《Polymer》：Injectable thermoresponsive carboxymethyl chitosan–hyaluronic acid hydrogel reinforced with mesoporous silica nanoparticles for efficient cationic drug delivery
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该研究开发了一种新型热敏水凝胶（CMHGMs），由羧甲基壳聚糖（CMCs）、透明质酸（HA）和β-甘油磷酸（GP）组成，并引入介孔二氧化硅纳米颗粒（MSNs）增强结构稳定性。该水凝胶在37℃快速凝胶化（时间缩短至1.4分钟），同时实现利多卡因和溶菌酶长达14天的长效缓释，并表现出优异的生物相容性和可降解性。
Toan Van Luu|Thavasyappan Thambi|Nghia T. Huynh|Bao H.G. Nguyen|Thanh-Nghi Do Ly|Yen-Nhi Pham Tran|Vy Khanh Huynh|Cuong Hung Luu|Diep Phan|Tuan Ngoc Nguyen|V.H.Giang Phan
越南胡志明市同德堂大学应用科学学院先进材料应用研究小组，致力于可持续发展
摘要
生物药物由于其固有的不稳定性和快速的系统清除机制，在治疗过程中面临诸多挑战。为了解决这些问题，本研究开发了一种新型的热敏注射型水凝胶，该水凝胶由羧甲基壳聚糖（CMCs）、透明质酸（HA）和β-甘油磷酸盐（GP）组成。一个关键的创新点是将介孔二氧化硅纳米粒子（MSNs）引入其中，形成了一个有机-无机杂化体系（CMHGMs），从而提高了结构完整性和对阳离子药物的静电亲和力。实验结果表明，MSNs显著优化了水凝胶网络，使其在37°C下的凝胶化时间从2.7分钟缩短至约1.4分钟。此外，CMHGMs水凝胶在14天内对利多卡因和溶菌酶表现出优异的缓释效果，有效抑制了初始的快速释放现象。该系统通过26G注射针头仍能保持良好的注射性能，并在体外、卵内和体内模型中表现出高生物相容性。预计其生物降解周期约为3.7周，这种杂化水凝胶作为一种具有最小侵入性的药物储库，在现代临床和生物医学应用中具有广泛前景。
引言
基于蛋白质和肽的药物已成为现代医学中最有前景的药物类别之一，极大地扩展了对多种危及生命的疾病的治疗范围[1]。它们的治疗效果在于能够模拟自然生物信号并激活特定的细胞通路[2]。与小分子药物相比，药物蛋白质具有多种独特优势，包括高特异性、能够与膜受体相互作用以及参与小分子难以实现的复杂生化过程[3]。
尽管如此，蛋白质和肽类药物的临床应用仍面临诸多挑战[4]。小分子药物由于其低分子量和高渗透性，可以轻松穿过生物屏障，而蛋白质和肽类药物则容易发生降解和变性[5]。这些生物分子的口服给药尤其困难，因为它们在胃的酸性环境中会被蛋白酶迅速分解，导致生物利用度低[6, 7]。此外，它们的大分子尺寸和亲水性限制了膜渗透性，阻碍了在胃肠道内的有效吸收和靶向递送[8]。因此，大多数肽类药物和蛋白质药物需要通过非肠道途径给药。然而，非肠道给药往往由于肾脏过滤和首过肝脏代谢而导致药物快速清除，从而缩短了半衰期，需要频繁给药[9]。这不仅增加了患者的不适感和治疗成本，还降低了治疗依从性。
为了解决这些限制，热敏注射型水凝胶被提出作为肽类和蛋白质类药物缓释的有效平台[10, 11]。水凝胶是通过天然或合成聚合物的物理或化学交联形成的三维（3D）聚合物基质[12, 13]。其高度亲水的结构使其能够吸收大量水分，提供类似组织的微环境，减少细胞损伤并提高生物相容性[14]。在各种类型的水凝胶中，热敏水凝胶对温度变化表现出独特的溶胶-凝胶转变行为[15]。它们在室温下保持流动的溶胶状态，在生理温度（37°C）下转变为凝胶，在皮下注射后形成原位药物储库。这一特性使得药物释放可控且持续，减少了给药频率，并通过降低侵入性提高了患者的依从性[16]。
