《European Polymer Journal》：Cyanobacteria-inspired hydroxypropyl chitosan-based reactive oxygen species responsive hydrogels and their drug loaded microneedles for removing wrinkles
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皮肤皱纹由活性氧（ROS）引发胶原蛋白降解导致，抗氧化剂如抗坏血酸（AA）和视黄酸（RA）可改善皮肤，但难以穿透皮肤屏障。本研究开发了一种基于HPCMA的水凝胶微针（AR-CSMNs），通过ROS响应性交联剂BAC实现壳层（HPCMAH）与核心层（HPCMA-BACH-R）的结构设计，壳层负载AA，核心层响应ROS释放RA。微针具有金字塔形结构及足够的机械强度穿透表皮，在H?O?环境中释放RA达95%，AA在中性环境释放89%。动物实验显示，SD大鼠皮肤皱纹在4天内显著减少，7天后基本消除。该设计实现了靶向递送，克服传统载体穿透障碍，为抗衰老治疗提供新策略。
穆罕默德·哈鲁恩（Muhammad Haroon）|王丽（Li Wang）|于浩杰（Haojie Yu）|周新辉（Xinhui Zhou）|阿卜杜勒·巴西特（Abdul Basit）|汗·曼库什·阿万（Khan Manqoosh Awan）|奥韦斯·马利克（Owais Malik）|萨克兰·拉扎（Saqlain Raza）|迪利普·艾哈迈德（Dileep Ahmad）|谢尔盖·Z·瓦茨阿泽（Sergey Z. Vatsadze）
中国浙江省杭州市浙江大学化学与生物工程学院化学工程与低碳技术国家重点实验室，邮编310027
摘要
皮肤皱纹的形成是由于活性氧（ROS）导致胶原蛋白和成纤维细胞的降解。虽然像抗坏血酸（AA）和维甲酸（RA）这样的抗氧化剂有助于皮肤恢复活力，但它们的输送受到皮肤屏障的阻碍。本文开发了一种基于蓝细菌设计的ROS响应型核壳水凝胶微针（AR-CSMNs），以甲基丙烯酸羟丙基壳聚糖（HPCMA）为基底材料，N,N-双（丙烯酰基）-半胱胺（BAC）作为ROS响应型交联剂。这些微针具有金字塔形状，并具有足够的机械强度以穿透皮肤。在中性环境中，AR-CSMNs的AA释放率为89%；在H?O?溶液中，RA的释放率为95%，而在无H?O?的情况下仅为66%。最终，这些微针被用于Sprague-Dawley（SD）大鼠的皱纹治疗。实验结果显示，AR-CSMNs在四天内显著减少了大鼠的皱纹，并在七天内几乎完全消除了皱纹。这些微针展示了有效的皮肤渗透能力和靶向药物释放特性，适用于治疗应用。
引言
年轻健康的皮肤对人们的社交行为有积极影响，因为皮肤状况不佳的人可能会遭受抑郁、社交隔离和缺乏自信等问题[1]、[2]、[3]。生理老化、氧化应激[4]等内在因素以及日晒（尤其是UV A辐射[5]）、吸烟、不健康的饮食和失眠等外在因素都会损害皮肤并导致衰老[6]。皮肤皱纹是衰老的一个明显迹象[7]。皱纹的出现是由于ROS导致皮肤真皮层中的胶原蛋白和成纤维细胞降解[8]、[9]、[10]。维甲酸（RA）和抗坏血酸（AA）是常用的抗氧化剂，被广泛用于化妆品领域作为抗皱成分和ROS清除剂[9]。传统的药物输送系统如乳霜、贴片和乳液难以穿透角质层，而口服、注射和激光治疗等替代方法则存在疼痛、过敏、释放控制不佳和效果低等局限性[3]、[11]、[12]。
基于天然聚合物材料的水凝胶是一种有吸引力的药物输送系统，适用于生物医学和抗衰老领域。它们无毒、可生物降解、具有生物相容性，并且能够实现可控和靶向的药物释放[13]、[14]、[15]。可以通过设计使水凝胶对特定刺激（如pH值[16]、温度[18]、ROS[20]）作出反应，从而实现药物的靶向输送。ROS响应型水凝胶在皱纹治疗中非常有用，因为皱纹区域富含ROS。赵等人制备了一种由ROS响应型交联剂N1-(4-硼苯基)-N3-(4-硼苯基)-N1,N1,N3-四甲基丙烷-1,3-二胺交联的聚乙烯醇（PVA）基水凝胶。这种载有抗生素莫匹罗星和粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（GM-CSF）的水凝胶表现出出色的伤口愈合能力[21]。程伟等人通过光诱导dl-二硫苏糖醇、聚（乙二醇）二丙烯酸酯和苯硼酸修饰的ε-聚赖氨酸的原位凝胶化制备了ROS响应型水凝胶，该水凝胶对伤口愈合有效[22]。类似地，李等人制备了含有功能性聚（L-乳酸）微粒和 Asiaticoside 的透明质酸基水凝胶，用于皮肤恢复[23]。然而，尽管水凝胶在药物输送方面具有巨大潜力，但在实际应用中仍需在结构设计方面进行进一步创新，因为有效和靶向的药物输送仍面临角质层穿透的问题。
