通过主客体相互作用和氨基聚琥珀酰亚胺反应制备用于药物释放的可注射双网络水凝胶

《Journal of Drug Delivery Science and Technology》：Preparation of injectable double network hydrogel for drug release via host- guest interaction and amino-polysuccinimide reaction

　　

摘要

本研究通过主客体相互作用及氨基聚琥珀酰亚胺反应制备了双网络水凝胶。首先，通过氨基-β-环糊精（β-CD-NH₂）与金刚烷胺（AD-NH₂）分别与聚琥珀酰亚胺（PSI）发生亲核取代反应，合成了部分开环的聚琥珀酰亚胺衍生物PSI-β-CD和PSI-AD。随后将这两种化合物溶解在水中，利用它们之间的主客体相互作用形成超分子水凝胶。再向体系中加入聚乙烯亚胺（PEI）后，PEI上的氨基与聚琥珀酰亚胺发生开环反应，从而形成化学交联点，最终得到双网络水凝胶（DN-Gel）。接着以凝胶状态和凝胶时间为指标，通过单因素实验优化了超分子水凝胶的凝胶化条件。实验结果表明，超分子水凝胶的形成过程是可逆的，且与溶液的pH值和温度有关。通过NMR、FTIR、XRD、XPS、SEM、TG以及通用电子试验机等仪器对水凝胶的结构和性质进行了研究。最后探讨了DN-Gel对5-氟尿嘧啶（5-Fu）的控释性能，发现水凝胶中5-Fu的释放速率与介质的pH值相关，其释放过程符合一级动力学模型。共价键与非共价键的协同作用使得DN-Gel具有特殊性能，拓展了其应用范围。该水凝胶具备良好的注射性、可生物降解性和生物相容性，且制备条件较为温和。本研究为超分子水凝胶的制备提供了新策略，有望在生物材料制备领域得到广泛应用。

引言

根据水凝胶的交联原理，水凝胶可分为物理交联型和化学交联型[1]。其中，主客体相互作用是一种极具潜力的物理交联方法[2]。环糊精（CD）因其生物相容性、成本低廉以及易于改性而被广泛用作宿主分子。由于环糊精具有亲水的外边缘和疏水的内部空腔，能够与许多有机和无机分子形成包合物及分子组装体系[3]，因此在催化、分离、食品和医药等领域受到了广泛关注和应用[4]。尤其是β-CD，因其空腔大小适中、生产成本较低、环境友好且细胞毒性低等优势[5]、[6]，能够提升药物的溶解度、稳定性和生物利用度[7]，目前已成为制药行业中应用最广泛的环糊精产品。近年来，人们特别关注基于金刚烷基团与β-CD之间主客体相互作用的水凝胶的研究与发展[8]、[9]、[10]。Mealy等人利用经金刚烷基和环糊精修饰的透明质酸制备了可注射水凝胶，并以多西环素和多柔比星作为模型药物，研究了这些水凝胶的自组装行为和药物释放性能。实验发现，与不含环糊精的水凝胶相比，含环糊精的超分子水凝胶的药物释放速率显著降低。此外，小分子药物的负载并未影响水凝胶的力学性能或自组装性能[11]。

通过化学交联法制备的水凝胶结构稳定、机械强度高，但通常难以实现可逆变化。而化学交联法在制备水凝胶时往往需要使用有毒的化学试剂和溶剂，可能对人体健康造成危害[12]。因此，在水凝胶制备过程中选择合适的化学反应方式至关重要，它直接影响水凝胶的性能和应用前景。近年来，点击反应被广泛应用于水凝胶的制备中。点击反应是指一类具有特定特征的化学反应，常见的点击反应包括炔基偶氮反应、狄尔斯-阿尔德反应、氨基环氧反应、氨基醛反应等。我们的研究小组发现，氨基化合物与聚琥珀酰亚胺之间的反应具有点击反应的特征，有望在水凝胶制备领域得到广泛应用[13]，因此在本研究中尝试利用这一反应来制备双网络水凝胶。

