基于Box-Behnken设计方法的pH响应性壳聚糖-氧化石墨烯纳米复合水凝胶优化研究：用于抗菌伤口治疗中左氧氟沙星的持续释放

《Journal of Pharmaceutical Innovation》：Box-Behnken Design Optimization of pH-Responsive Chitosan-Graphene Oxide Nanocomposite Hydrogel for Sustained Levofloxacin Delivery in Antimicrobial Wound Therapeutics

慢性伤口中耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）感染导致住院延长和截肢风险增加，本研究基于感染组织酸性环境（pH 4.5-6.0），通过QbD策略将具有粘附性和阳离子特性的壳聚糖（Cs）与高比表面积pH响应石墨烯氧化物（GO）复合，构建缓释左氧氟沙星（LVX）的纳米水凝胶。采用Box-Behnken设计优化Cs:GO比例（82.31%包封率）、戊二醛浓度等4个关键参数，最终制备的纳米复合水凝胶在模拟酸性环境中实现高效缓释（20小时释放85% LVX），并显著降低MRSA生物膜形成（MIC 0.5 μg/mL），动物实验证实其可90%清除病原菌并促进伤口完全再上皮化。

　　

摘要

由耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）定植的慢性伤口会延长住院时间，增加截肢风险，并加速抗菌素耐药性（AMR）的发展。为了解决这一问题，我们利用了感染组织的酸性pH值（4.5-6.0），并采用了ICH Q8/Q9质量源于设计（QbD）方法，将黏膜粘附性阳离子壳聚糖（Cs）与高表面积、对pH值敏感的氧化石墨烯（GO）结合，制备出一种纳米复合材料。该复合材料能够在伤口部位持续释放左氧氟沙星（LVX），从而减少用药频率并降低耐药性产生的选择压力。这项基于QbD的研究开发了Cs-GO纳米复合水凝胶，用于实现pH响应性的LVX释放。通过Box-Behnken设计（BBD）和Design-Expert^? v13.0中的响应面方法（RSM）对配方进行了优化。风险评估（ICH Q9）确定了四个关键工艺参数（CPPs）：壳聚糖与氧化石墨烯的比例（X?）、戊二醛浓度（X?）、搅拌速度（X?）和超声处理时间（X?），这些参数有助于优化关键质量属性（CQAs），如药物包封效率和颗粒均匀性。最终得到的纳米颗粒具有82.31%的药物包封率、180纳米的粒径、-29.86 mV的ζ电位以及0.293的多分散指数（R2 > 0.85）。这些载有LVX的Cs-GO纳米颗粒随后被分散在HPMC/Eudragit水凝胶基质（TGLN4）中，制成了最终的产品——纳米复合水凝胶敷料。该制剂表现出pH依赖性的释放动力学特性：在pH 5.5的条件下，20小时内可释放85%的LVX，这一过程受到离子凝胶化、氢键作用和戊二醛交联的驱动，同时表现出异常扩散行为（Peppas n = 0.65）。体外实验表明，该材料具有优异的机械性能（粘度约为3.4 × 103 cP），并对MRSA具有显著的抑制作用（最小抑菌浓度为0.5 μg/mL）。LVX与GO的结合能够快速杀灭细菌，这与基于GO的材料的氧化损伤特性一致。在大鼠MRSA伤口模型中的体内研究证实，21天后细菌数量减少了90%，伤口实现了完全再上皮化，且促炎细胞因子的水平比对照组低五倍。ICH稳定性测试也证明了该产品的保质期稳定性（6个月内降解极少）。这一可扩展的QbD平台为可制造的生物纳米复合材料在局部抗菌治疗中的应用提供了支持，减少了用药频率和抗菌素耐药性的风险，同时为进一步的生产开发奠定了基础。

由耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）定植的慢性伤口会延长住院时间，增加截肢风险，并加速抗菌素耐药性（AMR）的发展。为应对这一问题，我们利用了感染组织的酸性pH值（4.5-6.0），并采用了ICH Q8/Q9质量源于设计（QbD）方法，将具有黏膜粘附性的阳离子壳聚糖（Cs）与高表面积、对pH值敏感的氧化石墨烯（GO）结合，制备出一种纳米复合材料。这种复合材料能够在伤口部位持续释放左氧氟沙星（LVX），从而减少用药频率并降低耐药性产生的选择压力。通过Box-Behnken设计（BBD）和Design-Expert^? v13.0中的响应面方法（RSM）对配方进行了优化。风险评估（ICH Q9）确定了四个关键工艺参数（CPPs）：壳聚糖与氧化石墨烯的比例（X?）、戊二醛浓度（X?）、搅拌速度（X?）和超声处理时间（X?），这些参数有助于优化关键质量属性（CQAs），如药物包封效率和颗粒均匀性。最终得到的纳米颗粒具有82.31%的药物包封率、180纳米的粒径、-29.86 mV的ζ电位以及0.293的多分散指数（R2 > 0.85）。这些载有LVX的Cs-GO纳米颗粒随后被分散在HPMC/Eudragit水凝胶基质（TGLN4）中，制成了最终的产品——纳米复合水凝胶敷料。该制剂表现出pH依赖性的释放动力学特性：在pH 5.5的条件下，20小时内可释放85%的LVX，这一过程受到离子凝胶化、氢键作用和戊二醛交联的驱动，同时表现出异常扩散行为（Peppas n = 0.65）。体外实验表明，该材料具有优异的机械性能（粘度约为3.4 × 103 cP），并对MRSA具有显著的抑制作用（最小抑菌浓度为0.5 μg/mL）。LVX与GO的结合能够快速杀灭细菌，这与基于GO的材料的氧化损伤特性一致。在大鼠MRSA伤口模型中的体内研究证实，21天后细菌数量减少了90%，伤口实现了完全再上皮化，且促炎细胞因子的水平比对照组低五倍。ICH稳定性测试也证明了该产品的保质期稳定性（6个月内降解极少）。这一可扩展的QbD平台为可制造的生物纳米复合材料在局部抗菌治疗中的应用提供了支持，减少了用药频率和抗菌素耐药性的风险，同时为进一步的生产开发奠定了基础。