酸敏感的羧甲基壳聚糖水凝胶的制备及表征

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水凝胶是指亲水性聚合物通过物理或化学交联的方式而形成的三维网络结构,因其内含容量高、粘弹性能可控、生物相容性以及可降解性优良、物理特性独特,孔隙可调以及生物流体的亲和性等,对解决药物传递系统在临床治疗以及药理学研究方面的限制起到至关重要的作用。在生物医用材料的应用领域已经得到了极大的关注和广泛的研究,譬如机体的组织工程、治疗方面的药物载体等。恶性肿瘤作为现如今最难攻克的疾病之一,其相关方面的研究一直是研究者们关注以及探索的热点与难点,而对于抗肿瘤药物输送是其治疗效果的关键因素。水凝胶作为一种极为理想的药物载体,其应用在肿瘤药物的输送方面也作出了极为重要的贡献。基于肿瘤的各种微环境,比如血管缺失、氧含量较少以及pH环境的差异性等,“智能型”的水凝胶则可以对外界的刺激产生响应性的反应,于是被广泛地应用在药物传递方面,主要的敏感性刺激包括pH、温度、光、磁场、电场、离子强度等。譬如基于pH差异性设计的水凝胶给药系统,由于肿瘤部位的pH环境是呈梯度变化的,例如血管中环境的pH值为7.4,肿瘤组织的细胞外,其pH值范围为6.5-7.2,内涵体的环境,其pH值为5.0-6.0,溶酶体环境中,其pH值范围为4.0-5.0,于是在水凝胶中引入pH敏感性的化学键(例如:原酸酯键、缩酮键、缩醛键、腙键等)来控制药物的释放被广大的研究者们研究与利用,而原酸酯基团因其对肿瘤微环境起到超灵敏的响应,现也被大量地应用于缓控释药物载体中。具有pH敏感性的水凝胶,其不仅能够响应环境刺激智能地实现药物释放,而且可以增加肿瘤部位药物的作用浓度以及时间,极大地降低化疗药物给机体造成的损伤。然而基于原酸酯的pH响应性的水凝胶的制备与应用还未见相关报道。于是利用原酸酯制备的pH敏感型的水凝胶在控制药物释放的应用中具有极大的潜在价值。  在本研究中,主要包括以下几点内容与结论:  (1)以二甘油和原甲酸三甲酯为起始原料通过三步反应成功合成出两端带环氧基团的五元环原酸酯单体(OEDe)。利用核磁(NMR)以及质谱(ESI-MS)检测并分析其结构,结果显示其结构正确;其分子式为C22H38O13,理论分子量(M)为510.2,实际测得的分子量(M+Na+)为533.2。OEDe作为水凝胶的交联剂,根据环氧基团与羧甲基壳聚糖中氨基反应的不同摩尔比,在温和的反应条件下得到三组pH敏感型的水凝胶(hydrogel-1、hydrogel-2和hydrogel-3)。通过固体核磁和傅里叶红外光谱(FT-IR)检测交联水凝胶的结构以及确认其结构的正确性,结果表明交联剂与羧甲基壳聚糖成功交联。经交联的水凝胶从宏观形貌以及扫描电镜(SEM)拍摄的图片可以看出形貌似海绵,结构有序,内部孔径大小规整适中、光滑有序。流变性能测试利用其储存模量(G)与损耗模量(G”)来分析不同交联程度水凝胶的粘弹性,数据结果表明:在一定的范围内,随着交联剂的增加,水凝胶的粘弹性能逐渐变好;超出范围后,交联程度过高,弹性范围过小使得水凝胶不适于接下来试验探究,于是我们对粘弹性能最好的一组(hydrogel-2)做进一步的探究。水凝胶的稳定性检测结果表明在200℃左右的温度范围内仍能维持稳定,并且可以长时间的放置,说明水凝胶易于储存与运输。X射线晶体衍射(XRD)检测结果表明羧甲基壳聚糖发生反应并且随着交联剂增加晶峰越高。溶胀性能测试结果显示,在中性条件下,三组水凝胶的溶胀性能良好,并且交联度越高,其平衡溶胀度越低(hydrogel-1>hydrogel-2>hydrogel-3),分别在10、6.3和4.9左右。在不同pH环境下(pH5.0、6.5和7.4)的降解,首先从交联剂的降解核磁图上可以看出,在酸性(pH5.0和6.5)条件下,24h内原酸酯键全部降解,而在中性条件下(pH7.4)较为稳定;通过水凝胶样品在不同pH值下降解,可以从其失重以及核磁降解峰上发现其降解呈pH依赖性的,并且交联度越高的,其降解速度越快。  上述材料表征后,用hydrogel-2作为进一步探究的对象。利用水凝胶的高含水性能,其能够高效地负载水溶性抗肿瘤药物盐酸阿霉素(DOX·HCl)。进一步研究了溶胀吸附载药后的水凝胶样品在体外不同pH环境下(pH5.0、6.5和7.4)的药物释放行为,实验结果表明:在微酸环境下,水凝胶表现出促进药物释放的效果。在酸性(pH5.0和6.5)缓冲液中,24h后药物累积释放量分别达到了40%和36.2%;而在中性条件下累积释放量为28%。持续释放7天后,酸性条件下(pH5.0和6.5)的累积释放量分别达到了83.6%和71.3%,而在中性条件下最终释放量仅为39%。结果表明载药水凝胶的药物释放呈pH依赖性,并且在酸性条件下可持续地释放药物;在中性条件下释放药物量较少且不能持续释放。  利用鼠源的肝癌细胞(H22)在小鼠腋下构建实体瘤模型,通过体内预试验探究水凝胶在体内的降解情况和评估上述成胶过程载药的水凝胶样品在体内抗肿瘤效果,用空白水凝胶作为对照组。体内的降解结果表明在5天时,水凝胶已近完全降解,并且对小鼠没有产生明显的毒性;体内抗肿瘤结果表明,与空白水凝胶(hydrogel-2)相比,包载有抗肿瘤药物(DOX)具有的水凝胶具有显著的抗肿瘤效果并且可以看出对小鼠的正常生长并没有明显的影响。  综上所述,生物相容性和生物降解性能良好的pH敏感性原酸酯交联羧甲基壳聚糖水凝胶作为药物载体在抗肿瘤领域具有潜在的应用价值。
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