柠檬酸交联羧甲基纤维素水凝胶微针实现胰岛素的温和负载与快速透皮递送

《International Journal of Pharmaceutics》：Citric acid–crosslinked carboxymethyl cellulose hydrogel microneedles enable gentle loading and rapid transdermal delivery of insulin

本研究开发了一种基于柠檬酸交联羧甲基纤维素的水凝胶微针(CMC-CA HMN)系统，解决了传统微针系统在蛋白质递送中存在的生物活性保持难题。通过热酯化反应构建富含羧基的水凝胶网络，实现了酸性条件下静电吸附负载胰岛素、生理pH下快速释放的智能递送机制。体外实验证实该系统具有优异的机械强度和皮肤穿透能力，动物实验显示0.6 IU胰岛素负载的HMN贴片降糖效果与0.2 IU皮下注射相当，为糖尿病治疗提供了安全高效的新型透皮递送方案。

　　

在糖尿病治疗领域，胰岛素注射长期以来一直是患者日常管理血糖的主要方式。然而，传统的皮下注射不仅会给患者带来疼痛和不适，还可能导致注射部位脂肪增生、胰岛素抵抗等问题。更令人困扰的是，这种给药方式需要严格的剂量控制和精确的注射时间，给患者的日常生活带来了极大不便。近年来，随着微针(Microneedle, MN)技术的发展，透皮给药为胰岛素递送提供了新的可能。通过微米级的针尖阵列穿透皮肤最外层的角质层，微针能够将药物直接送达富含血管的真皮层，从而实现高效递送的同时避免刺激神经末梢，大大减轻患者的痛苦。

在各类微针技术中，水凝胶微针(Hydrogel-forming Microneedles, HMNs)因其独特的优势备受关注。它们能够在干燥状态下保持足够的机械强度穿透皮肤，在吸收组织液后形成纳米通道促进药物扩散，且使用后不会在皮肤内残留聚合物。然而，现有的水凝胶微针系统仍面临诸多挑战：许多系统采用紫外光引发的自由基聚合法，存在残留单体和光引发剂副产物的安全风险；敏感的生物大分子在制备过程中容易受到自由基和热应力的损伤；而现有的葡萄糖响应型胰岛素递送系统通常依赖于过氧化氢生成或pH波动机制，这些复杂性都限制了其临床应用。

为了突破这些技术瓶颈，天津理工大学张曼和王元鹏研究团队在《International Journal of Pharmaceutics》上发表了一项创新性研究，开发了一种基于柠檬酸交联羧甲基纤维素的水凝胶微针(CMC-CA HMN)系统。该系统采用完全基于静电作用的pH响应机制，实现了胰岛素的安全负载和快速释放，为蛋白质药物的透皮递送提供了新的技术路径。

研究人员主要采用了热诱导酯交联技术构建水凝胶基质，通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)验证交联效果，利用力学测试评估微针的机械性能，并通过离体猪皮肤模型和糖尿病大鼠模型分别考察了系统的透皮递送效率和降血糖效果。

材料与方法

研究选用羧甲基纤维素(Carboxymethyl Cellulose, CMC)和柠檬酸(Citric Acid, CA)作为主要原料，通过热酯化反应构建交联网络。通过优化反应条件，获得了具有理想机械性能和溶胀特性的水凝胶材料。

制备与表征

热酯化反应成功在CMC分子链间形成了酯键交联，FTIR光谱在1730 cm^-1处出现的特征峰证实了酯键的形成。水凝胶表现出pH依赖的溶胀行为，在酸性条件下溶胀度较低，而在中性pH条件下迅速溶胀，这一特性为pH触发的胰岛素释放奠定了基础。

胰岛素负载与释放

利用CMC-CA基质富含羧基的特性(pK_a≈4.3)，开发了"吸附-翻转"的负载策略。在pH 2.0的酸性条件下，带正电荷的胰岛素通过静电作用与带负电的羧基结合，负载量达到8.7 mg·g^-1。当环境pH升至生理pH 7.4时，胰岛素电荷反转，通过静电排斥作用实现快速释放。

机械性能与皮肤穿透

力学测试表明CMC-CA HMN具有足够的机械强度（0.15 N/针）穿透皮肤屏障。离体猪皮肤实验证实微针能够有效创建微孔通道，并促进药物向真皮层的快速扩散。

体内药效评价

在糖尿病大鼠模型中，负载0.6 IU胰岛素的HMN贴片产生的降血糖效果和药代动力学特征与0.2 IU皮下注射相当，而0.3 IU剂量组效果较弱。组织学分析显示该系统具有优异的生物相容性，未引起明显炎症反应。

结论与讨论

该研究成功开发了一种基于绿色交联化学的CMC-CA HMN平台，实现了胰岛素的安全负载和快速透皮递送。与传统方法相比，该技术避免了紫外光固化、自由基暴露等可能损害蛋白质完整性的因素，采用完全物理的静电作用机制，保证了胰岛素的生物活性。更重要的是，这种"吸附-翻转"的负载策略具有普适性，可推广至其他具有合适等电点的蛋白质药物，如GLP-1类似物、干扰素-γ等。

这项研究不仅为糖尿病治疗提供了更加患者友好的给药方案，也为蛋白质药物的透皮递送开辟了新的技术路径。通过简化制备工艺、提高安全性、确保递送效率，CMC-CA HMN平台展现出良好的临床转化前景，有望推动微针技术在慢性病治疗领域的广泛应用。