刺激响应型水凝胶用于口服益生菌递送：平衡保护与位点特异性释放

《Gels》：Stimuli-Responsive Hydrogels for Oral Probiotic Delivery: Balancing Protection and Site-Specific Release

　　

刺激响应型水凝胶作为口服益生菌递送载体，需在保护益生菌免受胃肠道恶劣环境损伤与实现目标位点特异性释放之间取得平衡。表面结构设计可在不改变制剂配方的前提下调控水凝胶的传输行为。研究人员将相同名义配方的N-乙烯基吡咯烷酮/甲基丙烯酸2-羟乙酯/羧甲基纤维素（NVP/HEMA/CMC）水凝胶分别制备为平面型和吸盘型，并对其水合作用、平衡含水量（EWC）、石榴提取物摄取量及60分钟释放行为进行了比较。吸盘型水凝胶的短期溶胀率（38.7 ± 0.7%）高于平面型（31.4 ± 0.6%），增幅达23.1%，而两者平衡含水量相近。根据载药溶液消耗量估算的表观提取物摄取量，吸盘型与平面型水凝胶分别为20.45和15.74 mg/g水合水凝胶。60分钟后，累积表观石榴提取物当量释放量分别为6.976 ± 0.681 mg和4.208 ± 0.354 mg，增幅达65.8%，分别约占估算初始载药量的17.6%和15.2%。间接提取物测试显示，HaCaT细胞最低活力为86.24%，人真皮成纤维细胞最低活力为71.01%，均超过ISO 10993-5规定的70%标准。总体而言，吸盘型结构在不改变制剂配方的条件下，提高了早期溶胀、估算摄取量及累积释放量。尽管比表面积、局部厚度、液体截留及扩散路径的各自贡献尚无法分离，但研究结果表明，结构修饰可在保持水凝胶配方不变的前提下增强早期水合作用以及提取物的摄取与释放。

水凝胶的宏观结构设计是调控药物递送性能的重要变量，但以往研究多集中于化学组成或交联密度的调整，关于相同配方下不同几何构型对传输行为影响的研究仍较缺乏。本研究旨在探究将同一NVP/HEMA/CMC水凝胶配方分别制备为平面型与吸盘型后，其短期水合行为、表观提取物摄取与释放特性是否产生差异，并通过间接细胞毒性试验初步评估其生物相容性。研究人员采用复制模塑法制备了具有规则吸盘阵列的水凝胶，并系统比较了两种构型在溶胀动力学、平衡含水量、力学性能、石榴皮提取物负载与释放以及HaCaT角质形成细胞和人真皮成纤维细胞相容性方面的差异。结果表明，吸盘型水凝胶的短期溶胀率、质量归一化摄取量及60分钟累积释放量均显著高于平面型，而平衡含水量和化学配方保持一致。力学测试显示吸盘型水凝胶更具柔顺性，面积归一化剪切强度较平面型提高51.2%。释放动力学拟合显示不同构型适用模型存在差异，但未能确立唯一释放机制。该研究证实了单纯通过宏观结构修饰即可调节水凝胶的短期水合和活性物传输性能，为口服益生菌递送系统及其他经皮或黏膜给药平台的载体设计提供了新的思路，但尚需结合化合物特异性分析和相关皮肤模型以验证其实际应用效果。

研究人员在开展研究时采用了以下几种关键方法：首先，利用三维打印和硅胶翻模技术制备具有精确吸盘阵列的模具，并通过紫外光聚合将相同前驱体配方分别固化为平面型与吸盘型NVP/HEMA/CMC水凝胶；其次，通过称重法测定不同时间点的溶胀率和平衡含水量，采用万能试验机进行单轴拉伸和搭接剪切测试评价力学性能；再次，通过浸泡法负载石榴皮提取物，利用紫外-可见分光光度法在290 nm处监测释放介质中提取物当量浓度，并结合零级、一级、Higuchi、经验幂律和Weibull模型拟合释放动力学；最后，参照ISO 10993-12标准制备水凝胶提取液，采用MTT法评估HaCaT细胞和人真皮成纤维细胞（来源于新生儿包皮环切组织，经Naresuan大学机构审查委员会批准，批准号0140/62）的代谢活力。

2.1 平面型与吸盘型水凝胶的制备：通过连续的三维打印、硅胶翻模和水凝胶光聚合步骤，成功将数字化设计的吸盘几何构型（高度1.0 mm，上外径4.0 mm，下外径2.5 mm，壁厚0.4 mm，相邻杯心间距5.0 mm）复制到水凝胶表面，而平面型水凝胶则采用平面模具制备，两者名义配方完全一致。

