黄原胶/聚(N-羟乙基丙烯酰胺)磁铁矿杂化水凝胶：一种用于5-氟尿嘧啶与姜黄素口服缓释双递送的细胞相容性载体

《RSC Advances》：Magnetite hybrid hydrogel of xanthan gum and poly(N-hydroxyethyl acrylamide): a cytocompatible vehicle for sustained oral dual delivery of 5-fluorouracil and curcumin

　　

本研究中，研究人员制备了一种pH敏感型磁铁矿杂化水凝胶，作为潜在的口服双药给药系统。通过自由基聚合反应制备了含有黄原胶（XG）和聚(N-羟乙基丙烯酰胺)（PHEA）的pH敏感型水凝胶，并将磁铁矿（Fe₃O₄）纳米粒子原位掺入其中。最终，将抗癌药物5-氟尿嘧啶（5-FU）和姜黄素（CUR）成功载入所开发的磁铁矿杂化水凝胶中。溶胀研究表明，该体系在pH 1.2时溶胀最小，在pH 7.4时显著溶胀。每克干磁铁矿杂化水凝胶中掺入的药量经测定分别为5-FU 48.2 ± 0.8 mg g^?1和CUR 38.5 ± 0.5 mg g^?1。序贯药物释放研究表明，所制备的双药给药系统在模拟胃环境中保留了掺入的药物，并在模拟肠道环境中显著释放。在pH 7.4时，5-FU的药物释放迁移遵循非Fickian扩散，CUR则遵循Super Case II传输。采用MTT法对磁铁矿杂化水凝胶（含药和不含药）进行细胞毒性研究，结果显示其对正常细胞（MCF-10A）具有良好的细胞相容性，细胞活力超过75%。然而，载药磁铁矿杂化水凝胶对癌细胞（MCF-7）表现出显著的细胞毒性，细胞活力低于35%。这些结果表明，所制备的磁铁矿杂化水凝胶可作为癌症治疗中5-FU和CUR口服缓释双递送的有前景的位点特异性药物递送系统。

**一、研究背景与意义**

双药联合释放是癌症治疗中一种优选的治疗策略，能够发挥良好的治疗效果。注射给药是抗癌药物常用的给药方式，但常伴随副作用，而通过改变给药途径，特别是采用口服给药，可有效减轻这些副作用。可控、靶向和缓释药物递送系统的开发近年来受到众多研究人员的关注，因其具有提高治疗效果的潜力，可在较低剂量下达到预期的治疗效果，并降低毒性和相关副作用。水凝胶基材料是其中备受青睐的药物递送系统之一。

水凝胶（Hydrogel）是具有三维结构的亲水性交联高分子材料，能够吸收大量水分或生物体液，并在溶胀状态下保持其聚合物网络。前期研究表明，水凝胶在药物递送、组织工程支架、伤口愈合和生物打印等多个生物医学应用领域至关重要。在药物递送应用中，pH敏感型水凝胶因其能够以可控、靶向和持续的方式释放单药或多药而备受关注。然而，仅由天然多糖制备的水凝胶存在机械强度差、药物释放不可控等局限性，可通过添加适量合成聚合物和掺入纳米粒子来缓解。

黄原胶（XG）是一种由黄单胞菌（Xanthomonas campestris）产生的阴离子天然多糖，具有葡萄糖醛酸、甘露糖和葡萄糖以1:2:2比例组成的支链多糖单元，广泛应用于食品和医药领域。XG基pH敏感型水凝胶制备简便，在酸性胃条件下羧基帮助水凝胶抵抗溶胀，而在碱性肠条件下则可显著溶胀，因此作为pH敏感型口服药物递送系统被广泛研究。磁铁矿（Fe₃O₄）纳米粒子因具有磁响应性、低毒性及与多种聚合物的良好相容性等独特性质，被广泛用于形成磁铁矿杂化水凝胶，且凝胶基质中的Fe₃O₄纳米粒子有助于在靶点实现药物的缓释。

为开发一种用于口服双药递送的pH敏感型递送系统，研究人员本研究旨在开发一种磁铁矿杂化水凝胶，用于5-氟尿嘧啶（5-FU）和姜黄素（CUR）的口服缓释双药递送。该聚合物基质材料的pH敏感性能主要由XG主导，通过将PHEA接枝到XG上，并掺入Fe₃O₄纳米粒子以增强其机械强度和整体性能。该工作的创新性体现在所用材料和药物释放策略方面，与先前报道的磁铁矿基水凝胶相比，XG与PHEA的整合提供了亲水性与结构稳定性之间的独特平衡，Fe₃O₄纳米粒子的掺入通过增强网络完整性和引入额外的药物分子相互作用位点发挥双重作用。

**二、主要技术方法**

研究人员采用的主要关键技术方法包括：（1）微波辅助自由基聚合制备XG-g-PHEA水凝胶，并通过原位共沉淀法将Fe₃O₄纳米粒子掺入水凝胶基质中；（2）采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）、粉末X射线衍射（PXRD）和振动样品磁强计（VSM）对材料进行结构表征；（3）通过称重法研究水凝胶在不同pH条件下的溶胀行为；（4）采用紫外-可见分光光度法测定药物负载效率（DLE）和药物包封效率（DEE）；（5）进行序贯体外药物释放实验，先在pH 1.2缓冲液中模拟胃液环境2小时，再转移至pH 7.4缓冲液中模拟肠液环境，并利用多种数学模型进行释放动力学分析；（6）采用MTT法评估水凝胶对MCF-10A（正常乳腺上皮细胞）和MCF-7（乳腺癌细胞）的细胞毒性；（7）在pH 7.4磷酸盐缓冲液中进行体外降解实验。样本队列来源：MCF-7和MCF-10A细胞系来自印度孟买Infinite Biotech Institute of Research and Analytics。