双网络技术是提升水凝胶性能的重要手段[14]、[15]。双网络结构可以是完全化学交联的，也可以是完全物理交联的[16]，或者一个网络为物理交联型，另一个为化学交联型[17]。其中，由物理交联和化学交联共同构成的双网络能够充分发挥两种交联方式的优点。由此制备的水凝胶一方面具有较高的机械强度，另一方面还具备自修复能力和注射性，因此被广泛用于多功能水凝胶的制备[18]。聚琥珀酰亚胺（PSI）是一种可持续的生物材料，广泛应用于食品、医药、化妆品等行业[19]。PSI在室温下无需催化剂即可与含有伯胺的化合物发生开环反应[20]。另外，聚乙烯亚胺（PEI）是一种主链上含有大量胺基的合成聚合物，已在生物医学、材料科学和环境保护等多个领域得到应用[21]。

基于上述背景，本研究选取PSI和PEI作为原料，通过氨基聚琥珀酰亚胺之间的主客体相互作用及点击反应来制备双网络水凝胶。通过超分子网络与化学交联网络的协同作用，使水凝胶具备特殊性能。该水凝胶的制备条件较为温和，且性能优异，在生物材料领域具有广阔的应用前景。据我们所知，目前尚无关于此类新型水凝胶的报道。

章节要点

材料

4-甲苯磺酰氯（TS）、1,3-二氨基丙烷、植酸、没食子酸由安徽泽生科技有限公司提供。β-环糊精（β-CD）、1-金刚烷胺（1-AD-NH₂）和单宁酸购自北京伊诺凯科技有限公司。聚琥珀酰亚胺（分子量M_W=7000-8000）由上海麦克林生化科技有限公司提供。聚乙烯亚胺、L-丝氨酸、DL-赖氨酸来自上海赛恩化学科技有限公司。5-氟尿嘧啶（5-Fu）由九鼎公司提供。

宿主与客体原料的质量比

宿主与客体原料的质量比是决定超分子水凝胶形成的关键因素[23]。不同质量比下的投料量和凝胶化时间如表S1所示。当宿主与客体原料的质量比为PSI-AD:PSI-β-CD=2:1时，达到凝胶化阈值。在该质量比条件下，一系列水凝胶的凝胶状态如图1a所示。当宿主与客体原料的质量比低于凝胶化阈值时，二者之间的主客体相互作用力较弱。

结论

综上所述，我们分别通过β-CD-NH₂、金刚烷胺和聚琥珀酰亚胺的亲核取代反应，成功合成了大分子宿主PSI-β-CD和大分子客体PSI-AD。随后通过PSI-β-CD与PSI-AD之间的主客体相互作用形成了超分子水凝胶，再通过加入PEI并利用其氨基与聚琥珀酰亚胺之间的点击反应形成化学交联，最终成功制备出了双网络水凝胶。

发表同意声明

所有作者均同意发表本文。

CRediT作者贡献说明

刘宇：方法学、定量分析。张巧然：软件工具、定量分析。王刚：资源获取、定量分析。魏向娟：方法学、实验研究。秦世宇：初稿撰写、实验研究。魏宏亮：项目管理、资金获取。董晓聪：资源获取、实验研究。闫萌：资金获取、概念设计。郭涛：软件工具、资源获取。陈洪亮：文章润色、资金获取

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了以下项目的支持：河南省重点科学技术计划 [项目编号252102231061]；河南省国际科技合作培育项目（项目编号242102521008）；河南省自然科学基金（项目编号252300420634）；郑州市科学技术局自然科学项目[项目编号21ZZXTCX14]；河南工业大学博士基金（项目编号2021BS021）。

秦世宇|魏向娟|董晓聪|魏宏亮|张巧然|刘宇|王刚|郭涛|闫萌|陈洪亮