具有层次结构的海藻酸/碘化卡拉胶水凝胶微球，内含壳聚糖微粒，用于pH响应式递送姜黄素至肠道

《International Journal of Biological Macromolecules》：Hierarchically structured alginate/iota-carrageenan hydrogel beads embedding chitosan microparticles for pH-responsive intestinal delivery of curcumin

　　

摘要

姜黄素是一种具有显著治疗潜力的生物活性化合物，但由于其水溶性差且胃肠道生物利用度低，其临床应用受到限制。在本研究中，研究人员合理设计了一种完全基于多糖的递送系统，以海藻酸盐和ι-卡拉胶作为互补的聚阴离子基质，再结合壳聚糖微粒（约1.7微米）作为独立的阳离子结构单元。通过钙离子的离子交联作用形成了分层珠状结构，并通过光谱、形态学及界面分析对其实验室结构进行了研究，发现该结构存在成分不均匀性，壳聚糖微粒多集中在珠状结构的外围。这种结构布局直接影响了系统的物理化学性质，使得在模拟胃环境中的姜黄素释放量有限（低于20%），而在模拟肠道环境中则会出现显著膨胀现象，在37摄氏度时膨胀率可达4755%。在肠道环境中，这些珠状结构能够在约30小时内实现持续且完全的姜黄素释放，这一过程是由扩散作用与聚合物松弛机制共同调控的。动力学建模表明，在酸性条件下主要呈现菲克扩散规律，而在肠道环境中则出现异常传输现象。这些研究结果表明，通过合理设计分层结构以及利用静电相互作用，可以调控多组分多糖系统中的结构与性能关系。这项工作为设计用于控制口服递送疏水性生物活性化合物的全生物聚合物平台提供了理论依据。

引言

近年来，使用天然化合物治疗各种疾病的现象日益增多，尤其是在高收入国家，这类产品往往被视为比传统药物更安全或更全面的替代品[1]。这一趋势反映了人们越来越倾向于选择天然且可持续的疗法[2]、[3]。在众多源自天然的生物活性分子中，姜黄素因其被广泛研究而备受关注。姜黄素是从姜黄属植物的根茎中提取的，传统上被用于亚洲医学，已被证实具有抗炎、抗氧化、抗肿瘤及抗菌等多种功效[4]、[5]、[6]。

尽管姜黄素具有潜在的治疗价值，但由于其在生理条件下的生物利用度极低[5]，主要是由于其水溶性极差[7]，因此其临床应用受到严重限制。这使得姜黄素难以在胃肠道中被吸收，还会迅速被代谢，导致其在体内的浓度极低[8]。为克服这些限制，人们采用了多种策略，比如使用胡椒碱等生物增强剂[9]、对姜黄素进行化学修饰[7]，以及开发保护性递送系统。在各种提出的配方中，如脂质体、乳剂和聚合物载体等[10]、[11]、[12]，基于多糖的系统因具有较好的封装效果而被视为姜黄素递送的理想平台[13]、[14]。

除了具备天然的生物相容性和可降解性之外，多糖还为我们提供了进行理性材料设计的独特机会。通过精确调控其分子结构、电荷密度以及超分子组装方式，可以根据pH值和离子强度等环境因素来调节网络的紧密程度、膨胀行为以及药物的扩散速率。此外，多糖所具有的多种功能基团能够与生物活性分子发生特异性相互作用，而它们在温和的水环境中能够形成水凝胶和颗粒结构，这有助于保护敏感化合物免受胃肠道环境的破坏[15]。多糖的这种响应特性还能使其在肠道环境中实现选择性释放，因为在该环境下药物的吸收更为顺利[16]，因此多糖非常适合用来构建多组分系统，在这类系统中，不同的电荷特性和凝胶化机制可以相互配合，实现胃部保护与肠道释放的分离。

尽管已有大量相关研究，但要设计出既能提供胃部保护又能实现肠道可控释放的全多糖系统仍然面临挑战。尤其是多多糖基质中的电荷密度、分子结构与网络组织之间的关系尚未得到充分理解，这限制了预测性结构-性能框架的建立。许多已报道的系统依赖于合成聚合物或表面活性剂[17]、[18]，这可能会影响材料的生物相容性，并增加配方的复杂性。相比之下，将具有互补物理化学特性的天然多糖合理组合起来，是一种有效的策略，可通过这种方式设计出结构与功能均可调控的分层系统，从而推动高效且可持续的递送平台的开发。

在此背景下，海藻酸钠、ι-卡拉胶和壳聚糖分别具有互补的结构和功能特性。海藻酸钠是一种线性阴离子多糖，由β-D-甘露糖醛酸和α-L-古洛糖醛酸单元组成，这些单元可以通过与钙离子等二价阳离子的离子交联形成水凝胶，进而形成典型的“蛋盒”结构[19]。这种网络结构能够为包裹其中的分子提供机械强度，并使其具有抗酸性，这对于在胃部保护这些分子至关重要[20]。ι-卡拉胶是一种从红藻中提取的硫酸化半乳聚糖，它不仅能提高体系的粘弹性和保水能力，还能增加电荷密度，从而增强静电相互作用，促进在肠道环境中的膨胀以及药物的可控释放[21]。因此，海藻酸钠与ι-卡拉胶的结合能够形成一种双聚阴离子网络，通过这种方式可以独立调控网络的机械强度以及其对pH值的响应性膨胀行为。

