基于淀粉源碳量子点/壳聚糖/乙酰乙酰化聚乙烯醇的pH响应性纳米纤维敷料用于智能伤口监测与治疗

本研究针对慢性伤口愈合过程中pH动态变化难以实时、无创监测的临床难题，开发了一种新型智能纳米纤维伤口敷料。研究人员通过绿色水热法合成淀粉衍生的氮掺杂碳量子点(CQDs)，并将其与壳聚糖(CS)、乙酰乙酰化聚乙烯醇(AAPVA)通过静电纺丝技术构建复合纳米纤维体系。该敷料在pH 5–8范围内表现出显著的颜色和荧光双重响应特性，可通过RGB图像分析实现pH定量检测，同时具备优异的机械强度(10.0±1.2 MPa)、高溶胀率(619.4±26.8%)和良好生物相容性，为慢性伤口的智能管理和远程监控提供了创新解决方案。

　　

随着人口老龄化、糖尿病及相关并发症的日益严峻，由糖尿病足溃疡、烧伤等引起的皮肤损伤常常发展为慢性伤口。这些伤口愈合缓慢且易感染，显著影响患者生活质量并造成沉重的社会经济负担。虽然临床上的清创和敷料更换有助于控制感染，但频繁操作可能破坏新生组织、延迟愈合并增加二次感染风险。因此，开发能够无创指示伤口状态的智能伤口敷料已成为研究重点，这类敷料可实现实时监测并减少不必要的干预，最终提高患者舒适度和护理效率。

伤口愈合的不同阶段伴随着特定生物标志物的特征性变化，其中伤口微环境的pH值被广泛认为是反映组织愈合状态的关键生理参数。健康皮肤通常维持pH 4.0–6.0的弱酸性环境，而慢性伤口往往呈现弱碱性(pH > 7.0)，并在炎症、感染和修复阶段呈现动态波动。因此，实时监测伤口pH能为愈合阶段、感染风险和治疗反应提供可靠依据，为临床医生提供及时、个性化干预的关键信息。

目前多种pH响应材料已被探索用于智能伤口敷料，包括比色染料（如酚红、花青素）、荧光发射探针以及呈现pH依赖性电学变化的导电聚合物（如聚苯胺、PEDOT:PSS）。其中，碳量子点(CQDs)作为一种新型碳基荧光纳米材料，因其优异的光学稳定性、良好生物相容性和易功能化的表面化学特性，在可视化pH监测领域受到越来越多关注。多糖因其丰富的可用性、结构多样性和良好的碳化特性，成为制备生物相容性CQDs的理想碳源。淀粉是一种由葡萄糖单元通过α-1,4和α-1,6糖苷键连接的天然多糖，其高羟基含量、规则结构和大的表面积使其成为制备具有可调光学特性和高pH敏感性的CQDs的有前景前体。

然而，原始淀粉存在溶解性和稳定性有限的问题，不利于形成均匀稳定的碳化环境。相比之下，羟丙基淀粉(HPS)通过用羟丙基部分取代羟基，表现出增强的水溶性和结构稳定性，因其内部氢键减弱、亲水性增加以及扩展的三维网络结构形成，从而提供了更合适的碳源。因此，从HPS合成荧光、pH响应的CQDs符合可持续材料开发原则，并为构建无毒、高效、响应性的智能伤口监测平台提供了新途径。

先前研究已经探索了将CQDs纳入水凝胶系统用于伤口可视化pH监测。尽管水凝胶基伤口敷料具有优异的保湿性和生物相容性，但其固有的弱机械性能限制了其在动态伤口环境中的应用。相比之下，电纺纳米纤维敷料提供卓越的机械柔性、贴合性、透气性和高比表面积，更适用于满足慢性伤口管理功能性和结构完整性的双重需求。静电纺丝因其与多种聚合物体系的兼容性、精确的结构控制和低制造成本，已成为构建纳米纤维伤口敷料的理想技术。

