《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Multi-Stimuli Responsive Supramolecular Chitosan Nanogels via Polyaniline/β-Cyclodextrin Host–Guest Assembly for Controlled Drug Delivery
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pH-响应、电活性、近红外响应的壳聚糖-聚苯胺共价水凝胶通过主客体相互作用制备，实现多刺激精准药物递送。
Sahar Afif|Hossein Abdollahi-Esfahlani|Zihni Onur ?al??kaner|Floria Adeli|Atakan Meran|Farhang Abbasi
伊朗大不里士萨汉德理工大学聚合物材料研究所，邮政编码：5331817634
摘要
掺杂聚苯胺（PANI）的刺激响应性壳聚糖（CS）纳米凝胶具有生物相容性、近红外（NIR）响应性光热加热和电活性功能。这些纳米凝胶在NIR照射下能够快速、可重复地升温，并具有PANI的可逆氧化还原行为和可调导电性。在微酸性环境中（如病变部位），壳聚糖网络能够提供明确的pH响应性释放特性，从而实现多触发控制药物释放系统。整合了电活性、光热性和pH依赖性的多刺激响应性纳米凝胶为精准药物输送提供了强大平台。在本研究中，我们报道了一种新型pH响应性、电活性和光热性的超分子纳米凝胶（SNG）的制备方法，该凝胶通过β-环糊精接枝壳聚糖（CS-g-CD）和聚苯胺接枝壳聚糖（CS-g-PANI）之间的主客体相互作用形成。地塞米松（DEX）的封装实现了6.8%的药物负载量和68%的包封效率，同时保持了有利于增强渗透性和保留能力的纳米级直径（约30纳米）。场发射扫描电子显微镜和pH扫描动态光散射表征证实了SNG的pH响应性。在模拟肿瘤环境的酸性条件下，纳米凝胶的快速解体触发了治疗载体的位点特异性释放。此外，SNG对外部NIR照射表现出强烈的光热响应，通过PANI链有效产生热量，促进基质软化并加速药物扩散。电活性的PANI结构域实现了可逆的氧化还原转换，通过氧化还原调控提供了另一种外部控制的释放方式。所得SNG在水介质中表现出均匀的流体动力学尺寸，并具有明显的多刺激响应性，包括pH触发释放（pH 4.5时约80%，pH 7.4时约20%）、强NIR诱导的光热激活（pH 4.5时药物释放约90%）以及在施加电场下的氧化还原控制释放（pH 4.5时约92%）。这些结果证实，将主客体组装与导电聚合物结合可产生具有精准治疗应用潜力的多响应系统。
引言
过去几十年中，大量研究致力于先进的纳米医学，特别是设计高效的聚合物系统，以实现治疗剂在人体特定部位的精准靶向和可控释放。在各种纳米平台中，聚合物纳米凝胶（NGs）是一类由交联聚合物网络组成的纳米级系统[1]。聚合物NGs是很有前景的药物输送载体，可以增强治疗效果、减少副作用，并提高作用部位的靶向药物和基因浓度。这种潜力源于其高生物相容性、高水分含量、可调的化学和物理性质，以及响应特定生理刺激（如pH值、氧化还原条件、温度[2]、电活性[3]和光热效应[4]的能力。对于NG的制备，可以采用共价和非共价交联方法分别获得刚性和柔性NGs[5]。共价交联NG的一个常见挑战是使用有毒交联剂，这可能会引发生物相容性问题[6]。此外，这些NGs可能在到达目标部位之前就释放其负载物[7]。另一方面，超分子纳米凝胶（SNGs）依赖于非共价交联，展现出独特的物理化学和生物学性质，包括对环境变化的可逆响应，使其成为可控输送的有吸引力的选择[8]、[9]。
在各种超分子复合物中，主客体相互作用（尤其是氢键和π-π堆叠）在纳米医学中引起了广泛关注，因为它们有助于解决高效和安全输送抗炎药物的挑战。β-环糊精（β-CD）作为主分子，由于其截锥形结构，能够与多种疏水性客体形成强结合[10]、[11]、[12]。此外，β-CD即使在局部治疗后也表现出优异的生物相容性。β-CD基包含复合物的形成和解体受pH值等环境因素的影响，以及主客体分子的大小兼容性和动力学及热力学性质[13]。这些因素使得它们在生物医学应用中表现出刺激响应行为，包括静脉药物输送和皮肤应用[14]。此外，SNGs通过可逆的、刺激响应的主客体相互作用促进给药药物的有效分布[15]。
聚苯胺是一种半导体聚合物，通过质子掺杂表现出可逆的电活性，从而显著调节其导电性[16]、[17]、[18]。PANI主链上的亚胺基团质子化将绝缘的埃马尔丁碱形式转化为导电的埃马尔丁盐形式，从而使导电性提高几个数量级[19]。PANI的这种电活性在其导电性和氧化还原行为的调控中起着关键作用，通过电化学刺激实现可控的药物释放[20]、[21]。此外，PANI还表现出近红外（NIR）响应性光热行为，能有效地将吸收的NIR光转化为局部热量。这种效应不仅实现了靶向治疗（如肿瘤消融），还促进了SNG中的可控和加速药物释放[22]。PANI的稳定性和导电性受到掺杂剂选择和电化学聚合过程的影响。然而，PANI的pH敏感性与其掺杂剂的性质密切相关，因为pH变化可能导致脱掺杂，使PANI从埃马尔丁盐重新转化为埃马尔丁碱形式，从而降低其导电性[23]。尽管具有有利性质，但PANI受到细胞毒性效应和低水溶性过程的限制[24]、[25]。作为解决方案，壳聚糖是一种已与PANI结合用于生物医学应用的聚合物。研究表明，聚苯胺接枝壳聚糖（CS-g-PANI）具有生物相容性，PANI增强了基于CS的系统的导电性[26]。
