物膜可附着纺织品表面，实现汗液病原体实时检测。

人工智能通过大数据分析和机器学习优化微生物选择、纺织品设计及个性化管理。AI算法可分析微生物基因组谱，预测其最佳生长条件；结合物联网（IoT）实现实时健康监测和动态调控。例如，AI通过分析用户特定数据（如健康状况、环境因素），为医生提供皮肤特性评估和病例建议，推动精准医疗。

结论与展望

智能纺织品技术与微生物组的整合正推动纺织品向实时监测、主动治疗和自适应调控方向发展。然而，其商业化仍面临挑战：微生物在纺织品环境中的活性维持、遗传修饰微生物（GMOs）的生物安全性和伦理问题、制造成本与规模化生产的矛盾。未来研究需聚焦于先进材料选择、生物相容性优化、微生物活力长效维持及用户舒适度提升。通过安全设计标准与早期监管对话，下一代活体智能纺织品有望在精准皮肤病诊断、个性化治疗和智能健康管理领域实现突破性应用。