常规静电纺丝通常使用有机溶剂，存在潜在的环境和生物安全问题，因此水基静电纺丝（绿色静电纺丝）受到越来越多关注。然而，此类纳米纤维在湿润条件下往往存在耐水性和机械强度不足的问题，使得交联成为增强其结构稳定性和功能性的有效策略。各种静电纺丝纳米纤维的交联方法已有报道，包括原位交联、溶液浸泡、气相和基于喷雾的方法，涵盖物理和化学策略。

许多研究报道了基于天然聚合物（如胶原蛋白、氧化纤维素、纤维素和壳聚糖）的静电纺丝系统，这些系统不仅利用了可再生资源的优势，还表现出优异的生物相容性和可生物降解性。壳聚糖是仅次于纤维素的第二丰富的天然线性氨基多糖，因其优异的生物相容性、无毒性和酶降解性，已广泛应用于组织修复和伤口敷料等生物医学应用，并可在环保溶剂系统（如浓乙酸水溶液）中进行高效静电纺丝。

在此基础上，研究人员引入了乙酰乙酰化聚乙烯醇(AAPVA)，这是一种无毒、环保的聚合物，具有优异的机械性能。除了改善加工性能和生物安全性外，AAPVA中的乙酰乙酰基赋予多功能反应性，能够与壳聚糖等功能聚合物形成稳定的共价交联网络，从而进一步增强纳米纤维在湿润条件下的结构完整性和机械强度。这种水基设计策略在开发结合机械鲁棒性和功能响应性的智能伤口敷料方面具有巨大潜力，特别是在湿态稳定性和生物安全性方面。

基于上述背景，本研究的目标是开发一种由CQDs、CS和AAPVA组成的新型pH响应电纺纳米纤维敷料。研究人员假设淀粉衍生的CQDs上丰富的极性官能团可赋予复合纳米纤维优异的pH敏感性，而生物相容的CS可通过席夫碱反应与AAPVA形成稳定的共价交联网络，从而增强纳米纤维在潮湿条件下的结构完整性和稳定性。

关键技术方法

研究采用绿色水热法以羟丙基淀粉为碳源合成氮掺杂碳量子点，通过静电纺丝技术将CQDs与乙酰乙酰化聚乙烯醇(AAPVA)和壳聚糖(CS)复合制备纳米纤维敷料。利用透射电镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)和动态光散射(DLS)表征CQDs的形貌和尺寸，通过X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析材料化学结构和组成。采用扫描电镜(SEM)观察纳米纤维形态，万能试验机测试力学性能，接触角测量仪评估亲水性。通过体外降解实验和溶胀测试考察材料稳定性，使用紫外-可见分光光度计和荧光光谱仪分析光学性能，并基于RGB图像分析建立pH定量检测模型。细胞毒性实验按照ISO-10993标准使用L929成纤维细胞进行评价。

3.1. CQDs的合成与表征

通过一锅水热法使用HPS作为碳前体和乙二胺作为氮源合成CQDs的过程如图1所示。TEM和AFM图像显示，所得CQDs是平均直径为2.39±0.64 nm的准球形纳米颗粒。合成的CQDs的XRD图案显示在2θ≈20°处有一个宽的衍射峰，大于石墨的(002)层间距，表明高度无序（无定形）的碳结构，这可能归因于丰富的含氧表面基团。

通过FT-IR和XPS对CQDs的化学结构进行了表征。在CQD光谱中，在~1650 cm^?1和1560 cm^?1处出现了新的吸收带，分别对应于C=O和C=C伸缩振动。1405 cm^?1处的峰归属于C-N伸缩，证实了氮相关基团的引入。全扫描谱显示在284.0、399.0和532.0 eV结合能处有特征峰，分别对应C 1s、N 1s和O 1s。这种成功的氮掺杂有望丰富CQD框架的表面状态，从而增强其光致发光性能。高分辨率C 1s谱显示了四个峰，分别对应C-C/C=C、C-O、C-N和C=O。N 1s谱揭示了三种氮构型：吡啶氮(398.90 eV)、吡咯氮(399.76 eV)和石墨氮(401.63 eV)。O 1s谱中的两个峰归因于C=O和C-O。这些结果共同证实了FTIR鉴定的官能团，并证明了氮原子成功掺入CQD结构。这些官能团的存在确保了CQDs在水介质中的优异分散性。CQD水悬浮液的平均流体动力学直径为4.3 nm，略大于TEM测量的尺寸。

