开发一种结合 AI 辅助颜色识别的 pH 响应性负载姜黄素纳米纤维复合材料用于伤口敷料

《European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics》：Development of pH-Responsive Curcumin-Loaded nanofiber composites with AI-Assisted color recognition for wound dressing

　　

摘要

开发了一种新型 pH 响应性姜黄素负载纳米纤维复合材料，具有人工智能（AI）辅助颜色识别功能，用于治疗递送和智能视觉监测，应用于智能伤口敷料。通过结合姜黄素静电喷雾微粒（Cur/MPs）和聚己内酯/壳聚糖（PCL/CS）纳米纤维，采用涉及静电喷雾和静电纺丝的双重工艺策略，利用田口方法开发了智能伤口敷料。玉米醇溶蛋白作为生物相容性载体，以增强姜黄素稳定性并调节其缓释。姜黄素静电喷雾微粒@聚己内酯/壳聚糖（Cur/MPs@PCL/CS）纳米纤维复合材料表现出可调亲水性，超过 90% 的孔隙率，良好的细胞活力为 125.1 ± 2.0%，并且在测试的平板扩散条件下对大肠杆菌生长有明显的抑制作用，表明这些复合材料适用于生物医学敷料。姜黄素释放遵循一级动力学，具有双阶段释放，延长了生物活性。姜黄素可见的 pH 依赖性颜色变化表明其具有 pH 响应性伤口监测的潜力，并且在受控成像条件下，AI 辅助图像分类可能会减少主观解释。通过田口设计优化的 VISDEEP-C2 模型（batch = 5，epochs = 100，learning rate = 10^?4），初始准确率达到了 91.03%，在数据集扩展至 1,360 张图像后升至 99.28%。智能传感、受控药物释放和抗菌功能的协同整合使 Cur/MPs@PCL/CS 成为有前景的下一代智能伤口护理材料。该智能、生物相容性纳米复合平台通过促进可持续生物医学材料和 AI 驱动的医疗创新，为联合国可持续发展目标（SDG 3：良好健康与福祉和 SDG 9：产业、创新和基础设施）作出了贡献。

引言

姜黄素是一种从姜黄中提取的天然二酮化合物，具有可见的 pH 敏感特性，这使其在伤口监测应用中尤为宝贵。Arafa 等人 [1] 研究了由羟乙基纤维素和姜黄素制成的中性水凝胶，该水凝胶负载棉纱布并浸入不同 pH 的缓冲溶液中。该水凝胶表现出可见的颜色变化：pH ≤ 7 时为黄色，pH > 7 时为红色，表明其具有生物相容性和 pH 敏感性，适合用于追踪伤口愈合状态。此外，姜黄素的颜色变化特性有助于实时监测食品质量，因为其主导结构在不同 pH 条件下会发生变化[2]、[3]、[4]。Prakash 等人使用脱胶丝素蛋白与姜黄素溶液混合，创建了一种超疏水材料，防止伤口表面变湿，同时吸收过多渗出液并保持适当的水氧透过率 [5]。Zhou 等人旨在通过使用花青素和姜黄素掺入的膜标签来观察鸡肉新鲜度的明显反应（Zhou et al., 2021）。Xiao 等人通过将大豆分离蛋白与姜黄素混合使用姜黄素纳米胶囊，对氨和 pH 进行反应，以实时指示虾的新鲜度（Xiao et al., 2021）。Salarbashi 等人将可溶性大豆多糖与姜黄素混合，生产了一种智能膜，该膜与虾变质显示出强烈的正相关性，由于 pH 变化而出现明显的颜色变化（Salarbashi 等人，2021）。Pan 等人利用静电纺丝将黄素掺入聚己内酯（PCL）纤维中；当 pH 从 6.0 变为 9.0 时，这些纤维从黄色变为红褐色，便于人眼检测，提供关于伤口敷料状态和潜在细菌感染的信息 [6]。然而，姜黄素的应用受限于其在水解和降解环境中的不稳定性。玉米醇溶蛋白是一种可再生蛋白质，正在被研究作为姜黄素载体以克服这些挑战。它是一种可再生、玉米衍生、醇溶性蛋白，具有多种优势，包括无毒、脱脂、可生物降解和低水蒸气透过率。玉米醇溶蛋白还提供良好的生物相容性，因此正在被研究作为药物涂层或携带生物活性物质的通用载体 [7]。PCL 是另一种聚合物，具有良好的柔韧性，以及良好的生物相容性、低降解率、疏水性、热稳定性、药物渗透性、高水溶性和可加工性，使其适用于广泛的治疗技术，常用于医用材料、药物递送系统、生物医学支架、手术缝合线和人造血管 [8]、[9]。本研究旨在设计和优化一种 pH 响应性、基于姜黄素的伤口敷料，提供治疗递送和智能视觉监测。结合田口优化的姜黄素静电喷雾微粒（Cur/MPs）与 PCL/壳聚糖（CS）静电纺丝纳米纤维，并采用人工智能（AI）辅助的 VISLAB 图像识别，本研究旨在提高姜黄素稳定性和抗菌功效，并实现受控释放和基于 pH 的准确伤口评估，用于精准生物医学应用。

章节片段

材料

姜黄素（C₂₁H₂₀O₆，试剂级）和甲酸（试剂级）购自 Acros Organics。玉米醇溶蛋白（试剂级）和 PCL（试剂级，分子量 = 80,000 g/mol）购自 Sigma-Aldrich。乙醇（C₂H₆O，工业级）购自 ECHO。胰蛋白胨大豆肉汤购自 Acumedia?，大肠杆菌肉汤购自 BD Medical Technology。琼脂糖 RA 购自 Amresco。本研究使用了大肠杆菌 DH5-α 菌株。CS（试剂级，

水接触角和平衡含水率

将 Cur/MPs 混合到 PCL/CS 溶液中，通过静电纺丝创建新型智能传感器用于智能伤口敷料（Cur/MPs@PCL/CS）。这些纳米纤维的水接触角如图 2（A）所示。

CS 含量的增加降低了水接触角。不含 CS 的 Cur/MPs@PCL 水接触角为 89.94 ± 8.38°，表明其具有疏水性。含 CS 的 Cur/MPs@PCL/CS50 样品的接触角降至 57.12 ± 7.25°，表明

结论

总之，Cur/MPs@PCL/CS 纳米纤维展示了优异的姜黄素控释、抗菌特性和可靠的 pH 感知能力，突显了其在生物医学应用中的潜力。使用 VISLAB 的 AI 辅助图像分类进一步显著提高了诊断客观性，为未来传感器开发提供了多功能平台和方法学框架。在本研究中，pH 响应性姜黄素负载纳米纤维复合材料（Cur/MPs@PCL/CS）是

CRediT 作者贡献声明

Hua-Wei Chen：撰写 - 原稿，方法论。Yu-Lin Kuo：方法论。Phuong-Tran Quach-Tran：撰写 - 原稿。Lin De Jiang：方法论。Cheng-Ying Chung：方法论。Ping-Chieh Chiang：项目管理，数据管理。Yi-An Hou：方法论。Wei-Ting Chen：撰写 - 审查与编辑，方法论。

未引用参考文献

[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本文中报告的工作。

致谢

本研究部分由国家科学及技术 委员会（NSTC）在资助 NSTC 114-2622-E-197-002 下支持。

Hua-Wei Chen|Yu-Lin Kuo|Phuong-Tran Quach-Tran|Lin De Jiang|Cheng-Ying Chung|Ping-Chieh Chiang|Yi-An Hou|Wei-Ting Chen