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美国俄亥俄州立大学郑庆飞课题组《ACS AMI》:用于疏水药物可控释放的电响应可穿戴水凝胶

日期: 来源:高分子科学前沿收集编辑:BioMed科技

俗话说“是药三分毒”,可见任何药物都有难以避免的毒副作用,如何精准、靶向、可控地将药物分子递送到目标病灶一直是科学家们努力公关的难题。通过理性设计和生物医学工程等手段所获得的具备不同性能的生物材料(如纳米脂质体、响应性高分子、凝胶等)被广泛地应用于药物递送领域,其中的一些材料(例如纳米颗粒等)还能够用于提高溶解性差的疏水药物的生物利用率和药效。然而由于内部的亲水结构,以传统水凝胶为代表的可穿戴器件并不适用于疏水性药物的可控、均匀缓释。为了兼顾生物相容性和实现难溶药物的可控递送,美国俄亥俄州立大学医学院放射肿瘤学系和癌症代谢中心的郑庆飞课题组设计并开发了一种具备优良力学性能并对于电场响应的可穿戴动态水凝胶(图1),相关成果近期发表于美国化学会的ACS Applied Materials&Interfaces杂志。

图1:本研究中可用于疏水性药物(硫链丝菌素)可控释放的可穿戴、电响应动态水凝胶

这类水凝胶分子网络的“物理”交联基于聚丙烯酰胺高分子链中掺杂的长烷基(C18)疏水侧链之间的疏水作用,而水中十二烷基硫酸钠(SDS)胶束的腔内疏水结构则提供了稳定这些烷基侧链疏水作用的微环境(图1)。在外加电场的作用下,带有电荷的SDS胶束会进行移动(钠离子移向负极,十二烷基磺酸根移向正极)和重排。疏水微环境的消失会导致维持该水凝胶物理交联的疏水作用被破坏,从而进一步致使其内部微结构的变化和溶解(图2A)。为了进一步避免电极反应所产生的大量氢气和氧气,作者在该水凝胶成型后通过浸泡法掺杂了硝酸银,在同样的外加电场下,掺杂了银离子的水凝胶不会产生大量的气体,取而代之的是纳米银颗粒(图2B),这些由于电极反应所产生的纳米银颗粒具备抗菌等多种生物学活性。通过调整浸泡时间和硝酸银的浓度,还可以快速获得力学性能可调的电响应水凝胶。

图2: 本研究中电响应水凝胶在电场作用下的微观结构变化
由于此类水凝胶独特的“双环境”微结构,其中的SDS胶束的空腔可以用于疏水药物的封存,在电场的作用下SDS胶束解离、重排,而其中包裹的中性难溶药物则可以被靶向释放到病灶。为实现这一功能,作者们使用极难溶于水的硫链丝菌素(TSR)作为模式药物分子进行递送。硫链丝菌素是一类微生物来源的次级代谢产物,虽然具备及其优秀的生物活性(例如抗肿瘤、抗菌、抗寄生虫、免疫抑制等),但是它独特的高修饰化结构导致其极差的水溶性和生物利用率。作者成功将TSR包裹于水凝胶的SDS胶束中,形成均一、透明的可穿戴材料。在外加电场的作用下,TSR被可控地释放到动物皮肤组织上并发挥其生物活性(图3)。最后,作者还系统性地考察了此类水凝胶材料的自修复性,粘附性以及作为可穿戴生物电子器件的潜力(图4)。
图3: 通过电响应水凝胶实现硫链丝菌素的可控释放
图4:本研究中电响应水凝胶的自修复性、粘附性和可穿戴性
 事实上,在常用的药物分子中,疏水药物占据了相当大的比重,为了实现对于难溶性药物分子的可控释放和生物利用率的提高,本文作者开发了一类具有双重微环境的电响应水凝胶。该水凝胶系统具备多种优良的力学、化学和生物学性能,为未来可穿戴生物电子元件的开发和疏水药物的“按需供给”提供了一个新的思路。

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参考文献:

1.Zhou X, Zhang N, Kandalai S, Li H, Hossain F, Zhang S, Zhu J, Zhang J, Cui J, Zheng Q. Dynamic and Wearable Electro-responsive Hydrogel with Robust Mechanical Properties for Drug Release. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2023, DOI: 10.1021/acsami.2c21942.

2.Zhou X, Kandalai S, Hossain F, Zhang N, Li H, Zheng Q. pH-Responsive and Recyclable Hydrogels for Gas Releasing and Scavenging. Macromol. Rapid Commun. 2023, e2300008.

原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c21942

来源:BioMed科技

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