研究背景

用于治療人體特定疾病的蛋白質(zhì)藥物在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要價值。然而，蛋白質(zhì)藥物通常存在壽命短、結(jié)構(gòu)弱、在生理環(huán)境中易于被清除等缺點(diǎn)，難以達(dá)到預(yù)期的治療效果。水凝膠具有與細(xì)胞外基質(zhì)相似的結(jié)構(gòu)和特性，如自愈合可注射水凝膠具有安全、微創(chuàng)、持續(xù)穩(wěn)定釋放等優(yōu)點(diǎn)有望成為可控藥物緩釋載體。但傳統(tǒng)的自愈合可注射水凝膠缺乏對環(huán)境刺激(如pH值等)響應(yīng)性，植入體內(nèi)后難以控釋蛋白質(zhì)藥物，極大降低了蛋白質(zhì)藥物的生物利用度。因此，設(shè)計(jì)合成具有pH響應(yīng)性的自愈合可注射水凝膠對于蛋白質(zhì)藥物的刺激響應(yīng)和穩(wěn)定釋放仍然是一個挑戰(zhàn)。

文章概述

陜西科技大學(xué)陳詠梅團(tuán)隊(duì)在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃政府間專項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目( 2022YFE0104200)的支持下，以綠色環(huán)保、易于合成制備的核心思想，基于魔芋葡甘聚糖、殼聚糖、聚天冬氨酸酰肼為原料，設(shè)計(jì)制備了一種具有雙重pH響應(yīng)性、可注射性、自愈合性、形狀適應(yīng)性、生物降解性和生物相容性的動態(tài)水凝膠(PAHy-1-OKGM-1-CEC)。該水凝膠具有制備方法簡便和可快速凝膠化的特點(diǎn)，可注射至病理部位原位成膠，并通過pH響應(yīng)實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)藥物的可控釋放，達(dá)到治療目的。與傳統(tǒng)的pH響應(yīng)性水凝膠相比，具有雙重pH響應(yīng)性的自愈合可注射水凝膠具有更加穩(wěn)定的釋放速率和更長的釋放時間，實(shí)現(xiàn)了在受損部位蛋白質(zhì)藥物的刺激響應(yīng)和穩(wěn)定釋放。

圖文導(dǎo)讀

1. pH響應(yīng)性自愈合可注射水凝膠的設(shè)計(jì)原理

圖1a展示了氧化魔芋葡甘聚糖(OKGM)、殼聚糖(CS)、聚天冬氨酸酰肼(PAHy)和雙重pH響應(yīng)性自愈合可注射水凝膠(PAHy-l-OKGM-l-CEC)的合成制備及高分子網(wǎng)絡(luò)中的成鍵原理。其中，氧化魔芋葡甘聚糖高分子鏈上的醛基(-CHO)可分別與N-羧乙基殼聚糖大分子鏈上的氨基(-NH2)和聚天冬氨酸酰肼高分子鏈上的肼基(-NHNH2)形成亞胺鍵(-C=N-)和酰腙鍵(-C=NHNH-)，賦予水凝膠雙重動態(tài)pH響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并兼具生理環(huán)境中的自愈合和可注射性能。圖1b為水凝膠在注射器中的原位凝膠化，以及隨后的可注射、自愈合、生物降解以及蛋白質(zhì)持續(xù)釋放的示意圖。從針頭擠出的凝膠微粒在動態(tài)亞胺鍵和酰腙鍵作用下自愈合后重塑形成新的整體。此外，在弱酸性環(huán)境中(pH = 6.5)，動態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)受到破壞，加速水凝膠的降解，且生物降解過程比中性環(huán)境(pH = 7.4)中更快，從而達(dá)到調(diào)控蛋白質(zhì)緩釋的效果。

圖1 雙重動態(tài)共價鍵交聯(lián)的pH響應(yīng)多糖基自愈合可注射水凝膠

2.不同PAHy含量水凝膠的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)以及pH響應(yīng)機(jī)制