3.2. CQDs的荧光特性

CQDs的光物理性质如图3所示。CQD水溶液在日光(DL)下呈透明状，而在365 nm紫外(UV)光照射下观察到明显的青蓝色荧光。UV-vis吸收光谱显示了三个特征峰。230 nm处的宽吸收带归因于sp²杂化碳核内C=C键的π-π跃迁。283 nm处的肩峰对应于与sp³杂化碳上的含氧表面官能团相关的n-π跃迁。此外，370 nm处的一个弱肩峰归因于杂原子掺杂的表面态或表面官能团n-π*跃迁产生的能量陷阱。这些吸收特征表明CQD表面上共轭碳域和氧化官能团共存。从Tauc图估算的CQDs的光学带隙(E_g)约为2.94 eV。该带隙值与365 nm激发下观察到的青蓝色荧光发射一致，表明CQDs中的电子可以很容易地被激发到导带，即使在低能量激发下也能产生强烈的光致发光。

为了进一步研究光致发光(PL)特性，记录了不同激发波长下的荧光发射光谱。当在390 nm激发时，发射峰在450 nm处最强。随着激发波长从320 nm增加到430 nm，观察到发射峰的逐渐红移，表明典型的激发依赖性行为，这表明PL过程中涉及多个发射能态或表面缺陷态。基于此，获得了3D荧光轮廓图，确认了390 nm和450 nm的最佳激发和发射波长。此外，使用CIE坐标分析了不同激发波长下发射光的颜色演变。随着激发波长从320 nm增加到430 nm，发射颜色逐渐从蓝色变为青蓝色，证实了激发依赖性荧光行为。

为了评估CQDs的光稳定性，在连续UV照射下监测了它们在水和PBS溶液中的荧光。虽然随着时间的推移观察到强度逐渐降低，但CQDs在照射3小时后仍保留了85%以上的初始荧光，表明在实际使用中具有足够的稳定性。此外，新鲜制备的样品和在环境条件下储存六个月的样品在365 nm激发下的光致发光响应没有明显差异，证实了合成的CQDs具有长期稳定性。这些结果表明，合成的CQDs具有适中的带隙能量、明显的激发依赖性荧光和优异的光稳定性，为其在pH响应、可视可追踪伤口敷料中实时监测愈合过程的应用提供了 robust 的功能基础。

3.3. 纳米纤维的制备与表征

为解决重复感染和频繁更换敷料引起的二次组织损伤问题，并促进伤口愈合以及实时监测和辅助治疗，通过静电纺丝制备了一种智能响应性CQDs/CS/AAPVA复合纳米纤维敷料。在初步优化中，确定10%(w/v) AAPVA为最合适的浓度，因为较低或较高的浓度会导致珠粒形成或不稳定喷射。对于CQDs负载，1%(w/v)在UV照射下提供均匀且强烈的荧光，而0.5%(w/v)产生微弱且不均匀的信号。关于CS分数，80:20 (CQDs/AAPVA:CS)的混合比例在粘度、导电性和可纺性之间提供了平衡，从而产生具有最小缺陷的均匀纤维。在可比条件下单独电纺CS/CQDs的尝试未能产生连续纤维，可能是由于缠结不足和电导率高。因此，采用这些优化条件用于后续支架制备。

