摘要

隨著精準醫療需求的增長，需要能夠實現定點持續釋放的智能藥物遞送系統。在本研究中，通過快速微波輔助方法合成了基于CTS-g-P(MAn-co-MA)的pH響應性生物聚合物微凝膠（PBM），并通過加入Ag納米顆粒（Ag NPs）形成了PBM@Ag復合材料，從而增強了其功能。利用FTIR、拉曼光譜（Raman）、XRD、TGA-DTG、DSC、SEM以及粒徑-ζ電位分析（particle size–zeta potential analysis）對結構和物理化學性質進行了表征，證實了Ag NPs在聚合物網絡中的成功接枝、交聯及均勻分散。原始PBM和復合PBM均表現出明顯的pH依賴性膨脹行為和負表面電荷。使用核黃素（riboflavin）作為模型藥物進行的體外釋放研究表明，PBM@Ag在模擬生理條件下的釋放更為持續且受pH控制，與原始PBM相比釋放時間顯著延長。密度泛函理論計算進一步闡明了PBM-藥物復合物的穩定性，并揭示了控制藥物保留和釋放的主要非共價相互作用。總體而言，PBM@Ag微凝膠具有易于合成、可調的pH響應性和增強的釋放控制能力，是用于親水性藥物可控遞送的有前景的載體。

引言

為了精確治療各種疾病，生物醫學和制藥科學催生了多種技術，這些技術可以廣泛應用于特定藥物或其他生物活性物質的定點遞送。藥物給藥是有效疾病管理的首要和關鍵步驟，確保藥物的安全、高效使用，并最大化治療效果¹。然而，傳統的藥物給藥方式存在諸多缺點，如藥物生物利用度低、副作用、毒性、藥物釋放不穩定以及治療效果不佳²。為了解決這些問題，研究人員開發了多種藥物遞送系統（DDS），包括納米顆粒³、聚合物膠束⁴、微球⁵、脂質體⁶和水凝膠⁷。其中，水凝膠因其不可替代的物理化學和藥代動力學特性而受到廣泛關注。水凝膠的質地類似于天然組織，能夠在其網絡中吸收大量水分或生物液體。此外，它們還具有出色的生物相容性、結構完整性、彈性和可降解性⁸。水凝膠可以作為植入物或通過口服、透皮、鼻腔等多種途徑給藥⁹，能夠在特定位置維持恒定的藥物劑量，并保護藥物免受酶解，從而實現持續釋放。 水凝膠是由交聯的聚合物構成的三維（3D）網絡。通常，交聯反應可以通過化學交聯劑（共價相互作用）或物理交聯劑（離子相互作用）來完成。然而，使用甲醛（Glutaraldehyde）、N,N′-甲基丙烯酰胺（N,N′-Methylenebisacrylamide）等化學交聯劑進行共價交聯往往會對水凝膠產生毒性并降低其可降解性，因此不適合生物醫學應用¹⁰。為避免這一問題，我們采用Ag納米顆粒作為納米填料實現物理交聯，并采用微波輻照技術獲得雙重交聯的三維網絡¹¹。這種交聯方式具有許多優點，如反應時間短、可降解性強、無需使用潛在有毒的交聯劑等。許多研究者報道了無需化學交聯劑的輻照化學制備的水凝膠，并將其作為DDS進行了廣泛研究¹²。Shim等人¹²在殼聚糖（chitosan）存在下通過伽馬射線（gamma radiation）進行了丙烯酸的模板聚合，該水凝膠被用于5-氟尿嘧啶（5-fluorouracil）藥物的釋放研究。過去幾十年中，由于水凝膠的獨特性質（可調節藥物釋放），研究者對其進行了深入研究。智能DDS是這些研究的典范，能夠在環境刺激（如pH值¹³、溫度¹⁴、光¹⁵、化學反應¹⁶、特定酶¹⁷或磁場/電場¹⁹）的觸發下按需釋放藥物。pH敏感型DDS可有效用于生物活性化合物的持續釋放，因為不同器官、組織或細胞的生理條件（如pH值和溫度）各不相同²⁰。例如，結腸的pH值為7.0-7.5，胃腸道的pH值為1.5-3.5，血液的pH值為7.4，胃的pH值范圍為1-3，細胞內的溶酶體pH值約為5.0，而腫瘤細胞的pH值可能在5.7-7.8之間變化。pH敏感型DDS能夠利用這些生物學差異，實現藥物在目標位置的精準遞送。 由于生物醫學領域主要關注低毒性、可降解性和非免疫原性材料，天然存在的生物聚合物和蛋白質成為開發藥物遞送生物材料的理想選擇。殼聚糖（CTS）是一種具有上述特性的豐富生物聚合物，可用于有效的藥物遞送²¹。CTS具有無毒性和多功能性，為設計和改性提供了安全的基礎。基于CTS的材料具有黏附性，可延長在特定位置的停留時間，其固有的抗菌特性降低了傷口愈合過程中的感染風險，并能實現局部藥物遞送。此外，CTS還具有可降解性和易于滅菌的特點，使其成為制藥和生物技術領域非常通用的生物材料支架。CTS還被歸類為pH敏感型生物聚合物，因為其氨基在低pH值下會質子化，從而改變其膨脹行為²²。不過，CTS的溶解度較低限制了其在相關領域的廣泛應用，因此許多研究者通過接枝親水性單體來彌補這一缺陷。文獻中也指出，將合適的pH敏感單體接枝到CTS上可以生成陽離子或聚兩性聚合物，使其能在不同pH環境下響應²³。基于這一概念，我們選擇了甲基丙烯酸和甲基丙烯酸酐（methacrylic anhydride）單體進行接枝共聚，因為它們在食品和制藥工業中廣泛應用，具有良好的可降解性、pH響應性和易于工業化生產等優點²⁴。 近年來，分子動力學（MD）、力場（FF）、蒙特卡洛（MC）模擬和密度泛函理論（DFT）等計算技術因能夠確定簡單到復雜系統的電子、物理和化學性質而受到廣泛關注。DFT是一種先進的工具，在藥物遞送研究中得到廣泛應用，用于分析藥物-基質復合物和釋放動力學²⁵。它可以預測系統內的主要非共價相互作用（如氫鍵、疏水相互作用、范德華力等），并預測分子的化學反應性²⁶。 在本研究中，我們旨在基于CTS-g-Poly (MAn-co-MA)凝膠設計一系列pH敏感型藥物釋放載體。首先通過接枝兩種親水性單體對CTS進行改性，然后向原始凝膠中加入優化量的Ag納米顆粒制備復合凝膠²⁷, ²⁸。通過FTIR和拉曼光譜對化學結構進行了表征，并通過TGA-DTG、DSC、OM、SEM和XRD分析比較了原始凝膠和復合凝膠的性質變化。還研究了單體接枝效應、粒徑、pH依賴性膨脹行為及pHzeta電位分析。為了評估藥物釋放曲線，使用了核黃素（RF）作為模型藥物，在不同pH條件下進行了體外測試。在此過程中，我們還利用DFT技術計算了各種全局量子分子描述符（QMDs）以及通過Koopman定理和前線分子軌道（FMO）方法確定了分子的HOMO-LUMO能級。此外，通過非鍵合軌道（NBO）方法評估了藥物-基質復合物，并確定了其化學反應性。