圖2a與圖2b展示了隨著PAHy含量的上升，PAHy-l-OKGM-l-CEC水凝膠在pH為7.4和6.5的環(huán)境中的力學(xué)性能變化趨勢一致，均成上升趨勢。原因是在水凝膠中加入聚天冬氨酸酰肼可引入酰腙鍵，從而增強(qiáng)了高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的交聯(lián)密度，提高了水凝膠的力學(xué)性能。圖2c為不同PAHy含量PAHy-l-OKGM-l-CEC水凝膠的SEM照片，表明不同PAHy含量的PAHy-l-OKGM-l-CEC水凝膠都具有完整且相互連接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有利于蛋白質(zhì)藥物的釋放。圖2d展示了水凝膠在pH = 7.4和pH = 6.5時的動態(tài)響應(yīng)機(jī)理。當(dāng)pH值為7.4時，OKGM大分子鏈上的醛基分別與CEC大分子鏈上的氨基、PAHy高分子鏈上的肼基發(fā)生反應(yīng)，形成亞胺鍵和酰腙鍵，增強(qiáng)了高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的動態(tài)交聯(lián)密度。然而，當(dāng)pH值為6.5時，質(zhì)子攻擊酰肼鍵，生成醛基和肼基，亞胺鍵斷裂，重新生成醛基和氨基。

圖2 PAHy含量對水凝膠力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響以及水凝膠的pH響應(yīng)機(jī)理

3.pH響應(yīng)水凝膠的自愈合可注射性能及流變學(xué)分析

圖3 pH響應(yīng)水凝膠的自愈合可注射性能及流變學(xué)分析

4.pH響應(yīng)水凝膠的降解及蛋白釋放分析

圖4a和圖4b分別展示了PAHy的含量對水凝膠在不同pH環(huán)境中降解性能的影響。結(jié)果表明在水凝膠中加入PAHy可以有效減緩降解效率，原因是PAHy含量的增加，在三維高分子網(wǎng)絡(luò)中形成的酰腙鍵數(shù)量隨之增多，解離速度減緩。圖4c和圖4d表明，在不同的pH環(huán)境中，水凝膠的降解特性與聚天冬氨酸酰肼的含量成正比。圖4e和圖4f分別展示了PAHy的含量對水凝膠在不同pH環(huán)境中蛋白釋放性能的影響。結(jié)果表明所有水凝膠均在前24 h內(nèi)出現(xiàn)快速釋放現(xiàn)象，隨后釋放速率保持穩(wěn)定，且在酸性環(huán)境中蛋白釋放效率更快。圖4g和圖4h展示了水凝膠牛血清白蛋白的累積釋放率。上述結(jié)果表明，PAHy-l-OKGM-l-CEC水凝膠可以通過pH響應(yīng)性控制蛋白質(zhì)的持續(xù)釋放，在蛋白藥物輸送領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。

圖4不同PAHy含量的pH響應(yīng)水凝膠在不同pH環(huán)境中的講解性能與蛋白質(zhì)釋放性能。

5.pH響應(yīng)水凝膠的生物相容性

圖5 PAHy-l-OKGM-l-CEC水凝膠的體外細(xì)胞相容性

6.結(jié)論

本工作成功設(shè)計(jì)并制備了新型具有pH響應(yīng)、自愈合、可注射的多糖基PAHy-l-OKGM-l-CEC水凝膠。雙重pH響應(yīng)動態(tài)共價化學(xué)鍵(即酰腙鍵和亞胺鍵)同時賦予了水凝膠的動態(tài)行為(自愈合和注射)和pH響應(yīng)。值得注意的是，聚天冬氨酸酰肼與三維高分子網(wǎng)絡(luò)之間的相互作用顯著改善了水凝膠的pH響應(yīng)和力學(xué)性能。此外，利用聚天冬氨酸酰肼在高分子網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)勢，該自愈合可注射動態(tài)水凝膠可在不同pH環(huán)境中控釋牛血清白蛋白，表現(xiàn)出長期緩釋效果。該研究不僅提出了具有pH響應(yīng)、自愈合、可注射水凝膠的合成新策略，還為動態(tài)水凝膠在pH響應(yīng)藥物遞送載體領(lǐng)域中開辟了新途徑。

7.創(chuàng)新點(diǎn)

1.制備了一種兼具pH響應(yīng)型和可注射自愈合性能的魔芋葡甘聚糖基水凝膠，具有優(yōu)異的生物相容性和作為藥物載體的潛力，有望應(yīng)用于蛋白質(zhì)藥物遞送領(lǐng)域。

2.拓展了聚天冬氨酸在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用，使其具有作為藥物遞送載體應(yīng)用的潛力。