开发了一种具有增强黏附性和流变特性的硫醇化羧甲基塔拉胶衍生物

《Carbohydrate Polymer Technologies and Applications》：Development of a Thiolated Carboxymethyl Tara Gum Derivative with Enhanced Mucoadhesive and Rheological Behavior

塔拉胶经羧甲基化和硫醇化合成的硫代塔拉胶（CMTG-SH）具有显著流变学协同效应和生物粘附性，在pH 6.8下与粘液混合时弹性模量增加40倍，生物粘附力达12.9，且在酸性条件下仍保持粘附性能。该材料通过硫醇-二硫键形成增强网状结构，兼具高溶解性、热稳定性和可持续特性，适用于胃溶留药物递送系统。

　　这是一项关于新型生物聚合物设计的研究，其重点在于开发一种具有增强粘附性能和流变特性，适用于胃滞留型药物输送系统的硫醇化聚糖。研究团队通过一系列化学修饰步骤，成功合成了具有特定硫醇浓度的羧甲基塔拉胶（CMTG-SH），并对其物理化学、流变学以及粘附特性进行了全面分析。研究结果表明，CMTG-SH作为一种可持续的生物材料，具有显著的潜在应用价值。

### 研究背景与意义

药物输送系统（DDS）的开发在过去几十年中备受关注，尤其是在提升药物在粘膜表面的滞留时间和促进药物与组织的接触方面。这些系统通过增强药物的吸收和疗效，为治疗提供了新的途径。然而，许多活性药物成分在胃酸环境中不稳定，可能在发挥药效前发生降解。因此，需要开发一种能够有效粘附于胃粘膜，抵抗酸性环境，并实现药物控释的输送平台。

在这一背景下，硫醇化聚合物（thiomers）作为一种创新性的粘附材料，因其能够通过与富含半胱氨酸的粘蛋白形成稳定的二硫键而受到关注。这种稳定的三维网络结构显著增强了粘附性、机械强度和在动态胃环境中维持滞留的能力。此外，硫醇化聚合物还能提供额外的好处，如酶抑制、增强上皮渗透性和延长药物释放时间。然而，它们在酸性环境中的氧化敏感性，也促使了S-保护衍生物的开发，以保持硫醇功能。

塔拉胶（TG）作为一种天然高分子量的半乳甘露聚糖，来源于南美洲的植物种子，特别是秘鲁的Caesalpinia spinosa。它具有食品级、低成本、可持续和尚未充分开发的特点，使其成为药物输送系统的理想材料。TG的高羟基密度使其能够进行广泛的化学修饰，例如羧甲基化（CMTG）和硫醇化（CMTG-SH）。相比其他天然聚糖，如壳聚糖，TG不仅更丰富，还具有更大的功能化潜力，因此被视为一种经济且可持续的生物聚合物来源。

### 材料与方法

研究中使用了多种化学试剂，包括单氯乙酸（MCA）、1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐（EDC）、N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）以及5,5′-二硫代双(2-硝基苯甲酸)（DNTB），这些试剂用于硫醇化反应。此外，还使用了猪胃粘蛋白（type II，含有结合唾液酸，≤1.2%）和磷酸盐缓冲液（PBS）进行粘附性能测试。

合成过程分为两个步骤：首先进行羧甲基化，使用微波辅助的醚化反应；随后进行硫醇化，通过碳二亚胺介导的酰胺偶联反应引入硫醇基团。为了确保反应条件的优化，研究团队采用中心复合旋转设计（CCRD）对反应参数进行了统计分析，包括L-半胱氨酸的浓度、EDC的浓度以及反应pH值。通过这一设计，可以评估这些参数对硫醇含量（DSSH）的影响，并建立一个描述反应行为的二次多项式回归模型。

为了量化硫醇和二硫键的含量，研究团队采用了Ellman试剂（DTNB）进行比色分析。该方法依赖于DTNB与自由硫醇基团的反应，形成2-硝基-5-硫代苯甲酸（TNB），其在412 nm处具有强吸收特性。通过比较总硫醇含量和自由硫醇含量，可以计算出二硫键的形成程度。此外，研究还采用了傅里叶变换红外光谱（FTIR）、核磁共振（NMR）、热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）对材料的结构和热行为进行了表征。扫描电子显微镜（SEM）用于分析材料的表面形态，而流变学测试则用于评估其粘弹性行为和粘附性能。