地塞米松作为一种强效的合成糖皮质激素，由于其抗炎和免疫抑制作用，已被广泛用于多种治疗应用，如皮肤药物输送和败血症治疗[27]。它用于治疗多种疾病，包括自身免疫性疾病和过敏反应，并作为癌症治疗的辅助手段以减少炎症和缓解化疗引起的副作用。最新研究显示，DEX有助于降低与COVID-19相关的死亡率[28]。作为抗炎药物，DEX调节中性粒细胞活性——这些细胞在身体对感染的反应中起关键作用，尤其是在败血症中[29]。靶向纳米载体可以通过炎症组织的生理特性（包括渗漏的血管和中性粒细胞浸润）促进药物在炎症区域的积累[30]。
本文中，通过非共价主客体相互作用制备了一种新型SNG，并将其设计为电活性、光热性和pH响应性的半导电载体。系统评估了其药物输送潜力。选择壳聚糖（CS）作为广泛使用的带正电荷多糖，因其优异的生物相容性和广泛的结构多样性，便于进行化学和生物修饰，以开发纳米医学和制药学中的新功能材料。尽管在智能药物载体的设计方面取得了显著进展，但相对较少的研究致力于合成能够响应多种刺激的可控释放聚合物平台。特别是实现由内部和外部信号（如pH值、光和电脉冲）控制的释放仍然具有挑战性。在这方面，导电聚合物有望开发出具有开关式给药功能的可控释放系统。在本研究中，首先将β-CD主分子接枝到CS主链上。为了制备客体分子，在CS链存在下进行了苯胺的原位氧化聚合。随后，β-环糊精接枝壳聚糖（CS-g-CD）与CS-g-PANI的主客体组装形成了具有强电活性、光热性和pH响应性的SNG。在此系统中，β-CD作为非共价交联剂，而PANI赋予电活性和光热响应性，从而实现基质的刺激控制调节（图1）。假设pH变化调节了主客体结合平衡，酸性条件削弱了这种相互作用，从而促进了药物释放。这种pH响应性预计能够在酸性微环境中实现位点特异性释放，例如肿瘤组织或内体和溶酶体区室。除了pH敏感性外，PANI的电活性还允许通过电刺激实现可控药物释放。其NIR响应性光热行为提供了局部加热，不仅增强了靶向治疗，还加速了药物释放，进一步提高了治疗效果。
材料
壳聚糖（CS）（分子量约50-190 kDa）、β-环糊精（β-CD）（97%）、苯胺（ANI）单体（≥99.8%）、对甲苯磺酰氯（TsCl，≥99%）、乙醇（≥99%）、乙酸（≥99%）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF，≥99.5%）、过硫酸铵（APS）、盐酸（HCl，37%）、二甲基亚砜（DMSO，≥99.7%）、N-甲基吡咯烷酮（NMP，≥99%）、乙腈（≥99.7%）、氢氧化钠（NaOH）、地塞米松（DEX，>98%）和磷酸盐缓冲盐水（PBS）均购自Sigma-Aldrich，使用前未经处理。
功能化壳聚糖前体和SNGs的表征
CS-g-CD和CS-g-PANI共聚物的合成路线以及SNG的组装过程在图1中示意性地展示。纯CS、纯β-CD和改性材料的FTIR结果见补充信息第S2节。对于主客体复合物（图1(b)），中心位于3450 cm?1的宽峰表明了主分子羟基（O–H）与客体共聚物胺基（N–H）之间的氢键相互作用。
结论
我们通过聚苯胺和β-环糊精接枝壳聚糖的主客体组装，设计了一种多刺激响应的超分子纳米凝胶（SNG）平台。优化后的配方（主客体重量比2:1）表现出良好的物理化学性质，包括均匀的流体动力学直径约35纳米和68%的高药物包封效率，稳定性通过动态超分子交联得到维持。动力学研究表明，药物释放
DOI
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实验部分的表征、额外方法，纯PANI的1H NMR谱，6-OTs-β-CD的合成示意图及其1H NMR谱，客体共聚物的13C NMR分析，纯PANI和纯β?CD的结晶度和热性质，不同主客体组合的UV-Vis光谱，以及pH 7.4和4.2溶液中客体的荧光发射光谱，Benesi-Hildebrand方程，CS的FE-SEM图像，TEM图像
CRediT作者贡献声明
Atakan Meran：撰写 – 审稿与编辑，方法学，概念化。Farhang Abbasi：撰写 – 审稿与编辑，可视化，验证，监督，资源管理，项目管理，方法学，资金获取，概念化。?al??kaner Zihni：撰写 – 审稿与编辑，方法学，概念化。Floria Adeli：撰写 – 审稿与编辑，方法学，概念化。Sahar Afif：撰写 – 初稿撰写，可视化，验证，方法学，研究，形式化
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了伊朗科学技术研究部国际科学研究与合作中心（CISSC）的支持。