通过SEM分析了表面形态和纤维直径分布。结果显示四组纤维直径逐渐减小：AAPVA (261.95±30.78 nm)、CQDs/AAPVA (207.46±33.24 nm)、CS/AAPVA (167.46±34.58 nm)和CQDs/CS/AAPVA (141.49±18.95 nm)。掺入来自CQDs和壳聚糖的极性官能团显著提高了静电纺丝溶液的电导率，从而增强了高压条件下的静电拉伸效应。这种改进促进了更细纳米纤维的形成，并在CQDs/CS/AAPVA组中形成了更致密、更均匀的纤维网络。因此，纤维直径逐渐减小，这与统计分析一致。

通过静态水接触角(WCA)测量评估了纳米纤维敷料的润湿性。由于纤维表面富含亲水羟基，水接触角在短时间内迅速减小，表现出明显的亲水性。这种行为有利于快速吸收伤口渗出液，并支持建立有利于伤口愈合的湿润环境。

通过FT-IR进一步探索了纳米纤维的化学结构。在CS/AAPVA和CQDs/CS/AAPVA复合纳米纤维的光谱中，观察到乙酰乙酰基C=O基团(1700–1730 cm^?1)的特征伸缩振动带发生明显位移，并在~1650和~1605 cm^?1处出现新的吸收峰，代表烯胺键的形成。这些结果表明CS的氨基与AAPVA的乙酰乙酰基之间发生了席夫碱反应。此外，CQDs与AAPVA之间的相互作用可归因于氢键，这有助于将CQDs固定在AAPVA链上， evidenced by -OH弯曲振动峰从1420 cm^?1移动到 around 1408 cm^?1。此外，观察到的-OH振动带蓝移进一步表明AAPVA、CQDs和CS之间存在氢键相互作用，表明化学和物理相互作用都有助于复合纳米纤维的稳定性和结构调制。

通过XRD表征了CS、AAPVA、CQDs/AAPVA、CS/AAPVA和CQDs/CS/AAPVA纳米纤维的晶体结构。所有样品在2θ≈20°处都表现出宽的衍射驼峰，没有观察到尖锐的结晶峰，表明主要是无定形结构。这种无定形性质主要源于AAPVA基质，重要的是，在纤维形成之前将CQDs和CS掺入静电纺丝溶液并没有破坏所得纳米纤维的无定形性质或均匀形态。无定形材料通常具有良好的柔韧性和成膜能力，这有利于生产均匀、致密和功能集成的纳米纤维敷料，特别适用于灵活和贴合伤口护理应用。

纳米纤维敷料的代表性应力-应变曲线如图5b和表S1所示。壳聚糖的掺入通过与AAPVA形成席夫碱反应形成化学交联，显著改善了机械性能。这种化学相互作用增强了链间连接性，使材料在表现出改善的延展性的同时保持足够的强度。此外，尽管掺入CQDs略微降低了极限拉伸强度，但它显著增强了纳米纤维的柔韧性和韧性。这种增强可能归因于CQDs和聚合物链之间形成了柔性氢键网络。CS/AAPVA和CQDs/AAPVA纳米纤维机械性能的比较分析揭示了CQDs和CS之间的协同效应，进一步改善了拉伸性能。所得的CQDs/CS/AAPVA复合纳米纤维表现出约10 MPa的最大拉伸强度，以及足够的柔韧性，表明优异的整体机械性能。这种柔韧性和强度特别有利于使敷料紧密贴合各种解剖表面的伤口，从而提高临床适用性。

图5c说明了纳米纤维材料在pH 7.4 PBS缓冲液中的溶胀行为。AAPVA和CQDs/AAPVA纤维分别在2小时和6小时内发生结构坍塌，无法进一步定量测量溶胀。相比之下，CS/AAPVA和CQDs/CS/AAPVA纤维表现出多阶段溶胀曲线，在~2、4、6和24小时处出现明显平台，在24小时时分别达到676.9±17.8%和619.4±26.8%，同时保持纤维完整性。24小时后CS/AAPVA和CQDs/CS/AAPVA的FTIR光谱显示O-H带发生蓝移，表明形成了新的氢键，这与更稳定的烯胺连接一起有助于逐步的网络致密化。

