[文献10] 壳聚糖/谷氨酸接枝环糊精衍生物温敏性水凝胶的制备及其性能研究

大家好！我是制药卓越221班（大一）的胡冉冉，今天为大家分享一篇2022年发表在Journal of Drug Delivery Science and Technology（三区，IF=5.062）上的文章，题目为《壳聚糖/环糊精-g-谷氨酸温敏性水凝胶的制备及性能研究》，通讯作者单位为河南科技大学。

传统的医用金属、聚合物、生物陶瓷及其常规材料已经不能满足现代医学发展的需要。生物材料科学与工程正面临着新的挑战和机遇。生物医学材料是指用于医疗目的的天然或人造材料，其与人体组织接触并具有某种特殊功能。它们可以执行、增强或代替因疾病和伤害而丧失的某些功能，而不是去修复有缺陷的部分。近年来，生物医用材料被广泛应用于组织工程和再生医学领域，涉及心血管材料、骨科材料、眼科材料、缓释材料、生物粘附材料、透析和超滤用膜材料等。因此，功能性或生物相容性的生物医学材料设计与开发已成为研究热点。

生物医学材料中值得关注的材料之一是水凝胶。水凝胶是一种具有三维网络结构的新型功能高分子材料。它能迅速吸收水分并达到膨胀状态，并保持此状态而不溶解。水凝胶种类繁多，功能各异。根据水凝胶对外界环境刺激的响应，可分为环境非影响水凝胶和环境影响水凝胶。环境影响水凝胶可分为pH敏感性水凝胶、电敏性水凝胶、磁敏性水凝胶和温敏性水凝胶。水凝胶因具有高载药率、高包封性和可调释放性等优点，被广泛应用于药物输送系统中。天然水凝胶具有与天然组织非常相似的生物、物理性质，具有良好的生物相容性和生物降解性。因此，它可以作为一种高效的3D细胞培养介质。此外，水凝胶可以被修饰以模拟人体的细胞外环境，这使得水凝胶在细胞培养、组织再生、药物递送等科学领域得到广泛的应用。

壳聚糖温敏水凝胶作为生物水凝胶材料的一个重要领域，可分为化学水凝胶和物理水凝胶。化学水凝胶是由壳聚糖与其他分子共价交联而形成的永久性共价交联网络体系。此外，化学水凝胶具有良好的力学性能，可能是形成的化学键更难被破坏。化学水凝胶中常用的交联剂有甲醛、戊二醛、京尼平、肝素。但这些交联剂有毒，反而限制了壳聚糖化学水凝胶的应用。物理水凝胶是基于壳聚糖与其他分子之间的相互作用而形成的，如氢键、静电作用或范德华力。并且，这些相互作用可以对外部刺激如pH或温度，诱发可逆的凝胶反应。以壳聚糖为原料制得的物理水凝胶在近中性pH值范围内稳定，在生理温度下可发生溶胶-凝胶的转变。因此，壳聚糖温敏水凝胶已广泛应用于伤口敷料、药物输送、生物印刷、组织工程细胞培养支架等生物领域。

壳聚糖是甲壳素的N-脱乙酰化产物。壳聚糖作为一种天然高分子材料，因其独特的保湿、止血、抗菌、生物相容性、生物降解性和无毒等特性而被广泛应用于生物医用材料工业。壳聚糖/甘油磷酸(CS/GP)体系制备的水凝胶在室温下呈流动状态，在人体生理温度和pH范围内形成凝胶状态。另一方面，CS/GP体系制备的水凝胶具有三维交联结构，可用于包裹药物或细胞，并为活细胞提供适宜的环境。因此，CS/GP体系制备的水凝胶已成功应用于给药系统、微创植入、细胞培养、组织工程等领域。但CS/GP水凝胶存在成胶时间长或结构疏松、原位凝胶形成控制性能差等缺点，限制了其进一步应用。

为了提高CS/GP水凝胶在药物上的缓释效果，越来越多的研究致力于通过化学交联法来提高分子间的交联度，增加交联网的稳定性。不可忽视的是，这些化学交联剂或化学反应对细胞是有毒的。β-环糊精(β-CD)是一种由7个吡喃葡萄糖单元组成的环状低聚糖，具有良好的生物相容性。它的疏水空腔能吸附一定大小和形状的疏水小分子物质或基团，形成稳定的非共价络合物。通过环糊精与各种有机和无机分子结合形成包合物，通过分子间力，如范德华力、氢键或疏水相互作用，提高了负载药物的缓释效果、安全性和生物利用度。为了扩大环糊精在水等极性溶剂中的应用范围，改善其性能，对环糊精的C2、C3、C6位羟基进行修饰。Shalaby等人将CD吡喃环2-C上的羟丙基修饰为2-羟丙基β-CD，并与药物相互作用改变药物在体内的吸收。