基于水凝胶的微针克服了这一限制，能够实现靶向输送。在过去二十年里，微针被广泛研究用于活性物质的经皮输送[24]。这些微针是三维生物医学结构[25]，无痛、具有高药物负载能力，并且能够调节药物释放[26]、[27]、[28]、[29]。结合射频治疗的载有细胞外基质化合物的微针已被用于治疗眼周皱纹[30]。透明质酸[31]、甲基丙烯酸明胶[32]和壳聚糖[32]是常用的生物相容性聚合物，常用于制备水凝胶微针。与其他生物聚合物（如明胶和透明质酸）相比，壳聚糖在提高水凝胶的机械强度方面非常有效[33]，并且具有出色的天然抗菌性能[34]。此外，壳聚糖还具有止血、生物相容性、可生物降解性和无毒性的优点，在生物医学领域得到广泛应用[36]。重要的是，由壳聚糖制成的微针具有与甲基丙烯酸明胶和透明质酸等生物材料相当的机械强度，确保了其能够可靠地插入皮肤[37]。潘潘·戴（Panpan Dai）等人使用光引发剂将甲基丙烯酸壳聚糖制成水凝胶微针，用于输送甲氨蝶呤和烟酰胺，发现24小时内的药物释放效率为80%[38]。同样，硫醇化壳聚糖和聚醋酸乙烯酯也被用于制备微针，在48小时内成功输送了81%的 dydrogesterone[39]。另一项研究制备了具有pH敏感性的纤维蛋白/壳聚糖水凝胶微针，用于有效输送胰岛素[40]。然而，由于壳聚糖在水中的溶解度较低，其应用受到限制[41]。羟丙基壳聚糖（HPC）是通过壳聚糖与环氧丙烷醚化得到的衍生物，不仅保留了壳聚糖的止血、机械强度、生物相容性和抗菌性能等特性，还提高了水溶性和化学反应性[36]。
尽管在水凝胶微针的药物输送方面已经做了大量研究，但基于碳水化合物的核壳微针系统（结合ROS响应型水凝胶）尚未得到充分探索。同样，虽然ROS响应型水凝胶已在其他生物医学应用中得到研究，但其在皮肤恢复和皱纹治疗中的应用仍需进一步研究。
综上所述，我们假设基于HPC的核壳水凝胶微针（AR-CSMNs）：外壳由简单的HPCMAH-A水凝胶制成，负责输送抗坏血酸（AA）并赋予微针形状；核心由ROS响应型HPCMA-BACH-R水凝胶制成，响应ROS释放维甲酸（RA），将能够有效穿透角质层。受到蓝细菌自然应激响应的启发——蓝细菌在营养限制、高盐度或高ROS水平等环境压力下会自然释放保护性酶（超氧化物歧化酶、过氧化氢酶）和非酶类抗氧化剂（类胡萝卜素、谷胱甘肽、藻蓝蛋白）[42]、[43]，我们设计了这种ROS响应型微针。预计这些微针能够在富含ROS的衰老皱纹皮肤中选择性释放抗氧化剂，从而加速皱纹减少，体现了基于碳水化合物的聚合物在智能经皮药物输送方面的独特优势。详细内容如图1所示。
材料
HPC（CAS: 104673–29-2），取代度（DS）≥80%，脱乙酰化程度（DA）86%（通过1H NMR测定），购自上海Rhawn化学试剂有限公司；甲基丙烯酸酐（CAS: 760–93-0），纯度≥94%，并用0.2%的托帕醇稳定；2-羟基-4′-(2-羟基乙氧基)-2-甲基丙酮（irgacure 2959，CAS: 106797–53-9），纯度≥98%，HPLC级；抗坏血酸（AA，CAS: 50–81-7），纯度≥99%；BAC（CAS: 60984–57-8），纯度≥98%；维甲酸（RA）：
HPCMAH和HPCMABACH的合成与表征
简单的空白水凝胶HPCMAH是在pH 7.4的PBS溶液中使用HPCMA制备的，未添加外部交联剂；而HPCMABACH则是在pH 7.4的PBS溶液中使用HPCMA、ROS响应型外部交联剂BAC和irgacure 2959制备的。这种光引发剂在紫外光作用下产生自由基，促进甲基丙烯酸基团的交联，形成三维结构结论
皮肤衰老的最明显迹象之一是皮肤上出现皱纹，这主要是由于内在因素（如老化）和外在因素（如日晒、吸烟等）引起的。这些因素会产生ROS，导致皮肤真皮层中的胶原蛋白和成纤维细胞降解。目前，将药物输送到皮肤以降解ROS并促进胶原蛋白和成纤维细胞再生的各种系统都难以穿透角质层。本文介绍的ROS响应型核壳水凝胶
联系人
如需更多信息和资源，请联系负责人于浩杰教授（hjyu@zju.edu.cn）。材料供应
目标材料可通过与负责人的材料转让协议获得。
CRediT作者贡献声明
穆罕默德·哈鲁恩（Muhammad Haroon）：撰写——初稿、软件开发、方法设计、研究实施、概念构思。王丽（Li Wang）：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理。于浩杰（Haojie Yu）：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理。周新辉（Xinhui Zhou）：撰写——审稿与编辑。阿卜杜勒·巴西特（Abdul Basit）：撰写——审稿与编辑、验证。汗·曼库什·阿万（Khan Manqoosh Awan）：撰写——审稿与编辑、验证。奥韦斯·马利克（Owais Malik）：撰写——审稿与编辑、数据分析。萨克兰·拉扎（Saqlain Raza）：撰写——审稿与利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
