温敏水凝胶微针用于皮下药物释放性能研究
微针是一种新型的经皮给药体系,其能够以微创且无痛的方式来穿透皮肤角质层的阻碍,从而有效地加强涂敷在皮肤上的药物分子的渗透?微针在常规方法难以实现经皮给药的大分子药物的递送方面有着尤为显著的功效?历史上,本世纪初便逐渐开始有以微针为题目的论文进行发表,并报道了其可极大加强胰岛素的透皮递送?随着材料学科的的日益发展,材料的种类也日渐丰富起来,越来越多的材料也随之被用于开发装载有各种药物,尤其是带有生物活性的蛋白类药物的微针之中? 目前为了实现对药物的缓释与控释,人们常会通过增大基质材料分子间相互作用力,从而使得微针在刺入表层皮肤并吸收皮肤组织液以形成水凝胶(Hydrogel)后,来强化对所装载的药物与其他功能性微观药物载体的装载?为了增强分子间作用力,人们常常选用各种小分子交联机,并通过UV或者加热来引发交联剂进行反应,使得大分子主链上的相关基团与交联剂反应,从而实现交联?然而小分子交联剂的使用可能会给所装载的药物带来诸多风险? 为解决这个问题,本课题主要是基于缓释与控释的应用场景,以具有温敏特性的聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAm)来接枝到常用的生物来源大分子--明胶(gelatin)以合成gelatin-g-PNIPAm,并将其作为基质材料来制备具有温度响应性能的水凝胶微针(RS-GPG-MNs),并探索其在装载亲水性药物(以罗丹明b为模型药物)以及蛋白类药物(以胰岛素作为模型药物)时药物的释放性能,旨在避免传统水凝胶微针中残留有小分子交联剂的可能性,为其他研究者提供全新的基础水凝胶微针?本研究取得的主要成果如下: (1)gelatin-g-PNIPAm的合成及其作为微针基质材料方面的潜力 首先,我们通过将羧基封端的PNIPAm(Mn=10000)接枝在明胶上以制备gelatin-g-PNIPAm,并通过红外光谱仪?核磁共振氢谱仪等方法来对所制备的产物与大分子反应物进行了表征?结果现实所制备的产物能同时出现PNIPAm和gelatin的特征峰?随后将所制备的产物溶解在水中以制得50%的水溶液,并将该水溶液分别放置在室温下和37℃(体温)环境下,结果发现室温下的水溶液在37℃的环境下会对温度的变化做出响应并发生交联,从而使得体系从液态转化为水凝胶状态?这表明所制备的材料确实有展现出在微针的实际使用环境下,发生可逆交联的潜力?随后又通过差示扫描量热法测得了PNIPAm和gelatin-g-PNIPAm在水与模拟体液中的相变温度?结果发现两个样品的LCST差别不大,而在含有各种盐的体液环境下,两个的样品的LCST均会发生进一步的降低?这表明所制备的材料拥有合适的相变温度?最后,基于制备微针时所需要的高浓度药物溶液中可能发生药物结晶,以及溶液中药物与材料可能存在的不合适的分子间相互作用,从而导致药物利用效率受损这一情况,我们利用偏光显微镜观测了含有gelatin-g-PNIPAm与gelatin的高浓度蛋白类药物(胰岛素)溶液中结晶的情况,并利用计算机模拟来确定了PNIPAm与胰岛素间的相互作用情况?最终gelatin-g-PNIPAm相比gelatin能明显展现出抑制胰岛素结晶的效果?同时模拟实验也表明PNIPAm与胰岛素之间没有过强的相互作用,胰岛素的蛋白结构没有发生明显变化? (2)RS-GPG-MNs的制备与表征 基于模板法,用载有药物的gelatin-g-PNIPAm溶液和PLA制备了两段式微针(RS-PGP-MNs)?并探索了微针的力学性能与皮肤刺入能力?结果表明,RS-PGP-MNs相比与普通的gelatin-g-PNIPAm制备的微针,展现出了更好的力学性能?这是由于作为底座的PLA固体微针提供了支撑作用?随后的猪皮刺入实验也证明,RS-PGP-MNs确实有足够的力学性能来刺入猪皮?最后使用显微镜在荧光下观察微针形貌,以及所装载的药物:罗丹明B和修饰有FITC的胰岛素在RS-PGP-MNs中的分布情况?结果表明,所以微针形貌完整,且所装载的药物在微针能均匀地进行分布?随后我们利用高湿度环境来模拟体液环境,并对RS-PGP-MNs在高湿度环境下的变化进行可视化观测?结果表明在测试环境下,由gelatin制备的两段式微针在7分钟左右便已经明显地吸水,gelatin针明显地从PLA固体微针上坍塌下来?这个时间与gelatin微针在实际应用中的溶解时间相似?而RS-PGP-MNs中,GP微针可以长期地“贴附”在PLA固体微针上?通过本实验,我们用可视化角度证明干燥后的GP微针确实拥有足够的交联速率? (3)RS-GPG-MNs的药物释放速率与降血糖行为研究 随后我们将gelatin制备的微针与在第一部分中制备的GP加工成的微针装入透析袋,来进行体外药物释放实验?随后发现在37℃下,相比于gelatin微针,GP微针能展现出显著延长的药物释放时间?随后我们使用荧光显微镜在荧光场下观测RS-GPG-MNs中罗丹明b在猪皮扩散池中的释放情况?结果显示随着时间的推移,gelatin微针组的荧光信号衰弱速率显著快于RS-GPG-MNs组中的荧光信号?如此,我们成功可视化地表征了RS-GPG-MNs的缓释情况?最后我们将胰岛素装载在RS-GPG-MNs中,来观测其用于降血糖时的行为?
水凝胶微针;温度敏感型水凝胶;物理交联;药物缓释;聚N-异丙基丙烯酰胺
北京化工大学
硕士
化学
郭新东
2022
中文
TQ460.4;TQ427.26
2022-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）