材料

殼聚糖（CTS，中度脫乙酰度超過75%）、甲基丙烯酸酐（MAn，94%）和甲基丙烯酸（MA，99%）購自Sigma-Aldrich。2,2'-偶氮（2-甲基丙酰胺）二鹽酸鹽（AAPH，97%）、醋酸（AcOH）、鹽酸（HCl）、氫氧化鈉（NaOH）和Ag納米顆粒（Ag NPs，Type-I）購自Spectrochem（印度）。核黃素（RF，維生素B₂純品）購自SRL（印度）。所有實驗均使用雙蒸餾水。

PBM凝膠和復合材料的制備

基于CTS-g-Poly (MAn-co-MA)的pH敏感型生物聚合物凝膠的合成過程采用了微波輻照技術，在水介質中實現了親水性單體的同時接枝（圖1概述了反應機制）。首先，我們優化了相應單體的摩爾比（MAn和MA），以獲得最佳膨脹性能的凝膠（見表1）。基于這一結果，選擇了PBM-5配方。

結論

本研究成功合成了基于CTS(MAn-co-MA)的pH響應性PBM凝膠以及CTS(MAn-co-MA)/Ag NPs復合材料。光譜（FTIR和Raman）和結構（XRD）分析證實了MA和MAn單體在CTS主鏈上的有效接枝，以及Ag NPs在PBM凝膠網絡中的均勻分布。Ag NPs的加入顯著改變了凝膠的結晶度、形態、表面電荷和熱穩定性。

作者貢獻聲明

Manishkumar Punambhai Patel：撰寫、審稿與編輯、監督、資源協調、概念構思。 Rupa B. Mukherjee：數據可視化、軟件處理。 Navin P. Chikhaliya：數據可視化、軟件處理。 Vishal A. Rana：初稿撰寫、方法設計、實驗研究、概念構思。 Mithil H. Trivedi：數據整理。

倫理批準

由于本研究未涉及實驗動物或人類參與者，因此不適用倫理批準要求。

披露聲明

作者聲明不存在任何需要披露的利益沖突。

數據可用性

數據可在文章或其補充材料中獲取。

資助情況

作者聲明在撰寫本文過程中未接受任何資金、資助或其他形式的支持。

利益沖突聲明

作者聲明沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文的研究結果。

致謝

本研究得到了Sardar Patel大學化學系的支持。作者感謝KCG提供的SHODH獎學金項目（獎勵函編號：KCG/SHODH/2022-23/，日期：2022年10月7日）。