基于甲基纤维素的可注射自愈合温敏水凝胶用于疏水性生物活性物质的局部递送

《Biomaterials Advances》：Injectable self-healing thermoresponsive hydrogel based on methylcellulose for localized delivery of hydrophobic bioactives

　　

可注射的自愈合温敏水凝胶，基于甲基纤维素（Methylcellulose, MC），用于疏水性生物活性物质的局部递送。温敏性可注射水凝胶因其能在温度响应下发生溶胶-凝胶转变而备受关注，使其易于在室温下给药并在生理条件下快速凝胶化。本研究开发了一种基于甲基纤维素的可注射、温敏且自愈合的水凝胶平台，通过加入适量硫酸钠（Na2SO4）调节其在生理温度下的凝胶化行为，同时避免过高的离子强度。该MC温敏水凝胶进一步通过引入巯基化透明质酸（Thiol-modified Hyaluronic Acid, HA-SH）增强其自愈合性能，并负载姜黄素-β-环糊精（Curcumin-β-Cyclodextrin, β-CD/CUR）包合物以实现疏水性生物活性化合物的可控释放。研究人员对水凝胶体系进行了系统的表征，包括温敏凝胶化行为、粘弹性、自愈合性能、可注射性以及姜黄素的释放特性，结果表明该平台在局部药物递送应用中具有潜力。

研究背景与问题

局部药物递送系统能够以微创方式给药并在原位形成稳定的药物储库，在组织修复、炎症管理和局部或注射疗法等生物医学应用中具有重要价值。温敏性水凝胶因其能在温度变化下实现溶胶-凝胶转变而受到广泛关注，便于在室温下操作并在生理条件下快速成胶，从而改善靶点滞留、减少全身暴露并提高疗效。甲基纤维素（MC）作为一种生物相容、可生物降解且通过物理作用凝胶化的聚合物，其水溶液在加热时由甲氧基间的疏水相互作用驱动发生可逆的热凝胶化，无需化学交联剂，且凝胶温度和力学性能可通过聚合物浓度和离子强度进行调控。然而，为实现生理温度下的有效凝胶化，常需添加盐类如硫酸钠（Na₂SO₄）以促进疏水缔合和网络强化，但过高盐浓度可能引发渗透压应激问题，因此需将盐含量控制在适度水平。此外，可注射水凝胶还需具备良好的力学强度和形变后的结构恢复能力即自愈合性能，以确保注射后网络的完整性和长期稳定性。在疏水性生物活性物质的有效负载和控释方面，姜黄素（CUR）虽具有抗炎和抗氧化特性，但其水溶性差且在生理条件下不稳定，限制了应用。为此，研究人员旨在开发一种兼具温敏性、自愈合性和疏水药物负载能力的复合水凝胶平台。

研究内容与结论

研究人员制备了基于MC的温敏水凝胶，通过添加中等浓度的Na₂SO₄（1.5% w/v）使配方在37°C下约5分钟内完成凝胶化，而较低盐浓度（1% w/v）的配方在10分钟内未能成胶。进一步引入巯基化透明质酸（HA-SH）赋予体系自愈合能力，并通过共沉淀法制备β-CD/CUR包合物实现疏水药物的负载。研究表明，所有水凝胶配方均具有良好的细胞相容性，且负载的姜黄素保持了高活性。该平台成功实现了温敏性凝胶化、快速的结构自愈合以及疏水性生物活性分子的局部控释，为多种生物医学应用提供了多功能载体方案。

关键技术方法

研究人员采用了以下主要技术方法：利用核磁共振氢谱（¹H NMR） 确认HA-SH的成功合成并计算取代度；采用傅里叶变换红外光谱（FTIR） 表征各组分化学结构；通过紫外-可见光谱（UV-Vis） 定量包合物中的姜黄素含量并计算载药量和包封率；运用动态光散射（DLS） 测定β-CD/CUR包合物的粒径、多分散指数（PDI）和Zeta电位；使用扫描电子显微镜（SEM） 观察样品微观形貌；通过小瓶倒置法评估凝胶化时间；采用旋转流变仪测定流动行为和触变性；利用单轴力学测试系统评价可注射性；通过称重法测定水凝胶的溶胀行为。

研究结果

凝胶化行为：通过小瓶倒置法评估，发现MC浓度3.5% w/v及以上且Na₂SO₄浓度为1.5% w/v的配方（如MC3.5/1.5和MC4/1.5）能在37°C下约5分钟内凝胶化，而低盐浓度（1% w/v）的所有MC配方在10分钟内均未成胶。添加HA-SH和β-CD/CUR包合物不影响凝胶化能力，所有复合配方仍保持约5分钟的凝胶化时间。

可注射性：通过压缩模式下的力学测试系统测量挤出力，结果显示各配方均表现出良好的可注射性，能够在适当外力下通过18G针头顺利挤出。

自愈合性能：宏观实验显示，将水凝胶切成两片后重新接触并孵育过夜，两片能够自行连接而不分离，表明材料具有自愈合能力。SEM进一步观察了自愈合界面的形态。

流变学性质：稳态剪切测试表明水凝胶呈现剪切变稀行为，粘度随转速增加而降低。触变性测试通过三步转速程序证实了结构的可逆破坏与恢复，即在高速剪切后降低转速时粘度能够部分恢复。

溶胀行为：冻干水凝胶在PBS（pH 7.4）中于37°C下溶胀至平衡，溶胀比按公式计算，反映了材料的吸水能力和网络结构特征。

讨论与结论

讨论部分指出，MC浓度和盐浓度共同决定了凝胶化温度和速率，适量的Na₂SO₄（1.5% w/v）在不引起过度渗透压的前提下有效促进了生理温度下的凝胶化。HA-SH的引入通过动态可逆相互作用增强了网络的内聚力，赋予了水凝胶快速的结构恢复能力，这对注射后的力学完整性至关重要。β-CD/CUR包合物通过主客体相互作用提高了姜黄素的溶解度和稳定性，使其能够均匀分散在水凝胶基质中并实现持续释放。研究结论强调，所开发的基于MC、经Na₂SO₄调节、HA-SH增强并负载β-CD/CUR包合物的可注射自愈合温敏水凝胶，在理化性质和功能上均满足局部递送疏水性生物活性物质的要求，展现出作为通用型生物医学平台的潜力。