**三、研究结果**

**磁铁矿杂化水凝胶的制备与接枝效率：** 通过微波辅助自由基聚合，将HEA接枝到XG主链上制备水凝胶。接枝效率（GE）结果显示，当HEA用量为19.1 mmol时达到最大（96.5%），该条件下XG-g-PHEA-2被选为进一步优化材料。随后通过原位共沉淀法将Fe₃O₄纳米粒子掺入水凝胶，制备XG-g-PHEA-2/Fe₃O₄磁铁矿杂化水凝胶。

**表征：** FTIR光谱确认了各组分及药物的成功掺入，Fe-O键在463 cm^?1处的弱峰证实了Fe₃O₄纳米粒子的存在。SEM显示掺入Fe₃O₄后水凝胶表面更粗糙，孔隙结构更为致密且不均匀，平均孔径从约3.0 ± 1.7 μm增至4.7 ± 2.3 μm。EDS光谱中出现Fe峰进一步证实了Fe₃O₄纳米粒子的成功掺入。PXRD分析显示，水凝胶基质为半结晶性，在2θ为30.45°、35.77°、43.36°、57.27°和62.87°处出现对应于Fe₃O₄反尖晶石结构的特征峰，估算晶粒尺寸为12.4 nm。VSM测试表明磁铁矿杂化水凝胶具有超顺磁行为，矫顽力为5.6 emu g^?1。

**溶胀研究：** 溶胀研究表明，水凝胶在乙醇-水（1:1）混合物中溶胀最低，在pH 7.4缓冲液中溶胀最高，在pH 1.2缓冲液中溶胀中等。Fe₃O₄纳米粒子的掺入降低了水凝胶的溶胀比，归因于Fe₃O₄与聚合物链之间的相互作用增加了交联密度。

**药物负载与释放：** 磁铁矿杂化水凝胶的药物负载效率（DLE）和药物包封效率（DEE）均高于相应纯凝胶，5-FU的DLE为48.2 ± 0.8 mg g^?1，CUR为38.5 ± 0.5 mg g^?1；DEE分别为92.4%和81.3%。5-FU负载优于CUR，主要与氢键形成能力有关。序贯释放研究表明，在pH 1.2条件下，5-FU和CUR的累积释放率分别低于25%和10%；转移至pH 7.4后，释放显著增加，约为前者的3倍和4倍。纯凝胶的药物释放量高于磁铁矿杂化水凝胶，且纯凝胶约6小时接近释放平衡，而磁铁矿杂化水凝胶约需10小时。动力学分析显示，药物释放最符合一级动力学模型；5-FU释放遵循Korsmeyer-Peppas模型，在pH 7.4时表现为非Fickian扩散（n=0.67）；CUR释放遵循Higuchi平方根模型，在pH 7.4时表现为Super Case II传输（n=1.13）。

**细胞毒性与降解：** MTT法结果显示，空白磁铁矿杂化水凝胶对MCF-10A和MCF-7细胞均无显著毒性，细胞活力超过90%。载药磁铁矿杂化水凝胶对MCF-10A细胞的细胞活力约为77%，表现出良好的细胞相容性；对MCF-7细胞的细胞活力约为34%，显示出强细胞毒性。体外降解研究表明，Fe₃O₄纳米粒子的掺入降低了降解速率，30天内磁铁矿杂化水凝胶降解约65%，而纯凝胶降解约71%。

**四、讨论与研究结论**

讨论部分，研究人员系统分析了磁铁矿杂化水凝胶的结构-性能关系。Fe₃O₄纳米粒子通过提供额外的物理交联点和药物相互作用位点，增强了网络结构完整性、机械稳定性和药物负载能力，同时通过创建更致密的网络结构延缓了药物释放，实现了更持久的控释效果。水凝胶的pH敏感性能源于XG中羧基的电离/质子化状态变化，在酸性胃环境中保护药物，在碱性肠环境中促进药物释放。药物释放的双重机制——扩散与聚合物链松弛的耦合——有利于实现可控药物递送，减少突释效应并延长治疗作用时间。系统比较表明，该研究采用的序贯释放策略在磁铁矿基杂化聚合物基质中较为罕见，具有明显的先进性和创新性。

研究结论部分原文总结如下："本研究中，制备了一种pH敏感的XG-g-PHEA-2/Fe₃O₄磁铁矿杂化水凝胶，作为5-FU和CUR口服双药递送的潜在载体。通过FTIR、SEM、EDS、XRD和VSM技术评估了结构特征。溶胀研究表明，所开发的磁铁矿杂化水凝胶对pH高度敏感。药物负载和体外释放研究表明，所开发的磁铁矿杂化水凝胶在pH 1.2的酸性条件下（模拟胃液）表现出缓慢的药物释放，而在pH 7.4的弱碱性条件下（模拟肠液）释放较快。通过采用多种数学模型评估了释放动力学，释放曲线最符合一级动力学模型。此外，5-FU的释放机制遵循Korsmeyer-Peppas模型，CUR的释放遵循Higuchi平方根模型。MTT法结果表明，所开发的材料对MCF-10A细胞具有良好的细胞相容性，载药磁铁矿杂化水凝胶对MCF-7细胞具有理想的细胞毒性。该材料的pH敏感性主要决定了所开发磁铁矿杂化水凝胶的性能。pH变化可能限制材料用于药物递送的效率和效果，影响药物生物利用度和整体治疗效果。基于所获得的结果，强烈推荐所开发的磁铁矿杂化水凝胶用于5-FU和CUR的pH敏感双药递送，具有在胃肠道中位点特异性释放的潜力。尽管获得了可喜的结果，本研究仅为概念验证，仍需进一步研究以确立其转化相关性。"