基于N-芳基壳聚糖衍生物的阳离子生物纳米复合物的研制，用于实现可控药物释放

《Carbohydrate Polymers》：Development of a cationic bionanocomplex from N-aryl-chitosan derivatives for controlled drug release

壳聚糖衍生物制备双功能生物纳米复合物实现药物可控释放研究。采用OHCh和TMACh修饰壳聚糖形成纳米复合物，通过1H NMR证实OHCh2（98%）和TMACh5（85%）高取代度，扫描电镜显示200nm球状颗粒。复合物具有强环境敏感性，细胞毒性测试显示生物相容性良好（OHCh2>85%）。载药实验表明四环素包封率最高（69%），但释放速率差异显著： diclofenac 5小时释放62%，fluorescein 20%，tetracycline 11%。动力学模型揭示非菲克定律扩散机制。该研究为开发长效靶向药物递送系统提供新策略。

　　

萨米尔·E·埃斯奎维尔（Samir E. Esquivel）| 马蒂亚斯·雷波莱多（Matías Rebolledo）| 伊丽莎白·R·吉勒斯（Elizabeth R. Gilles）| 卡罗琳娜·戈麦斯-加埃特（Carolina Gomez-Gaete）| 维克托·H·坎波斯-雷克纳（Víctor H. Campos-Requena）| 豪尔赫·R·托莱多·阿隆索（Jorge R. Toledo Alonso）| 曼努埃尔·F·梅伦德雷斯（Manuel F. Meléndrez）| 丹尼尔·A·帕拉西奥（Daniel A. Palacio）

智利康塞普西翁大学化学科学学院聚合物系，生物基与生物启发型生物材料研究小组及功能性聚合物与环境实验室，邮编160-C

摘要

药物输送系统（DDS）通常存在溶解度低、释放不可控以及不良副作用等问题。一种替代策略是开发能够持续释放活性成分的生物纳米复合物。在本研究中，使用两种芳基修饰的壳聚糖衍生物——芳基羟基（OHCh）和芳基三甲铵（TMACh）制备了一种生物纳米复合物，用于控制释放双氯芬酸钠、荧光素钠和四环素。¹H NMR分析证实OHCh的取代度较高（约98%），而TMACh的季铵化程度为85%。形态学分析显示这些纳米复合物呈球形，粒径约为200纳米。在pH值、离子强度、温度和时间变化条件下对其胶体稳定性进行了测试，发现其对环境变化非常敏感。HCT116细胞的细胞毒性实验表明：壳聚糖和OHCh的生物相容性较高（>85%），TMACh的生物相容性中等（约75%），而TMAOHCh的细胞毒性有所增加（60–65%）。该生物纳米复合物还表现出显著的膨胀性（2小时内膨胀787%）。在药物装载方面，四环素的包封效率最高（69%），装载量也为68 mg g^?1；相比之下，双氯芬酸的释放速度最快（5小时内释放62%），其次是荧光素（20%），四环素为11%。动力学建模表明双氯芬酸和荧光素的扩散遵循非Fickian扩散规律（Korsmeyer–Peppas模型），而四环素则遵循Higuchi扩散规律。总体而言，这些结果表明芳基修饰的壳聚糖生物纳米复合物是实现持续可控药物输送的理想候选材料。

引言

药物输送系统（DDS）是一种将活性物质通过载体引入体内的方法，以实现最佳治疗效果。任何药物输送策略的主要目标都是最大化药物的效果，同时最小化其副作用（Cheng等人，2013；Tiwari等人，2012）。传统上，药物输送依赖于药物从标准剂型释放后通过生物膜的吸收。然而，这种方法存在诸多局限性，如水溶性低、作用部位选择性差、释放速度过快且不可控、生物利用时间短以及严重的副作用（Torchilin，2014；Torchilin，2018）。为此，出现了能够提供持续释放活性成分的先进输送系统。这些系统采用能够提高药物溶解度、渗透性并降低对非靶器官毒性的载体（De Jong，2008；Thomas等人，2025）。

在这一背景下，生物纳米复合物在药物研究中变得越来越重要，显示出作为可控药物释放平台的巨大潜力。生物纳米复合物是通过带相反电荷的生物聚合物之间的静电相互作用形成的纳米结构组装体，专为生物医学应用而设计（Folchman-Wagner等人，2017；Meka等人，2017）。虽然生物纳米复合物的形成机制与传统聚电解质复合物（PECs）相似，但它们在生物聚合物性质、纳米尺度、结构紧凑性以及针对药物包封和可控释放的功能设计方面存在差异（Wu等人，2020）。这些系统由带电的聚电解质（即含有可电离官能团的聚合物链）结合而成。当这些聚合物在适当的极性介质中溶解时，其官能团的部分或完全电离会产生多离子，从而形成稳定的生物纳米复合物（Cazorla-Luna等人，2021）。这种物理交织形成了紧凑且具有凝聚力的三维网络，当暴露于水介质中时，既能限制膨胀又能像海绵一样有效保留渗透的液体，从而实现药物的缓慢释放（Hartig等人，2007；Luo & Wang，2014a）。

壳聚糖（CS）是用于制备生物纳米复合物的最常用聚合物之一。这种多糖源自几丁质，由N-乙酰葡糖胺和D-葡糖胺的重复单元组成，这使得其易于通过各种官能团进行修饰（例如芳基团，Berger等人，2004）。壳聚糖是已知唯一的生物来源的高分子量阳离子聚电解质，其氨基发生质子化后带有较高的正电荷密度，并在酸性介质中具有较好的溶解性（Alsayyed等人，2024；Luo & Wang，2014b）。

