ACS Appl. Bio Mater.|基于玻璃化转变的生理温度热响应性纳米纤维膜实现药物可控释放
大家好，今天给大家分享一篇近期发表在ACS Applied Bio Materials上的研究，题为：Bioresponsive Hybrid Nanofibers Enable Controlled Drug Delivery through Glass Transition Switching at Physiological Temperature。文章的通讯作者是瑞士联邦材料科学与技术研究所的Qun Ren。
细菌感染和生物膜的形成是阻碍伤口愈合的主要因素，为防止抗生素在治疗过程中的滥用，抗菌药物的控制释放非常重要。尽管基于聚合物基底的零级动力学药物控释已有较多研究，但许多治疗并不需要这样持续的药物释放，局部脉冲型释放低剂量强疗效药物有时往往更有效。药物的控释可由刺激响应性高分子材料实现，比如pH和光热响应性等，聚异丙基丙烯酰胺（PNIPAAm）便是一种已被广泛研究的热响应性材料，它在32℃左右能发生明显的亲水性-疏水性可逆转变，但对于伤口处37℃左右的温度，其药物控释效果并不理想。本工作中，作者设计了一种玻璃化转变温度（Tg）可调的纳米纤维膜，在37℃无外源刺激下触发脉冲式抗菌素释放。
首先，作者基于Eudragit® RS 100（ERS，一种丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸甲酯、氯化三甲基季铵基乙基丙烯酸甲酯的共聚物）和PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）制备了静电纺丝纳米纤维膜，它具有可调的“水相Tg”。基于之前的研究作者将ERS的PMMA的质量比控制在7:3和8:2两组，选择奥替尼啶双盐酸盐（OCT）为模型药物，按不同的质量比包载其中，并测试各组样品的固相Tg和水相Tg，用扫描电子显微镜（SEM）对纳米纤维的直径进行表征，结果如图1所示，且各样品在145℃下均具有良好的热稳定性。为了确保OCT的成功封装，作者用红外光谱（FTIR）检测了OCT中1653 cm-1处的特征碳氮双键信号，并用X射线衍射表征了纤维中OCT的结晶度，结果表明OCT处于无定形态，为药物的稳定储存和可控释放奠定基础。
图1. 不同ERS/PMMA/OCT比例的样品Tg和纤维直径表征
随后作者用紫外光谱对各组样品在不同温度（25℃和37℃）下的OCT累计释放进行表征（图2），其中ERS:PMMA质量比为8:2的样品相较于7:3表现出不同温度下的明显释放差异，这是因为它们的水相Tg低于37℃而7:3样品水相Tg都高于37℃（图1），他们的差异也验证了玻璃化转变对药物释放的贡献。
图2. 各组样品在25℃和37℃下的OCT累计释放实验
紧接着，作者设计了一个“热开关”实验，高于37℃定义为on，而低于37℃则为off，来反复调节纳米纤维在玻璃态和橡胶态间的相变（图3）。尽管每一次on状态下OCT释放量呈现逐次衰减的趋势，但是能在热刺激产生明显的脉冲式释放。
图3. 不同OCT负载量的样品的“热开关”脉冲控制释放实验（紫色阴影对应“开”状态，而白色背景对应“关”）
最后作者对纳米纤维膜的抗菌活性和毒性进行了测试，如图4所示，与未装载OCT的样品相比，装载OCT的纤维膜对绿脓杆菌（革兰氏阴性菌）和金色葡萄球菌（革兰氏阳性菌）均有3个数量级的抑菌效果（图4a, 4b）。用人真皮成纤维细胞（nHDFs）对纤维膜进行细胞毒性评估，毒性为阴性对照的70%，存活率超过84%（图4c）。
图4. 不同载药量样品各对a)革兰氏阴性菌和b)革兰氏阳性菌的抗菌效率实验和c)对人真皮成纤维细胞的细胞毒性实验
总的来说，本工作开拓了运用玻璃化转变为响应机制，生理温度为非外源性热刺激，构建了在37℃区间的非侵入性药物控释纳米纤维膜，通过热开关实验证明可触发五次脉冲式释放，且能在低毒性下有效杀死病原体，为热响应性药物控释提供了新思路。
作者：WG 审校：WH
DOI:10.1021/acsabm.1c00099
Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsabm.1c00099