《International Journal of Biological Macromolecules》：Construction and curcumin release performance of pH-responsive hydrogels based on norbornene dicarboxylic anhydride-modified chitosan via thiol–ene photocrosslinking
编辑推荐：
姜黄素递送系统通过改性壳聚糖与硫醇-烯烃点击化学构建pH响应水凝胶，实现高负载量（13.3 mg/g）、pH依赖性释放（Peppas-Sahlin模型R2>0.98）及抗菌抗氧化功能，生物相容性良好。
余颖|彭永刚|Sekar Vijayakumar|陈一凯|毛阳帆|辛美华|李明春
华侨大学材料科学与工程学院，教育部环保功能材料工程研究中心，厦门，361021，中国
摘要
本研究旨在开发一种新型的基于壳聚糖的pH响应性水凝胶，用于持续释放姜黄素（Cur）。通过使用诺尔伯烯二羧酸酐对壳聚糖进行修饰，引入了反应性双键并提高了其溶解度；同时，将半胱氨酸改性的Pluronic F127通过紫外诱导的硫醇-烯化学反应交联，形成了稳定的三维网络。通过调整CSNB/CPC的比例来调节水凝胶的结构，并利用1H NMR、固态13C NMR、FTIR、TGA、XRD、SEM和流变学方法对其进行了表征。优化后的水凝胶具有13.3 mg/g的载药能力，在模拟的胃肠道流体中表现出pH响应性释放特性，其释放动力学符合Peppas–Sahlin模型（R2 > 0.98），主要由Fickian扩散机制控制。功能评价显示，NC4具有接近90%的DPPH自由基清除效率，其抗氧化潜力通过Folin–Ciocalteu（GAE）法和磷钼（AAE）法得到了进一步验证，表明其具有较高的整体还原能力和总抗氧化能力。NC4还对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌表现出强抗菌活性。CCK-8和溶血实验验证了其生物相容性，细胞存活率超过90%，溶血率低于0.35%。总体而言，这种多功能水凝胶集成了持续释放、抗氧化、抗菌和优异的生物相容性，为口服控释药物输送和伤口愈合应用提供了有前景的材料平台。
引言
姜黄素（Cur）是一种从姜黄中提取的天然多酚化合物，具有显著的抗氧化、抗炎和抗菌活性，已被广泛用于癌症治疗、伤口愈合和骨科疾病的辅助治疗[1]、[2]、[3]。然而，其较差的水溶性和体内稳定性严重限制了其治疗效果，高剂量使用时可能引发线粒体功能障碍并导致细胞凋亡[4]。因此，开发能够稳定封装姜黄素并实现可控释放的缓释系统对于提高其生物利用度和安全性至关重要。近年来，随着精准药物输送系统的快速发展，水凝胶因具有优异的生物相容性、可调节的网络结构以及出色的载药和释放能力，已成为生物医学材料研究领域的热点[5]。水凝胶在温和条件下形成三维多孔结构，具有较高的保水性和良好的组织相容性，在调节药物释放速率、维持局部药物浓度和保护活性分子稳定性方面具有显著优势。此外，其天然的柔软性和可注射性进一步扩展了其在组织工程、再生医学和伤口修复中的应用范围。
壳聚糖是一种天然丰富的多糖，其主链富含反应性氨基和羟基，为后续的化学修饰提供了理想平台[6]。通过引入羧基、季铵盐、硫醇基和席夫碱等官能团，可以显著提高其水溶性和机械强度，同时赋予其优异的生物降解性、生物相容性和多种生物活性[7]、[8]。值得注意的是，壳聚糖可以与其他天然聚合物（如明胶和透明质酸）协同作用，构建对温度、pH值或酶环境等刺激作出响应的智能水凝胶，从而实现对药物释放的精确控制[9]、[10]。鉴于这些优势，壳聚糖在新型药物输送系统、组织工程支架和先进伤口敷料应用中具有巨大潜力。