多项研究报道了壳聚糖在形成带相反电荷的聚电解质复合物中的成功应用。例如，Ortiz等人制备了由羧甲基琼脂糖（CMA）和壳聚糖组成的生物复合物。通过不同比例混合CMA和壳聚糖，获得了pH敏感的CMA/CS水凝胶。双氯芬酸钠的结合效率和装载量分别为约69%和79%，在37°C和pH 6.0的条件下，72小时后通过Fickian扩散机制累计释放了67%的药物（Ortiz等人，2022）。Abidin等人开发了基于壳聚糖-聚（丙烯酸）的生物复合物，用于阴道片剂制备，结果表明该复合物提高了粉末混合物的流动性并改善了片剂的物理性能（Abidin等人，2024）。Hirokawa等人则开发了基于聚电解质（透明质酸和壳聚糖）的复合物，旨在制备用于皮肤癌治疗的生物黏附性制剂，这些复合物具有生物黏附性，表现为与黏蛋白孵育后尺寸和ζ电位的变化，以及减少经皮水分流失（Hirokawa等人，2024）。Quadrado等人通过将羧甲基淀粉（CMS）与壳聚糖聚电解质复合，制备了具有椭圆形形态和粗糙多孔表面的微粒。CMS的羧甲基基团能有效中和壳聚糖的正电荷，并提高了CMS/CS基质对牛血清白蛋白（BSA）的包封能力（Quadrado & Fajardo，2020）。

尽管在改进壳聚糖以开发输送系统方面已取得进展，但迄今为止尚未研究将芳基羟基和芳基三甲铵基团同时结合到同一生物纳米复合物中的协同效应。这种双重配置能够调节系统的离子行为，并选择性地调整其对不同电离特性药物的亲和力，这是本研究的主要创新之处。基于这些考虑，我们假设将芳基羟基和芳基三甲铵基团同时引入壳聚糖中，可以生成具有更高稳定性的双功能聚电解质。这种结构配置有望增强对阴离子和两性分子的亲和力，提高包封效率，并实现可控的非Fickian释放机制。基于上述背景，本研究旨在开发一种基于壳聚糖的生物纳米复合物，该复合物经过芳基修饰，用于在生理pH（7.4）条件下实现阴离子和两性模型的持续释放，如双氯芬酸钠、荧光素钠和四环素。这项研究不仅旨在改进高效药物释放平台的设计，还有助于理解壳聚糖的化学修饰对其形成、稳定性和行为的影响。总体而言，这项研究为开发多功能治疗系统开辟了新途径，这些系统可能在缓释疗法、局部治疗和具有不同电离特性的药物输送方面具有应用潜力。

材料

本研究使用了壳聚糖（Sigma-Aldrich），其平均粘度分子量（Mv）约为310 kDa（供应商提供的数据），粘度范围为800–2000 cP（在25°C下，1%乙酸溶液中测得，浓度为1 wt%）。该分子量值是基于粘度的平均值（Mv），而非数均分子量（Mn）或重均分子量（Mw）。鉴于壳聚糖的多分散性质，其规格……

OH-芳基（OHCh）和N-芳基（TMACh）壳聚糖衍生物的光谱表征

图2a显示了不同摩尔比下用HBA修饰的壳聚糖（OHCh）的¹H NMR光谱。随着HBA比例的增加，2.5–3.2 ppm范围内的信号强度显著增强，这些信号对应于壳聚糖主链（H2）和HBA引入的H2’质子的重叠。当Ch:HBA比例为1:2时，信号强度达到峰值，之后保持稳定。为了进行定量分析，光谱被归一化到不变的质子……

结论

本研究合成了两种壳聚糖衍生物，并对其进行了表征。这些衍生物包括芳基羟基（OHCh）和芳基三甲铵（TMACh），用于制备生物纳米复合物。通过¹H NMR光谱对不同试剂比例制备的衍生物进行表征，选出了取代度最高（OHCh约98%）和季铵化程度最高（TMACh约85%）的衍生物。形态学分析进一步证实了……

CRediT作者贡献声明

萨米尔·E·埃斯奎维尔（Samir E. Esquivel）：撰写 – 审稿与编辑，原始草稿撰写，方法学研究。 马蒂亚斯·雷波莱多（Matías Rebolledo）：研究工作。 伊丽莎白·R·吉勒斯（Elizabeth R. Gilles）：撰写 – 审稿与编辑，验证，数据分析。 卡罗琳娜·戈麦斯-加埃特（Carolina Gomez-Gaete）：撰写 – 审稿与编辑，数据分析。 豪尔赫·R·托莱多·阿隆索（Jorge R. Toledo Alonso）：撰写 – 审稿与编辑，研究工作。 曼努埃尔·F·梅伦德雷斯（Manuel F. Meléndrez）：撰写 – 审稿与编辑，数据分析。 丹尼尔·A·帕拉西奥（Daniel A. Palacio）：撰写 – 审稿与编辑，原始草稿撰写。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本研究的结果。

致谢

作者感谢智利国家研究与发展机构（ANID）提供的资助项目N° 1251578，以及康塞普西翁大学的VRID项目N°2024001235INT。萨米尔·E·埃斯奎维尔感谢康塞普西翁大学研究生院提供的博士奖学金。伊丽莎白·R·吉勒斯感谢加拿大研究主席计划（CRC-2020-00101）的支持。