### 研究结果与讨论

研究结果表明，CMTG-SH的合成过程非常成功，其硫醇含量（DSSH）约为0.9，硫醇浓度约为2.88 mmol/g。FTIR和NMR分析进一步验证了CMTG-SH的结构，确认了硫醇基团的成功引入以及二硫键的形成。这些化学修饰不仅改变了材料的化学结构，还显著影响了其物理性质，如溶胀能力和溶剂溶解度。

在溶剂溶解度方面，CMTG-SH表现出明显的pH响应性。在pH 2–3的强酸性条件下，其溶解度为7–12 mg/mL；而在pH 5–6的弱酸性或中性条件下，溶解度显著增加至17–40 mg/mL。这种pH依赖性溶解行为有助于控制药物的释放速率，从而提高药物的生物利用度。

流变学分析显示，CMTG-SH具有显著的弹性行为。当与粘蛋白（1:2 w/w）混合时，其储能模量（G′）增加了40倍，达到ΔG′/G′ = 39.4 ± 2.6 Pa，表明其与粘蛋白之间存在强烈的协同作用。此外，CMTG-SH在酸性条件下（pH 4.0）仍然表现出正向的协同效应，其储能模量为ΔG′ = 24.9 ± 2.1 Pa，说明其在胃酸环境下的粘附性能依然稳定。

SEM分析进一步揭示了CMTG-SH的微观结构变化。与原始TG相比，CMTG-SH表现出更复杂的纤维-多孔结构，这表明硫醇化过程促进了分子间交联，形成了更稳定的三维网络。这种结构变化有助于增强其在胃部环境中的粘附性和机械强度。

在生物粘附性能方面，CMTG-SH在pH 6.8条件下与粘蛋白混合时表现出最强的粘附能力，其生物粘附力（Fbio）达到12.9，而当在pH 4.0条件下时，其粘附力仍然显著，达到12.9。这些结果表明，CMTG-SH不仅能在中性条件下与粘蛋白形成稳定的粘附，还能在酸性胃环境中保持一定的粘附能力，从而适用于胃滞留型药物输送系统。

### 合成过程与优化

研究团队通过两步法对CMTG进行了硫醇化处理。首先进行羧甲基化，通过微波辅助的醚化反应引入羧基团，随后通过碳二亚胺介导的酰胺偶联反应引入硫醇基团。在羧甲基化过程中，反应条件的优化至关重要。通过控制反应时间和温度，确保了羧基团的有效引入，同时避免了热降解。在硫醇化过程中，L-半胱氨酸的浓度和反应pH值被优化，以确保硫醇基团的最大化引入。

研究团队通过中心复合旋转设计（CCRD）对硫醇化反应进行了优化，评估了L-半胱氨酸、EDC和反应pH值对硫醇含量（DSSH）的影响。结果显示，二次项对CMTG-SH的硫醇含量影响最大，特别是L-半胱氨酸和EDC的浓度。这些结果表明，CMTG-SH的合成需要特定的化学条件，以实现最佳的硫醇含量和粘附性能。

### 潜在应用与未来展望

CMTG-SH的开发为胃滞留型药物输送系统提供了新的材料选择。其良好的粘附性和流变性能使其成为一种理想的生物粘附材料，适用于药物输送、组织工程和控释系统。此外，CMTG-SH的低毒性和可持续来源，使其在制药和生物医学领域具有广泛的应用前景。

尽管CMTG-SH表现出良好的粘附性能和流变特性，但其长期稳定性仍需进一步研究。由于硫醇基团容易受到氧化作用的影响，因此需要采取适当的保护措施，如S-保护和抗氧化剂的添加，以确保其在储存和加工过程中保持活性。此外，未来的研究应关注其在体内的性能，包括在实际药物输送系统中的行为和生物相容性。

### 结论

本研究成功合成了具有特定硫醇含量的CMTG-SH，并通过多种分析手段对其结构、热行为、流变学和生物粘附性能进行了全面评估。结果显示，CMTG-SH具有显著的粘附性能和流变增强效应，特别是在接近中性的pH条件下，表现出极高的粘附力和储能模量。这些特性使其成为一种具有广泛应用前景的生物粘附材料，适用于胃滞留型药物输送系统和其他粘膜药物输送平台。

尽管CMTG-SH的合成和表征取得了一定的成功，但在实际应用中仍需克服一些挑战，如硫醇基团的氧化降解和批次间的性能差异。因此，未来的研究应关注如何优化其合成过程，提高其长期稳定性，并评估其在体内的生物相容性和生物降解性。通过这些努力，CMTG-SH有望成为一种经济、环保且高效的新型生物粘附材料，为未来的药物输送系统提供重要的支持。