黄连素(BBH)是一种异喹啉生物碱，被广泛用于治疗胃肠炎、细菌性痢疾，对肺结核、猩红热、急性扁桃体炎、呼吸道感染等疾病也有一定的疗效。BBH是一种具有很强生物活性和药理活性的植物代谢物。目前，BBH因其具有抗菌、抗炎、止泻、降血糖、抗癌、调脂、抗寄生虫、杀菌等多种生化途径的抗癌活性，尤其是其促凋亡和抗炎活性而受到广泛关注。黄连素对乳腺癌和结肠癌的疗效是最有潜力的。此外，BBH具有广谱抗菌作用，可抑制金黄色葡萄球菌、溶血性链球菌、白色念珠菌、霍乱弧菌、脑膜炎球菌、痢疾志贺氏菌、伤寒杆菌、白喉杆菌的生长。但BBH水溶性差，生物利用度差，极大地限制了其临床应用。

本研究设计了壳聚糖/环糊精-g-谷氨酸/甘油磷酸酯温敏水凝胶，其表现出良好的缓释效果和抗菌性能。环糊精的疏水空腔结构可以与药物的疏水基团相互作用。用谷氨酸(Glu)对环糊精吡喃环上的6-羟基进行修饰，得到具有疏水空腔结构的高水溶性环糊精衍生物(CD-g-Glu)。将CD-g-Glu引入CS/GP体系制备水凝胶。药物被CD的疏水空腔结构包裹，可以减缓载药的释放速度。另一方面，通过CD的-OH和Glu的-COOH提高了水凝胶的交联度和生物相容性，可以更好地应用于生物医学。通过单因素实验优化了水凝胶的制备工艺，并用傅立叶变换红外光谱和扫描电子显微镜对水凝胶的表面和结构进行了表征。用粘度计测定了水凝胶在不同状态下的粘度。将天然抗菌化合物BBH负载到水凝胶中，研究水凝胶的体外释放行为。用革兰氏阴性菌(大肠杆菌)和革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌)评价水凝胶的抗菌活性。

【摘要】壳聚糖水凝胶在细胞培养和组织工程中得到了广泛的应用，但其凝胶时间长、机械强度低、抗菌性能差等缺点限制了其应用。本研究以谷氨酸(Glu)和单(6-OTS)-β-CD为原料，在碱性条件下合成了谷氨酸接枝环糊精衍生物，并用红外光谱和核磁共振氢谱对其进行了表征。以壳聚糖(CS)和环糊精接枝谷氨酸(CD-g-Glu)为原料，制备了壳聚糖/环糊精衍生物温敏水凝胶(CS/CD-g-Glu)，以改善壳聚糖基温敏水凝胶的性能。CS/CD-g-Glu水凝胶具有温度敏感性和稳定的三维网络结构。此外，载药水凝胶具有良好的缓释效果，24 h的累积释放率为57%。更重要的是，载药的CS/CD-g-Glu水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌表现出良好的抗菌活性。因此，CS/CD-g-Glu水凝胶在药物输送、组织工程、生物技术、生物医学等领域具有广阔的应用前景。

【结论】综上所述，通过物理交联的方法制备了一种新型的壳聚糖/环糊精-g-谷氨酸/甘油磷酸水凝胶体系，该体系具有良好的温度敏感性、缓释效果和抗菌活性。以谷氨酸和单-(6-OTS)-β-CD为原料，在碱性条件下反应制备了谷氨酸接枝环糊精。在冰盐浴条件下，环糊精与对甲苯磺酰氯反应制得单(6-OTS)-β-CD。通过红外光谱和核磁共振氢谱表征，证实了CD-g-Glu的成功合成。将环糊精衍生物加入CS/GP水凝胶体系中，制备了CS/Cd-g-Glu/BBH水凝胶。水凝胶对温度敏感，在37℃下可在约6min内从溶胶转变为凝胶。水凝胶的粘度随CS-CD-g-Glu浓度、CS/CD-g-Glu质量比、CS-CD-g-Glu/GP体积比的增大而增大。水凝胶的粘度在37℃以下基本不变，在37℃温育后粘度达到45Pa·s左右。CS/CD-g-Glu/BBH水凝胶具有良好的缓释效果。CS/CD-g-Glu水凝胶作为药物载体可持续释放药物BBH，24 h释放率为57%，最佳工艺参数为：CS-CD-g-Glu浓度为3.0%，CS/CD-g-Glu质量比为3.0/1.0，CS-CD-g-Glu/GP体积比为3.4/1.6。BBH/CS+CD-g-Glu的比例为1/4。以常见的革兰氏阴性菌(大肠杆菌)和革兰阳性菌(金黄色葡萄球菌)为靶菌。CS/CD-g-Glu/BBH水凝胶对大肠杆菌的最大抑菌直径为12.2 mm，对金黄色葡萄球菌的最大抑菌直径为35.5 mm。CS/CD-g-Glu/BBH水凝胶对大肠杆菌的生长抑制作用为24 h，CS/CD-g-Glu/BBH水凝胶对金黄色葡萄球菌的生长抑制作用为72 h。

引用文献：Hui Yun Zhou, Jia Nan Tong, Li Jun Ren, et al. Preparation and performance of chitosan/cyclodextrin-g-glutamic acid thermosensitive hydrogel[J]. Journal of Drug Delivery Science and Technology, 2022, 74:103504.   

DOI：10.1016/j.jddst.2022.103504