壳聚糖/海藻酸盐聚电解质磁性凝胶纳米结构：具有可调机械性能，适用于磁热疗法及5-氟尿嘧啶的持续释放

《ACS Applied Materials & Interfaces》：Chitosan/Alginate Polyelectrolyte Magnetic Gel Nanoarchitectonics with Tunable Mechanical Properties for Magnetic Hyperthermia and Sustained Release of 5-Fluorouracil

壳聚糖/海藻酸钠磁性凝胶通过pH触发的自组装方法制备，结合锰掺杂磁性纳米颗粒（合成于氨基酸辅助的氧化水热法）实现可调机械性能（最大储能模量10 kPa）和5-FU的协同缓释（酸性pH和磁热疗增强），为肿瘤靶向治疗提供创新材料。

　　本研究介绍了一种新型的壳聚糖/海藻酸盐聚电解质磁性凝胶，该凝胶具有可调节的机械性能，适用于癌症治疗中的药物递送系统。传统上，壳聚糖基水凝胶由于机械性能不足，通常需要通过化学交联来提高药物的持续释放效果。此外，为了使壳聚糖具备刺激响应性，常常需要化学修饰，而这可能会进一步影响凝胶的物理特性。因此，本研究开发了一种基于pH触发自组装的壳聚糖/海藻酸盐磁性凝胶，通过pH变化来调控其机械性能，并与磁性纳米颗粒结合，以实现对水溶性化疗药物5-氟尿嘧啶（5-FU）的持续和可控释放。该凝胶具有较高的磁热性能和机械强度，有望成为一种多功能的药物递送平台。

壳聚糖是一种通过甲壳素脱乙酰化得到的天然多阳离子聚合物，主要由β-(1→4)-连接的d-葡萄糖胺和N-乙酰-d-葡萄糖胺单体单元组成。壳聚糖因其良好的生物相容性、生物降解性和伤口愈合能力，被广泛应用于多种生物医学领域。此外，壳聚糖还具有黏附性和抗菌性，这使其在药物递送系统中展现出良好的应用前景。然而，壳聚糖基凝胶存在一些限制，例如其较差的水溶性、无法形成水凝胶以及机械强度较弱等问题，这限制了其在某些领域的应用，包括药物递送。为了解决这些问题，研究人员通常采用化学修饰或交联技术，但这些方法可能会影响壳聚糖的低毒性和生物活性。

为了解决这一问题，研究团队提出了一种结合壳聚糖与带相反电荷的聚合物形成聚电解质复合物（PECs）的方法，以调节凝胶的性能，同时保留壳聚糖的优良特性。在众多阴性聚合物中，海藻酸盐因其在生理pH下能够形成壳聚糖基聚电解质凝胶而受到关注。海藻酸盐由(1,4)-β-d-甘露糖酸和α-l-葡萄糖酸组成，可以通过调节pH、浓度、壳聚糖/海藻酸盐比例、电荷密度、离子强度和温度等因素来调控凝胶的性能。然而，目前用于药物递送的壳聚糖/海藻酸盐凝胶大多包含经过化学修饰或交联的壳聚糖，而物理性的壳聚糖/海藻酸盐凝胶则较少被研究，尽管它们具有良好的机械性能。

在药物递送中，壳聚糖基磁性凝胶被用于5-FU、多柔比星、地塞米松和核黄素等多种药物的输送。其中，5-FU是一种重要的抗癌药物，能够抑制胸苷酸合成酶，从而降低DNA复制和修复所需的脱氧胸苷三磷酸，最终诱导癌细胞死亡。5-FU被广泛用于乳腺癌、胰腺癌、皮肤癌、胃癌、食管癌和头颈癌等恶性肿瘤的治疗。然而，5-FU也存在一些局限，例如半衰期较短、细胞毒性较高以及生物利用度较低等问题。

为了解决这些挑战，本研究开发了一种基于pH触发自组装的壳聚糖/海藻酸盐聚电解质磁性凝胶。该凝胶通过pH的变化来实现其形成，并与磁性纳米颗粒结合，以提高药物的持续释放效果。研究中采用了一种氨基酸辅助的氧化水热法来合成磁性纳米颗粒，其中使用的氨基酸包括苯丙氨酸、丙氨酸、甘氨酸、天冬酰胺、半胱氨酸和谷氨酸。这些纳米颗粒具有合适的磁性性能和较高的磁热效率，能够有效支持药物的释放。此外，通过调节pH变化的路径和条件，研究人员能够调控凝胶的机械性能，使其能够在较低的聚合物浓度下（≤2 wt%）实现较高的储能模量（高达10 kPa）。

该磁性凝胶在模拟生理条件下能够实现5-FU的持续释放，并且在酸性条件和磁热的共同作用下，其释放动力学得到了显著增强。因此，这种新型的自组装壳聚糖/海藻酸盐磁性凝胶展现出良好的多功能性，结合了可调节的机械性能、磁热能力和持续药物释放。这些特性使得该磁性凝胶成为一种具有广泛适用性和灵活性的材料，适用于局部和可控的药物递送。

为了进一步理解该磁性凝胶的性能，研究团队对其进行了系统的表征和测试。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）测量，研究人员确认了氨基酸在纳米颗粒表面的结合，以及壳聚糖/海藻酸盐凝胶的形成。此外，通过流变学测试，研究人员评估了不同pH变化路径对凝胶机械性能的影响。结果表明，pH变化的速率和浓度可以显著调控凝胶的机械性能，使其能够在较低的聚合物浓度下实现较高的储能模量。

在磁性纳米颗粒的合成和性能评估方面，研究团队采用了一种氨基酸辅助的氧化水热法，成功合成了具有较高饱和磁化率和磁热效率的锰掺杂铁氧体纳米颗粒。这些纳米颗粒在溶液中表现出良好的磁性性能，并且在与壳聚糖/海藻酸盐凝胶结合后，其磁热效率得到了进一步增强。此外，通过调节pH变化的路径和条件，研究人员能够调控磁性凝胶的机械性能，使其能够在较低的聚合物浓度下实现较高的储能模量。

在药物释放实验中，研究人员对两种不同pH变化路径（GdL方法和pH切换方法）下的磁性凝胶进行了测试。结果表明，酸性条件下的药物释放速度较快，而磁热的加入则进一步增强了药物的释放效果。此外，磁性凝胶的释放动力学可以通过数学模型进行拟合，如Korsmeyer–Peppas模型和Gompertz模型，这些模型能够提供关于药物释放机制的深入理解。

在结论部分，研究团队指出，这种基于pH触发自组装的壳聚糖/海藻酸盐磁性凝胶在药物递送方面展现出良好的性能，具有可调节的机械性能和持续释放能力。此外，磁性纳米颗粒的加入不仅提高了凝胶的磁热效率，还增强了药物的释放效果。因此，这种新型的磁性凝胶有望成为一种多功能的药物递送平台，适用于多种癌症治疗和伤口愈合的应用。

通过本研究，研究人员展示了壳聚糖/海藻酸盐磁性凝胶在药物递送方面的潜力，同时也为未来的研究提供了方向。未来的工作可能包括评估该凝胶在体内的长期稳定性和安全性，开发具有更好磁性和生物相容性的磁性纳米颗粒，以及探索其在其他药物输送中的应用。这些研究将进一步推动壳聚糖/海藻酸盐磁性凝胶在生物医学领域的应用，为个性化治疗提供新的思路。