为了进一步评估体外降解行为，测量了纳米纤维在PBS(pH=7.4)中浸泡5天后的质量损失，如图5d所示。只有CQDs/CS/AAPVA样品的质量损失低于5%，表明CQDs和CS与AAPVA的协同相互作用产生了更致密、更稳定的纳米纤维网络。相比之下，其他样品经历了明显的崩解，仅留下大碎片作为残余质量。通过SEM分析进一步证实了这种稳定性，揭示了在第1、3和5天不同的形态演变。具体来说，AAPVA和CQDs/AAPVA由于溶胀、网络扩张和坍塌逐渐失去其纤维形态，而CS/AAPVA，尤其是CQDs/CS/AAPVA，即使在24小时后也很大程度上保留了它们的纤维结构，这与溶胀结果一致。CQDs/CS/AAPVA的卓越稳定性归因于CS与AAPVA之间的化学交联以及CQDs引入的额外物理相互作用，它们协同增强了交联密度并抑制了纤维合并。

此外，使用热重分析(TGA)评估了纳米纤维的热稳定性。所有纳米纤维样品的初始分解温度均高于200°C，表明适合生物医学应用的令人满意的耐热性。AAPVA的主要降解峰出现在~365°C，CQDs/AAPVA在~345°C，CS/AAPVA在~358°C，CQDs/CS/AAPVA在~352°C。CQDs/AAPVA较低的降解温度表明CQDs与AAPVA之间的相互作用主要是物理性的，提供界面接触但有限的热增强。相比之下，CS的引入引入了与AAPVA的部分交联，略微稳定了结构并使降解峰向上移动。总体而言，添加CQDs或CS仅引起微小变化，表明复合纳米纤维的整体热稳定性基本保持不变。

3.4. CQDs/CS/AAPVA纳米纤维的pH响应性

CQDs的pH响应荧光行为对其在伤口监测中的应用至关重要。为了评估这一特性，研究了CQDs在pH值5至8的水溶液中的光学响应。在分散体中，CQDs的荧光强度随着pH从5增加到8而显著降低，这可归因于表面官能团的去质子化。为了将这种内在行为转化为实用的敷料系统，将CQDs进一步嵌入纳米纤维基质中。

开发了一种pH响应的CQDs/CS/AAPVA纳米纤维敷料，其中CQDs均匀分布在整个基质中，确保稳定的荧光，并使该系统适用于具有中等和持续渗出液的慢性伤口。该平台在可见光和UV光下实现双模式pH可视化。视觉上，敷料随着pH增加从半透明变为不透明白色，提供了pH变化的清晰视觉线索。在UV光下，荧光颜色从淡蓝色变为青色，增强了荧光响应的视觉对比度。与分散行为相反，将CQDs嵌入CS/AAPVA纳米纤维基质内导致在UV光下随着pH升高荧光强度整体增加。这种反向趋势并非由于CQDs本身的内在响应，而是源于pH诱导的纳米纤维基质结构重排，这增强了光散射，降低了透明度，从而放大了表观荧光信号。

考虑到大多数人感知的颜色可以使用RGB颜色模型进行量化，提出了一种基于图像的pH传感系统，使用智能手机辅助采集和RGB提取来数字表示伤口pH。图6c和d显示了在可见光和UV光下pH值与相应RGB强度之间的强线性相关性。因此，在可见光（方程4）和UV照明（方程5）下构建了pH估算方程。

CQDs/CS/AAPVA纳米纤维的荧光稳定性在不同pH和潮湿条件下进行了进一步检查。当在pH 5和pH 8缓冲液中交替浸泡三个连续循环时，在同一缓冲液中记录的荧光强度表现出可忽略的变化，表明优异的可逆性。此外，将纳米纤维在PBS缓冲液(pH 7.4)中浸泡五天，肉眼未观察到荧光强度的明显变化，表明光学响应在 prolonged 潮湿环境下保持稳定。这些发现突出了PL在基于CQDs的纳米纤维中的实际相关性，因为它们实现了用于智能伤口管理的双模式、智能手机辅助传感平台，其中荧光作为伤口状态的视觉指示器。

