CT成像揭示PLGA末端封端结构对原位成形植入体形态与药物释放行为的关键影响

《Chemical & Biomedical Imaging》：Computed Tomography Imaging and Characteristics of In Situ Forming Implants with Different PLGA Endcaps

本文聚焦于聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）原位成形植入体（ISFI）的研究，采用计算机断层扫描（CT）成像技术，系统揭示了PLGA末端封端（羧酸封端 vs 酯封端）如何影响植入体形成、微观结构及药物释放动力学。研究发现，酸封端PLGA因快速溶剂交换形成致密外壳，导致较高的初始突释和较快的药物释放；而酯封端PLGA则形成不规则形状，具有更大的尺寸膨胀和更持久的释放曲线。这项工作通过先进的成像技术为ISFI制剂的开发和性能评估提供了关键的机理见解与科学基础。

　　

1. 引言

原位成形植入体（ISFI）是一类长效注射剂，因其微创给药和提供持续药物释放的能力而备受关注。目前已有多款基于溶剂交换的ISFI产品获批上市，其主要由活性成分、可生物降解聚合物（如聚乳酸-羟基乙酸共聚物，PLGA）和生物相容性溶剂组成。PLGA的末端基团（羧酸封端或酯封端）是影响ISFI性能的重要因素，它可改变聚合物的亲疏水性，并与药物（如多肽）发生相互作用，进而影响植入体的机械强度和降解微环境。然而，传统性能测试难以深入理解ISFI的药物释放机制。计算机断层扫描（CT）成像作为一种非侵入性三维成像技术，能够实时、高分辨率地可视化植入体，为研究其形成、降解及药物释放机制提供了新途径。本研究旨在以醋酸亮丙瑞林为模型药物，利用CT成像技术，阐明PLGA末端封端对ISFI性能的影响。

2. 材料与方法

研究采用了乳酸/乙醇酸比例为50:50、分子量相近的酸封端和酯封端PLGA。以N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）为溶剂，制备了含有醋酸亮丙瑞林和/或CT造影剂碘海醇的ISFI制剂。通过核磁共振（NMR）和凝胶渗透色谱（GPC）对PLGA进行了表征。体外释放研究在磷酸盐缓冲液（PBS）中进行，并定期通过高效液相色谱（HPLC）分析药物、溶剂释放量。利用CT对体外和体内形成的植入体进行成像，通过3D Slicer软件分析其体积和内部强度。通过扫描电子显微镜（SEM）观察植入体的微观结构并测量孔隙率，并通过GPC监测聚合物分子量的变化以评估降解情况。

3. 结果与讨论

3.1. PLGA的表征

¹³C NMR光谱证实了所用PLGA的末端封端类型：酸封端PLGA在14 ppm处无甲基峰，而酯封端PLGA则有此特征峰13C NMR spectra of the PLGA with different end-caps. The peak appearing at 14 ppm was used as the criterion to determine the end-cap of the PLGA.">。GPC和¹H NMR分析显示两种PLGA的分子量和L/G比例相近，但酸封端PLGA的嵌段性（R_c= 1.527）高于酯封端PLGA（R_c= 1.263）1H and ¹³C NMR spectra of the PLGA with different end-caps.">。

3.2. 体外释放测试

体外释放曲线显示，所有制剂均呈现典型的ISFI三阶段释放模式：初始突释期、由扩散驱动的缓释期以及由聚合物降解驱动的快速释放期。酸封端PLGA制剂表现出更高的初始溶剂（NMP）突释，并在约9天时完全释放溶剂，其醋酸亮丙瑞林也在36天内释放完毕。相比之下，酯封端PLGA制剂的NMP释放更为平缓，约在9-11天达到平台期，而醋酸亮丙瑞林的释放则持续更久，平台期直至约第50天才结束。碘海醇的释放动力学与其所在制剂的醋酸亮丙瑞林相似。

3.3. 体外形成植入体的CT成像

CT成像直观揭示了不同末端封端PLGA形成的植入体在形态和内部结构上的显著差异。酸封端PLGA形成的植入体呈类球形，并在早期（约11天内）具有一层明亮的致密外壳。这层外壳限制了水的进一步内渗和溶剂的扩散，解释了其NMP释放较慢的现象。随着外壳在约第11天消失，植入体开始变形，对应着NMP的最终快速释放期。而酯封端PLGA由于疏水性导致相转化过程较慢，无法快速形成致密外壳，因此植入体形状不规则、表面不平整，且尺寸膨胀更大。对于含有碘海醇的酸封端PLGA制剂，CT图像清晰显示了造影剂在植入体核心聚集的核壳结构，该结构持续至第9天，与碘海醇开始快速释放的时间点吻合。

3.4. 体外形成植入体的尺寸与密度

所有制剂的植入体体积和重量均呈现先增加后减少的趋势。酯封端PLGA植入体在约5-6天达到膨胀峰值，且膨胀程度更高；酸封端PLGA植入体则在约11-13天达到峰值。体积和重量开始下降的时间点与NMP进入最终快速释放期的时间重叠。在后期，仅酸封端PLGA植入体出现持续的重量和体积下降，表明其聚合物降解更完全。

3.5. 体外形成植入体的聚合物降解

GPC分析表明，所有植入体中的PLGA分子量均随时间下降，即发生了聚合物降解。总体而言，亲水性的酸封端PLGA降解程度更高、速率更快。添加醋酸亮丙瑞林或碘海醇会促进酯封端PLGA的降解（因增加了水的流入），但对酸封端PLGA的影响则变化不定。降解数据与植入体的重量损失一致，也印证了CT图像中观察到的酸封端PLGA植入体后期结构变化模式。

3.6. 体外形成植入体的微观结构

SEM图像显示，酸封端PLGA植入体核心具有均匀分布、高度互连的多孔结构。其边缘在早期较为致密平滑，但在15天后变得多孔。不含药物的酯封端PLGA植入体核心结构孔隙较少、相对光滑；但加入醋酸亮丙瑞林后，其微观结构也变得多孔，不过孔隙更集中、更封闭。孔隙率定量分析表明，醋酸亮丙瑞林的加入是影响聚合物基质孔隙率的最主要因素。

3.7. 体内形成植入体的CT图像

体内CT成像显示，植入体在皮下组织中呈椭球形（受组织压力影响），但其结构变化趋势与体外观察基本一致，只是进程更快。酸封端PLGA制剂仍可观察到碘海醇沉积的核壳结构，但仅持续约3天。酯封端PLGA制剂也观察到了核壳结构，但未见早期散射的碘海醇信号，这与其较低的初始突释相符。添加醋酸亮丙瑞林同样促进了体内植入体的尺寸膨胀。

4. 结论

PLGA末端基团化学是决定ISFI性能的关键因素，通过影响聚合物亲水性来调控植入体形态、微观结构、降解行为和药物释放动力学。本研究表明，亲水性的酸封端PLGA因快速溶剂交换而形成致密外壳，从而调节药物释放；而疏水性的酯封端PLGA则导致更显著的植入体膨胀和更持久的释放曲线。CT成像与体外释放、微观结构分析相结合，为深入理解ISFI的性能机制提供了强大工具。这些发现将聚合物末端基团化学与可测量的、随时间变化的结构和释放特征联系起来，为ISFI的制剂开发、评价和优化提供了科学基础。