研究背景
用于治疗人体特定疾病的蛋白质药物在生物医学领域具有重要价值。然而，蛋白质药物通常存在寿命短、结构弱、在生理环境中易于被清除等缺点，难以达到预期的治疗效果。水凝胶具有与细胞外基质相似的结构和特性，如自愈合可注射水凝胶具有安全、微创、持续稳定释放等优点有望成为可控药物缓释载体。但传统的自愈合可注射水凝胶缺乏对环境刺激(如pH值等)响应性，植入体内后难以控释蛋白质药物，极大降低了蛋白质药物的生物利用度。因此，设计合成具有pH响应性的自愈合可注射水凝胶对于蛋白质药物的刺激响应和稳定释放仍然是一个挑战。
文章概述
陕西科技大学陈咏梅团队在国家重点研发计划政府间专项重点项目( 2022YFE0104200)的支持下，以绿色环保、易于合成制备的核心思想，基于魔芋葡甘聚糖、壳聚糖、聚天冬氨酸酰肼为原料，设计制备了一种具有双重pH响应性、可注射性、自愈合性、形状适应性、生物降解性和生物相容性的动态水凝胶(PAHy-1-OKGM-1-CEC)。该水凝胶具有制备方法简便和可快速凝胶化的特点，可注射至病理部位原位成胶，并通过pH响应实现蛋白质药物的可控释放，达到治疗目的。与传统的pH响应性水凝胶相比，具有双重pH响应性的自愈合可注射水凝胶具有更加稳定的释放速率和更长的释放时间，实现了在受损部位蛋白质药物的刺激响应和稳定释放。
图文导读
1. pH响应性自愈合可注射水凝胶的设计原理
图1a展示了氧化魔芋葡甘聚糖(OKGM)、壳聚糖(CS)、聚天冬氨酸酰肼(PAHy)和双重pH响应性自愈合可注射水凝胶(PAHy-l-OKGM-l-CEC)的合成制备及高分子网络中的成键原理。其中，氧化魔芋葡甘聚糖高分子链上的醛基(-CHO)可分别与N-羧乙基壳聚糖大分子链上的氨基(-NH2)和聚天冬氨酸酰肼高分子链上的肼基(-NHNH2)形成亚胺键(-C=N-)和酰腙键(-C=NHNH-)，赋予水凝胶双重动态pH响应网络结构，并兼具生理环境中的自愈合和可注射性能。图1b为水凝胶在注射器中的原位凝胶化，以及随后的可注射、自愈合、生物降解以及蛋白质持续释放的示意图。从针头挤出的凝胶微粒在动态亚胺键和酰腙键作用下自愈合后重塑形成新的整体。此外，在弱酸性环境中(pH = 6.5)，动态交联网络受到破坏，加速水凝胶的降解，且生物降解过程比中性环境(pH = 7.4)中更快，从而达到调控蛋白质缓释的效果。
图1 双重动态共价键交联的pH响应多糖基自愈合可注射水凝胶
2.不同PAHy含量水凝胶的力学性能和微观结构以及pH响应机制
图2a与图2b展示了随着PAHy含量的上升，PAHy-l-OKGM-l-CEC水凝胶在pH为7.4和6.5的环境中的力学性能变化趋势一致，均成上升趋势。原因是在水凝胶中加入聚天冬氨酸酰肼可引入酰腙键，从而增强了高分子网络结构的交联密度，提高了水凝胶的力学性能。图2c为不同PAHy含量PAHy-l-OKGM-l-CEC水凝胶的SEM照片，表明不同PAHy含量的PAHy-l-OKGM-l-CEC水凝胶都具有完整且相互连接的网络结构，有利于蛋白质药物的释放。图2d展示了水凝胶在pH = 7.4和pH = 6.5时的动态响应机理。当pH值为7.4时，OKGM大分子链上的醛基分别与CEC大分子链上的氨基、PAHy高分子链上的肼基发生反应，形成亚胺键和酰腙键，增强了高分子网络结构的动态交联密度。然而，当pH值为6.5时，质子攻击酰肼键，生成醛基和肼基，亚胺键断裂，重新生成醛基和氨基。
图2 PAHy含量对水凝胶力学性能和微观结构的影响以及水凝胶的pH响应机理
3.pH响应水凝胶的自愈合可注射性能及流变学分析
图3 pH响应水凝胶的自愈合可注射性能及流变学分析
4.pH响应水凝胶的降解及蛋白释放分析
图4a和图4b分别展示了PAHy的含量对水凝胶在不同pH环境中降解性能的影响。结果表明在水凝胶中加入PAHy可以有效减缓降解效率，原因是PAHy含量的增加，在三维高分子网络中形成的酰腙键数量随之增多，解离速度减缓。图4c和图4d表明，在不同的pH环境中，水凝胶的降解特性与聚天冬氨酸酰肼的含量成正比。图4e和图4f分别展示了PAHy的含量对水凝胶在不同pH环境中蛋白释放性能的影响。结果表明所有水凝胶均在前24 h内出现快速释放现象，随后释放速率保持稳定，且在酸性环境中蛋白释放效率更快。图4g和图4h展示了水凝胶牛血清白蛋白的累积释放率。上述结果表明，PAHy-l-OKGM-l-CEC水凝胶可以通过pH响应性控制蛋白质的持续释放，在蛋白药物输送领域具有应用潜力。
图4不同PAHy含量的pH响应水凝胶在不同pH环境中的讲解性能与蛋白质释放性能。
5.pH响应水凝胶的生物相容性
图5 PAHy-l-OKGM-l-CEC水凝胶的体外细胞相容性
6.结论
本工作成功设计并制备了新型具有pH响应、自愈合、可注射的多糖基PAHy-l-OKGM-l-CEC水凝胶。双重pH响应动态共价化学键(即酰腙键和亚胺键)同时赋予了水凝胶的动态行为(自愈合和注射)和pH响应。值得注意的是，聚天冬氨酸酰肼与三维高分子网络之间的相互作用显著改善了水凝胶的pH响应和力学性能。此外，利用聚天冬氨酸酰肼在高分子网络中的优势，该自愈合可注射动态水凝胶可在不同pH环境中控释牛血清白蛋白，表现出长期缓释效果。该研究不仅提出了具有pH响应、自愈合、可注射水凝胶的合成新策略，还为动态水凝胶在pH响应药物递送载体领域中开辟了新途径。
7.创新点
1.制备了一种兼具pH响应型和可注射自愈合性能的魔芋葡甘聚糖基水凝胶，具有优异的生物相容性和作为药物载体的潜力，有望应用于蛋白质药物递送领域。
2.拓展了聚天冬氨酸在生物医学领域中的应用，使其具有作为药物递送载体应用的潜力。
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