为了进一步说明所开发纳米纤维敷料的实际相关性，与现有的智能和被动伤口敷料进行了比较，包括PVA基泡沫、凝胶和纳米纤维，以及几种商业可用敷料。结果表明，虽然报道的泡沫和凝胶表现出高溶胀率，但它们通常机械强度差，这限制了它们在潮湿伤口条件下的结构完整性。相比之下，纳米纤维系统提供了更好的机械稳定性，但通常在液体吸收上有所妥协。目前的CQDs/CS/AAPVA纳米纤维敷料有效地结合了这些优点，表现出比典型纳米纤维敷料显著更高的溶胀率，并且与水凝胶和泡沫相比显著提高了拉伸强度。尽管其溶胀率可能不超过某些水凝胶或泡沫基系统，但液体吸收和机械鲁棒性之间的整体平衡突出了材料的综合性能。与商业敷料相比，它在液体管理和机械鲁棒性之间提供了更平衡的性能，强调了其在慢性伤口护理方面的潜力。

3.5. 纳米纤维的细胞活力

细胞毒性评估对于评估伤口敷料在临床伤口管理中的适用性至关重要。本研究使用ISO 10993标准评估了AAPVA、CQDs/AAPVA、CS/AAPVA和CQDs/CS/AAPVA纳米纤维的细胞相容性。如荧光显微镜图像所示，L929成纤维细胞表现出活性成熟细胞的特征性形态特征，与在新鲜培养基中培养的细胞相当，表明良好的细胞相容性。此外，细胞代谢活性的定量分析表明，用来自AAPVA、CQDs/AAPVA、CS/AAPVA和CQDs/CS/AAPVA纳米纤维的提取物培养的成纤维细胞的相对活力分别为108.4±9.7%、109.2±6.2%、100.4±8.0%和109.1±6.8%。所有实验组中的细胞活力相对于阴性对照均超过100%，证实了所开发复合敷料的优异细胞相容性。这种增强可归因于三种聚合物组分的协同生物学效应。AAPVA由于其亲水性和反应性乙酰乙酰基有助于潮湿稳定的微环境，CS通过其阳离子生物活性促进细胞粘附和再生，而CQDs已知通过其丰富的表面官能团刺激线粒体活性和调节细胞内信号通路。

研究结论与意义

本研究成功利用淀粉作为生物质碳源，通过绿色水热法合成了氮掺杂碳量子点(CQDs)。这些CQDs被纳入包含AAPVA和CS的水性静电纺丝系统，产生了一种具有优异生物相容性和环境安全性的复合纳米纤维敷料。制备的CQDs/CS/AAPVA纳米纤维表现出强大的机械性能(拉伸强度10.0 MPa)、高溶胀能力(~619.4±26.8%)和出色的结构完整性，在PBS(pH 7.4)中5天后仍保持清晰的纤维形态，质量损失小于5%。值得注意的是，该敷料在日光和UV光下对5-8范围内的pH变化表现出高度可见和可逆的光学响应。通过移动设备集成RGB图像分析，这些pH响应的颜色和荧光变化能够实现伤口pH的无创准确定量。所开发的CQDs/CS/AAPVA纳米纤维提出了一种简便、经济且可持续的策略，用于开发能够实时监测和智能管理慢性伤口的创新伤口敷料。

该研究的重要意义在于成功将生物质衍生的碳量子点与天然聚合物结合，创建了一种多功能智能伤口敷料平台。这种敷料不仅解决了传统敷料无法实时监测伤口状态的局限，还通过优异的机械性能和溶胀特性满足了慢性伤口护理的实际需求。其pH响应特性为临床医生提供了直观的伤口状态指示，有助于及时干预和个性化治疗。此外，基于RGB图像的定量分析方法的引入，为远程医疗和家庭护理提供了技术可能性，有望显著改善慢性伤口患者的治疗效果和生活质量。该研究为开发下一代智能伤口护理产品提供了重要的理论依据和技术支撑。