《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-響應、電活性、近紅外響應的殼聚糖-聚苯胺共價水凝膠通過主客體相互作用制備，實現多刺激精準藥物遞送。
Sahar Afif|Hossein Abdollahi-Esfahlani|Zihni Onur ?al??kaner|Floria Adeli|Atakan Meran|Farhang Abbasi
伊朗大不里士薩漢德理工大學聚合物材料研究所，郵政編碼：5331817634
摘要
摻雜聚苯胺（PANI）的刺激響應性殼聚糖（CS）納米凝膠具有生物相容性、近紅外（NIR）響應性光熱加熱和電活性功能。這些納米凝膠在NIR照射下能夠快速、可重復地升溫，并具有PANI的可逆氧化還原行為和可調導電性。在微酸性環境中（如病變部位），殼聚糖網絡能夠提供明確的pH響應性釋放特性，從而實現多觸發控制藥物釋放系統。整合了電活性、光熱性和pH依賴性的多刺激響應性納米凝膠為精準藥物輸送提供了強大平臺。在本研究中，我們報道了一種新型pH響應性、電活性和光熱性的超分子納米凝膠（SNG）的制備方法，該凝膠通過β-環糊精接枝殼聚糖（CS-g-CD）和聚苯胺接枝殼聚糖（CS-g-PANI）之間的主客體相互作用形成。地塞米松（DEX）的封裝實現了6.8%的藥物負載量和68%的包封效率，同時保持了有利于增強滲透性和保留能力的納米級直徑（約30納米）。場發射掃描電子顯微鏡和pH掃描動態光散射表征證實了SNG的pH響應性。在模擬腫瘤環境的酸性條件下，納米凝膠的快速解體觸發了治療載體的位點特異性釋放。此外，SNG對外部NIR照射表現出強烈的光熱響應，通過PANI鏈有效產生熱量，促進基質軟化并加速藥物擴散。電活性的PANI結構域實現了可逆的氧化還原轉換，通過氧化還原調控提供了另一種外部控制的釋放方式。所得SNG在水介質中表現出均勻的流體動力學尺寸，并具有明顯的多刺激響應性，包括pH觸發釋放（pH 4.5時約80%，pH 7.4時約20%）、強NIR誘導的光熱激活（pH 4.5時藥物釋放約90%）以及在施加電場下的氧化還原控制釋放（pH 4.5時約92%）。這些結果證實，將主客體組裝與導電聚合物結合可產生具有精準治療應用潛力的多響應系統。
引言
過去幾十年中，大量研究致力于先進的納米醫學，特別是設計高效的聚合物系統，以實現治療劑在人體特定部位的精準靶向和可控釋放。在各種納米平臺中，聚合物納米凝膠（NGs）是一類由交聯聚合物網絡組成的納米級系統[1]。聚合物NGs是很有前景的藥物輸送載體，可以增強治療效果、減少副作用，并提高作用部位的靶向藥物和基因濃度。這種潛力源于其高生物相容性、高水分含量、可調的化學和物理性質，以及響應特定生理刺激（如pH值、氧化還原條件、溫度[2]、電活性[3]和光熱效應[4]的能力。對于NG的制備，可以采用共價和非共價交聯方法分別獲得剛性和柔性NGs[5]。共價交聯NG的一個常見挑戰是使用有毒交聯劑，這可能會引發生物相容性問題[6]。此外，這些NGs可能在到達目標部位之前就釋放其負載物[7]。另一方面，超分子納米凝膠（SNGs）依賴于非共價交聯，展現出獨特的物理化學和生物學性質，包括對環境變化的可逆響應，使其成為可控輸送的有吸引力的選擇[8]、[9]。
在各種超分子復合物中，主客體相互作用（尤其是氫鍵和π-π堆疊）在納米醫學中引起了廣泛關注，因為它們有助于解決高效和安全輸送抗炎藥物的挑戰。β-環糊精（β-CD）作為主分子，由于其截錐形結構，能夠與多種疏水性客體形成強結合[10]、[11]、[12]。此外，β-CD即使在局部治療后也表現出優異的生物相容性。β-CD基包含復合物的形成和解體受pH值等環境因素的影響，以及主客體分子的大小兼容性和動力學及熱力學性質[13]。這些因素使得它們在生物醫學應用中表現出刺激響應行為，包括靜脈藥物輸送和皮膚應用[14]。此外，SNGs通過可逆的、刺激響應的主客體相互作用促進給藥藥物的有效分布[15]。
聚苯胺是一種半導體聚合物，通過質子摻雜表現出可逆的電活性，從而顯著調節其導電性[16]、[17]、[18]。PANI主鏈上的亞胺基團質子化將絕緣的埃馬爾丁堿形式轉化為導電的埃馬爾丁鹽形式，從而使導電性提高幾個數量級[19]。PANI的這種電活性在其導電性和氧化還原行為的調控中起著關鍵作用，通過電化學刺激實現可控的藥物釋放[20]、[21]。此外，PANI還表現出近紅外（NIR）響應性光熱行為，能有效地將吸收的NIR光轉化為局部熱量。這種效應不僅實現了靶向治療（如腫瘤消融），還促進了SNG中的可控和加速藥物釋放[22]。PANI的穩定性和導電性受到摻雜劑選擇和電化學聚合過程的影響。然而，PANI的pH敏感性與其摻雜劑的性質密切相關，因為pH變化可能導致脫摻雜，使PANI從埃馬爾丁鹽重新轉化為埃馬爾丁堿形式，從而降低其導電性[23]。盡管具有有利性質，但PANI受到細胞毒性效應和低水溶性過程的限制[24]、[25]。作為解決方案，殼聚糖是一種已與PANI結合用于生物醫學應用的聚合物。研究表明，聚苯胺接枝殼聚糖（CS-g-PANI）具有生物相容性，PANI增強了基于CS的系統的導電性[26]。