在本研究中，开发了一种含有三种关键成分的新型热敏注射型水凝胶系统，包括羧甲基壳聚糖（CMCs）、透明质酸（HA）和β-甘油磷酸盐（GP），统称为CMHG。CMCs是壳聚糖的水溶性衍生物，含有丰富的氨基和羧基，有利于交联和静电相互作用，使其成为药物递送和组织工程的多功能材料。HA是一种天然存在的多糖，具有优异的生物降解性、生物相容性和亲水性，以及形成水凝胶所需的高密度羧基[17, 18]。在本系统中，GP作为离子交联剂和凝胶化剂，在生理温度下促进快速的溶胶-凝胶转变。作为一种生物相容的磷酸盐来源，GP还有助于维持矿物质平衡，在生物医学制剂中得到广泛应用[19, 20]。然而，实现最佳的凝胶化时间至关重要，因为过快的凝胶化可能会影响注射性能，而过慢的凝胶化则可能导致药物泄漏、污染或凝胶形成不完全[21]。
为了克服这些挑战，将介孔二氧化硅纳米粒子（MSNs）作为增强剂引入水凝胶基质中。MSNs具有优异的生物相容性、机械强度和热稳定性，并具有较大的表面积和可调的孔结构，适合药物包封[22]。其带负电荷的硅醇基团有助于与阳离子药物发生静电相互作用，提高药物装载效率并在生理条件下维持释放效果[23]。本研究中使用利多卡因盐酸盐（LC）和溶菌酶（Lys）作为模型阳离子药物，分别代表低分子量和高分子量药物。如图1所示，多种非共价相互作用（包括静电吸引、氢键和疏水相互作用）共同稳定了水凝胶网络，促进了有效的药物包封和皮下注射后的可控释放。
与以往仅使用壳聚糖的研究[15]不同，本研究采用了CMCs（一种具有更好生物相容性和丰富羧基的功能性衍生物）与HA的组合。这些羧基的引入实现了对LC和Lys等阳离子药物的理想递送效果。同时，MSNs不仅提供了强负电荷表面，还因其介孔结构而具有较高的比表面积，非常适合药物装载。因此，这种由CMCs、HA、GP和MSNs组成的杂化注射型水凝胶（CMHGMs）整合了有机-无机杂化网络，实现了快速的热响应凝胶化、增强的机械完整性和延长的药物释放动力学，满足了各种现代生物医学应用的需求。
材料
羧甲基壳聚糖（CMCs，羧甲基化程度≥90%，约240 kDa）购自上海麦克林生化科技有限公司（中国上海）。透明质酸（HA，800–1000 kDa）购自阿拉丁科学公司（美国加利福尼亚）。β-甘油磷酸钠盐水合物（GP，≥98%）由合肥博美生物科技有限公司（中国安徽）提供。十六烷基三甲基溴化铵（CTAB，≥98%）、四乙基正硅酸盐（TEOS，≥98%）和溶菌酶来自...
MSNs的表征
MSNs通过改进的溶胶-凝胶乳液法成功合成，该方法包括三个主要成分：CTAB作为结构导向表面活性剂，TEOS作为二氧化硅前体，以及乙醇作为共溶剂和催化增强剂，以提高溶解度和增大孔径[26]。TEOS溶液在持续搅拌下逐滴加入，以确保均匀成核和粒子形成。
SEM显微图（图1A）显示，所得MSNs表现出...
结论
本研究成功开发了一种新型热敏注射型水凝胶，可在皮下注射部位实现药物的持续保护和延长释放，其在体外和体内评估中均表现出优异的生物相容性和生物降解性。该水凝胶系统使用了两种天然多糖CMCs和HA，并结合了GP作为离子交联剂和热敏剂，从而在生理温度下实现快速的溶胶-凝胶转变
CRediT作者贡献声明
Bao H.G. Nguyen： 方法学、实验研究。Thanh-Nghi Do Ly： 方法学、数据分析、数据管理。Thavasyappan Thambi： 文章撰写与编辑、实验研究、数据分析。Nghia T. Huynh： 方法学、实验研究、数据分析。V.H. Giang Phan： 文章撰写与编辑、监督、项目管理、概念构思。Toan Van Luu： 初稿撰写、方法学、实验研究、数据分析。Diep
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了同德堂大学的支持。此外，还得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助（由韩国政府（MSIT）提供资金，项目编号NRF-2023R1A2C1005904）。