近年来，已有许多基于壳聚糖的姜黄素缓释水凝胶的研究报道；然而，大多数现有系统在结构设计和性能上仍存在明显局限。例如，Enumo Jr.等人[11]开发了一种用于伤口敷用的CTS/Pluronic复合系统，但该材料主要为薄膜形式而非完全三维的可注射网络，pH响应性有限，且主要依赖膨胀驱动的扩散作用，结构可调性不足。同样，Shah等人[12]报道的可注射壳聚糖–CMC–PF127水凝胶虽然表现出良好的生物活性，但未定量阐明交联密度、网络结构和姜黄素释放动力学之间的关系；其刺激响应性主要取决于多组分混合物而非精确的化学设计。另一个例子是Yang等人[13]开发的柠檬酸交联壳聚糖–明胶水凝胶用于口服输送，但小分子多羧酸的交联作用对网络形成的可预测性和控制性有限，导致pH依赖性释放调节不够精确。
在智能水凝胶的开发中，点击化学因其高效性、特异性和温和的反应条件而受到广泛关注[14]、[15]。其中，紫外诱导的硫醇-烯反应能够快速高效地实现交联，形成均匀稳定的三维网络[16]。这种策略在保持聚合物生物活性的同时，允许对网络结构和交联密度进行精确控制，从而改善了药物释放性能[17]、[18]。此外，硫醇-烯光交联工艺简单、环保且适合大规模生产，显示出其在实际水凝胶应用中的巨大潜力[19]。这些研究共同强调了壳聚糖在姜黄素输送领域的应用前景，但也揭示了常见的局限性，包括交联控制的精度有限、网络结构、膨胀行为和释放性能之间的系统性关联不足以及pH响应性不够理想。受这些局限性的启发，本研究设计了一种兼具pH敏感性和可控光交联能力的双功能壳聚糖衍生物。通过在壳聚糖主链上引入诺尔伯烯基团，该系统对硫醇-烯光点击化学反应具有反应性，从而形成具有精确可调交联密度的均匀三维网络。同时，通过诺尔伯烯二羧酸酐引入的羧基使其对微酸性和中性环境敏感。有效的交联密度（ν?）通过流变学方法进行了定量计算，并与膨胀行为和pH依赖性姜黄素释放动力学进行了系统关联，建立了从材料设计到机制理解的“结构-性质-功能”框架。
我们假设通过这种策略制备的水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有抗菌活性，并通过DPPH和羟基自由基清除实验验证了其抗氧化能力。我们进一步假设其生物相容性将通过CCK-8细胞毒性和溶血实验得到证实。此外，这些水凝胶预计具有优异的载药能力、pH响应特性和可控的姜黄素释放特性，从而为具有持续释放特性的生物功能材料的发展提供了理论和实践上的支持。
材料
壳聚糖（CS，脱乙酰度约85%，分子量约100 kDa）购自青岛海汇生物工程有限公司。Pluronic F127、琥珀酸酐、半胱氨酸、无水1,4-二氧环己烷和姜黄素购自Aladdin Reagent有限公司。分析级试剂包括2,2-二苯基-1-吡啶基肼（DPPH）、七水合硫酸亚铁（FeSO?·7H?O）、磷酸二氢钾（KH?PO?）、磷酸二氢钠（Na?HPO?）、氯化钾（KCl）和水杨酸
FTIR分析
如图2a所示，壳聚糖（CS）的谱线在3400 cm?1附近呈现宽而强烈的吸收峰，这主要与O-H伸缩振动有关，部分与N-H伸缩信号重叠。在2925–2871 cm?1区域观察到的吸收峰表明存在脂肪族C-H伸缩模式。1645 cm?1、1586 cm?1和1319 cm?1处的明显峰分别是羰基（C=O）伸缩、N-H弯曲和C-N伸缩的特征
结论
本研究成功制备了一种紫外交联的硫醇-烯点击水凝胶，该水凝胶由诺尔伯烯酐接枝的壳聚糖（CSNB）和用琥珀酸酐改性的Pluronic F127（CPC）组成，并随后接枝了半胱氨酸。对其结构、物理化学性质和应用潜力进行了系统评估。包括固态13C NMR在内的结构表征验证了CPC段的成功引入及共价交联的形成
CRediT作者贡献声明
余颖：撰写初稿、可视化处理、软件应用、方法学设计、实验实施、数据分析。彭永刚：撰写初稿、可视化处理、软件应用、方法学设计、实验实施、数据分析。Sekar Vijayakumar：审稿与编辑。陈一凯：实验实施、数据分析。毛阳帆：软件应用、数据分析。辛美华：审稿与编辑。李明春：可视化处理、项目监督、资源获取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本研究结果的财务或个人关系。
致谢
作者衷心感谢福建省科学技术计划（2019H6014和2020Y4012项目）提供的财政支持，这些支持对顺利完成本研究至关重要。