2.2 水合行为与尺寸响应：在120 min浸泡过程中，吸盘型水凝胶的质量增加率（38.69 ± 0.75%）较平面型（31.44 ± 0.60%）高23.1%；两者平衡含水量（EWC）分别为51.00 ± 2.29%和51.83 ± 0.35%，无显著差异。按名义尺寸计算，吸盘型的单位干质量外表面积较平面型高21.3%，与溶胀增幅接近，提示表面积增加是短期水合增强的主要贡献因素，但局部厚度和扩散路径变化也可能产生影响。

2.3 力学响应：单轴拉伸试验显示，平面型水凝胶拉伸强度为88.7 ± 5.3 kPa，吸盘型为78.8 ± 7.5 kPa；吸盘型整体更柔顺，断裂伸长更大。搭接剪切测试中，平面型整体剪切强度（2.87 ± 0.47 kPa）高于吸盘型（0.44 ± 0.20 kPa），但按有效接触面积归一化后，吸盘型的表观剪切强度（0.694 ± 0.136 kPa cm?2）比平面型（0.459 ± 0.075 kPa cm?2）高51.2%，说明吸盘环状边缘对接触面积的利用更高效。

2.4 石榴提取物负载与释放：通过浸泡24 h后，吸盘型水凝胶的估算摄取量为20.45 mg/g水合水凝胶，较平面型（15.74 mg/g）高29.9%。60 min释放实验中，吸盘型累积释放量为6.976 ± 0.681 mg，平面型为4.208 ± 0.354 mg，增幅65.8%；相对估算初始负载量，两者分别释放了约17.6%和15.2%。释放动力学拟合表明，平面型更符合经验幂律模型（R2 = 0.9972），吸盘型则可用Higuchi模型（R2 = 0.9962）和经验幂律及Weibull模型（R2分别为0.9973和0.9974）描述，但拟合差异不足以确定唯一释放机制。

2.5 含石榴提取物水凝胶的细胞相容性：间接MTT试验显示，HaCaT角质形成细胞在0–50%提取液浓度下平均活力≥96.62%，100%浓度下为90.08 ± 1.94%；人真皮成纤维细胞（HDF）在1.56–25%浓度下平均活力为87.75–94.36%，50%和100%浓度下分别为78.91 ± 0.78%和77.79 ± 3.18%。所有组别平均活力均高于70%的非细胞毒性阈值（ISO 10993-5），表明该含提取物水凝胶在测试条件下无体外细胞毒性。

讨论部分指出，吸盘型水凝胶更高的绝对释放量源于更大的初始负载量和略高的估算释放分数，但负载量由溶液消耗间接估算。水合结果与表面积增加促进吸水的解释一致，但表面积、局部厚度、杯内液体截留和扩散路径同时变化，无法分离各自贡献。动力学拟合仅描述观察到的释放曲线，不能证明扩散控制机制，且体外整体释放实验并不能反映对皮肤的方向性递送。研究结论部分可翻译为：与配方匹配的平面型水凝胶相比，将NVP/HEMA/CMC水凝胶转变为吸盘型结构改变了早期水合行为、表观提取物摄取和短期释放性能。吸盘型构型的单位干质量名义外表面积比平面型高21.4%，短期溶胀响应高23.1%，而平衡含水量保持相近；估算的每克水合水凝胶石榴提取物摄取量高29.9%，60 min内累积表观提取物当量释放量高65.8%，分别约占平面型和吸盘型估算初始负载量的15.2%和17.6%。这些发现表明，吸盘型更高的绝对释放量既反映了更大的初始负载量，也反映了略高的估算释放分数，尽管负载量是通过溶液消耗间接确定的。水合结果与表面积增加促进水分摄取的结论一致，但由于表面积、局部厚度、杯内液体截留和扩散路径同时改变，其各自贡献无法分离。动力学拟合描述了观察到的释放曲线，但既未确立唯一机制，也未证明扩散控制的排他性，且整体释放实验未再现对皮肤的方向性递送。在上述局限性内，吸盘型图案化提供了一种在不改变配方的情况下调节水凝胶短期水合、植物提取物摄取与释放的手段。未来需采用化合物特异性分析以及在相关皮肤模型上的释放或沉积测试，以确定这些差异能否改善化妆品或生物医学应用中的性能。