地塞米松作為一種強效的合成糖皮質激素，由于其抗炎和免疫抑制作用，已被廣泛用于多種治療應用，如皮膚藥物輸送和敗血癥治療[27]。它用于治療多種疾病，包括自身免疫性疾病和過敏反應，并作為癌癥治療的輔助手段以減少炎癥和緩解化療引起的副作用。最新研究顯示，DEX有助于降低與COVID-19相關的死亡率[28]。作為抗炎藥物，DEX調節中性粒細胞活性——這些細胞在身體對感染的反應中起關鍵作用，尤其是在敗血癥中[29]。靶向納米載體可以通過炎癥組織的生理特性（包括滲漏的血管和中性粒細胞浸潤）促進藥物在炎癥區域的積累[30]。
本文中，通過非共價主客體相互作用制備了一種新型SNG，并將其設計為電活性、光熱性和pH響應性的半導電載體。系統評估了其藥物輸送潛力。選擇殼聚糖（CS）作為廣泛使用的帶正電荷多糖，因其優異的生物相容性和廣泛的結構多樣性，便于進行化學和生物修飾，以開發納米醫學和制藥學中的新功能材料。盡管在智能藥物載體的設計方面取得了顯著進展，但相對較少的研究致力于合成能夠響應多種刺激的可控釋放聚合物平臺。特別是實現由內部和外部信號（如pH值、光和電脈沖）控制的釋放仍然具有挑戰性。在這方面，導電聚合物有望開發出具有開關式給藥功能的可控釋放系統。在本研究中，首先將β-CD主分子接枝到CS主鏈上。為了制備客體分子，在CS鏈存在下進行了苯胺的原位氧化聚合。隨后，β-環糊精接枝殼聚糖（CS-g-CD）與CS-g-PANI的主客體組裝形成了具有強電活性、光熱性和pH響應性的SNG。在此系統中，β-CD作為非共價交聯劑，而PANI賦予電活性和光熱響應性，從而實現基質的刺激控制調節（圖1）。假設pH變化調節了主客體結合平衡，酸性條件削弱了這種相互作用，從而促進了藥物釋放。這種pH響應性預計能夠在酸性微環境中實現位點特異性釋放，例如腫瘤組織或內體和溶酶體區室。除了pH敏感性外，PANI的電活性還允許通過電刺激實現可控藥物釋放。其NIR響應性光熱行為提供了局部加熱，不僅增強了靶向治療，還加速了藥物釋放，進一步提高了治療效果。
材料
殼聚糖（CS）（分子量約50-190 kDa）、β-環糊精（β-CD）（97%）、苯胺（ANI）單體（≥99.8%）、對甲苯磺酰氯（TsCl，≥99%）、乙醇（≥99%）、乙酸（≥99%）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF，≥99.5%）、過硫酸銨（APS）、鹽酸（HCl，37%）、二甲基亞砜（DMSO，≥99.7%）、N-甲基吡咯烷酮（NMP，≥99%）、乙腈（≥99.7%）、氫氧化鈉（NaOH）、地塞米松（DEX，>98%）和磷酸鹽緩沖鹽水（PBS）均購自Sigma-Aldrich，使用前未經處理。
功能化殼聚糖前體和SNGs的表征
CS-g-CD和CS-g-PANI共聚物的合成路線以及SNG的組裝過程在圖1中示意性地展示。純CS、純β-CD和改性材料的FTIR結果見補充信息第S2節。對于主客體復合物（圖1(b)），中心位于3450 cm?1的寬峰表明了主分子羥基（O–H）與客體共聚物胺基（N–H）之間的氫鍵相互作用。
結論
我們通過聚苯胺和β-環糊精接枝殼聚糖的主客體組裝，設計了一種多刺激響應的超分子納米凝膠（SNG）平臺。優化后的配方（主客體重量比2:1）表現出良好的物理化學性質，包括均勻的流體動力學直徑約35納米和68%的高藥物包封效率，穩定性通過動態超分子交聯得到維持。動力學研究表明，藥物釋放
DOI
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實驗部分的表征、額外方法，純PANI的1H NMR譜，6-OTs-β-CD的合成示意圖及其1H NMR譜，客體共聚物的13C NMR分析，純PANI和純β?CD的結晶度和熱性質，不同主客體組合的UV-Vis光譜，以及pH 7.4和4.2溶液中客體的熒光發射光譜，Benesi-Hildebrand方程，CS的FE-SEM圖像，TEM圖像
CRediT作者貢獻聲明
Atakan Meran：撰寫 – 審稿與編輯，方法學，概念化。Farhang Abbasi：撰寫 – 審稿與編輯，可視化，驗證，監督，資源管理，項目管理，方法學，資金獲取，概念化。?al??kaner Zihni：撰寫 – 審稿與編輯，方法學，概念化。Floria Adeli：撰寫 – 審稿與編輯，方法學，概念化。Sahar Afif：撰寫 – 初稿撰寫，可視化，驗證，方法學，研究，形式化
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文報告工作的財務利益或個人關系。
致謝
本工作得到了伊朗科學技術研究部國際科學研究與合作中心（CISSC）的支持。