壳聚糖是一种从几丁质中提取的阳离子多糖，虽然作用不同，但也能与其他成分产生协同效应。在酸性环境中，壳聚糖的氨基会带正电，从而能够与带负电的多糖发生静电相互作用，形成稳定的聚电解质复合物[22]。当壳聚糖以微粒形式嵌入海藻酸钠/ι-卡拉胶网络中时，它既可作为姜黄素的储存库，又能作为独立的阳离子结构单元，局部调控交联密度以及微观结构。这样的设计能够形成一种分层结构的静电网络，其中聚阴离子基质负责提供胃部保护，而嵌入其中的壳聚糖微粒则负责调控药物的黏附行为以及在肠道中的释放。因此，引入壳聚糖微粒并非随意为之，而是一种合理的策略，旨在实现对网络结构以及药物分布的空间控制。

尽管有许多研究致力于探讨姜黄素的封装效率及其释放行为[17]、[18]，但很少有研究能够明确揭示分子结构、分子间相互作用与胃肠道环境中的宏观性质（如膨胀性、稳定性以及pH响应性）之间的关联，这也限制了全生物聚合物系统的合理设计。在本研究中，我们提出这样一个假设：通过海藻酸钠与ι-卡拉胶的分层组装，再结合壳聚糖微粒作为阳离子结构单元的空间嵌入，就可以构建出一个多尺度静电网络，在该网络中，成分组成和交联密度决定了网络的机械强度、膨胀行为以及其对pH值的响应性释放特性。通过调控这些多糖之间的离子交联作用和静电相互作用，我们旨在建立结构与性能之间的关联，将矩阵结构与药物的防护效果及释放性能联系起来。与那些基于单一网络基质或无序混合物的传统系统不同，这种方法通过合理整合具有互补特性的多糖，构建出了分层结构的静电网络，从而实现了胃部保护与肠道释放的分离，进一步推动了全多糖基口服递送平台的设计发展。

章节节选

材料

本研究使用的材料包括：ι-卡拉胶（M_w约670千道尔顿[23]）、中等粘度海藻酸钠（M_w约250千道尔顿，M/G比值为1.86，数据来自制造商）、壳聚糖（分子量较低，通过粘度测定得M_w为205千道尔顿[24]，其脱乙酰度为95%，这一结果通过¹H NMR检测得到，见图S1，方法参考Pérez-álvarez等人2018年的研究）、姜黄素（纯度≥65%）、吐温80（纯度≥58%）以及三聚磷酸钠（纯度≥85%），以上所有材料均购自美国Sigma-Aldrich公司。氯化钙（CaCl₂，

壳聚糖基微粒与海藻酸钠/ι-卡拉胶珠状结构的制备

如前文所述，壳聚糖基微粒（含有或不含有姜黄素）是通过与三聚磷酸钠的离子交联反应制备而成的，三聚磷酸钠是一种阴离子盐，能够与壳聚糖上带正电的氨基发生反应，从而形成稳定的离子交联网络[31]。这种交联机制不仅能够稳定微粒的结构，还能决定残留阳离子位点的密度和空间分布，而这些因素对于后续的静电相互作用至关重要

结论

本研究表明，通过离子交联和静电作用，可以将完全基于多糖的珠状结构合理设计成具有分层结构且能对pH值做出响应的递送系统。海藻酸钠与ι-卡拉胶作为互补的聚阴离子基质，再加上嵌入其中的壳聚糖-三聚磷酸钠微粒，共同构成了一个多尺度的离子网络，在这个网络中，成分组成和界面相互作用共同决定了网络的结构、膨胀行为以及姜黄素的释放情况。光谱学和形态学分析结果也为这一结论提供了支持

CRediT作者贡献说明

Luiza G. Schlüter：负责撰写原文初稿、方法部分、正式分析以及概念构思工作。Heloisa C. Grahl：负责方法设计以及数据整理工作。Larissa N. Carli：负责文本的审阅与编辑工作，以及验证实验的开展。André R. Fajardo：同样负责文本的审阅与编辑、验证实验，同时还承担项目监督工作。Ismael C. Bellettini：负责文本的审阅与编辑、验证实验，同时承担项目监督以及资源协调工作。

未引用参考文献

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利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢高等教育人员发展协调机构（CAPES，资金编号为001）以及国家科学技术发展委员会（CNPq，项目编号分别为409101/2023-0和303125/2022-5）所提供的资金支持与奖学金资助。此外，作者还要感谢多糖研究创新中心（项目编号为406973/2022-9）给予的财务援助。作者同时感谢核磁共振多用户实验室（LAMRMN）在核磁共振分析方面提供的帮助

Luiza G. Schlüter|Heloisa C. Grahl|Larissa N. Carli|André R. Fajardo|Ismael C. Bellettini