作为一种特殊的纳米纤维素，纤维素纳米晶(CNC)具有高的纵横比(~70)、比表面积(~150 m²/g)和拉伸强度(7500 MPa)，这些优异性能使其成为制备水凝胶的理性选择。然而，纤维素纳米晶低的缠结特性导致分散液的粘度较低，从而限制水凝胶系统的力学和流变行为。

因此，国立江原大学的Hyun-Jong Cho 团队采用物理交联策略，设计了一种由盐酸多奈哌齐(DPZ)和氢氧化钠(NaOH)协同调控的CNC水凝胶。该凝胶系统具有明显提升的粘弹性和流变性能，并且在皮下注射后实现了可持续的药物传递。

图1为pH值可控的DPZ增强的聚集型CNC凝胶结构的制备示意图。在中性pH下，多奈哌齐(pKa = 8.9)的阳离子性质会导致带负电荷的CNC粒子之间静电斥力的降低并诱导CNC粒子聚集，有助于CNC的凝胶化。此外，通过添加NaOH来调节pH值，进一步调控CNC/DPZ结构的粘弹性能。由于CNC基凝胶结构的流变学性质的改善，DPZ的释放和体内药动学分布可以被有效控制，从而实现皮下注射后的持续药物传递。

Fig. 1. Schematic of DPZ-loaded CNC gel network for subcutaneous injection.

图2通过粘弹性测试确定了基于CNC的凝胶配方的优化组成。如图2A所示，在6~10 mg/mL的DPZ浓度范围内，CNC/DPZ样品表现出粘弹性可控的局部流动模式。CNC/DPZ (50/10, pH 7.4)组虽然观察到明显的凝胶硬化行为，但其pH进一步提高到7.7，以改善粘弹性。因此，cCNC/DPZ样品的成分为50/10 mg/mL (CNC/DPZ)，pH为7.7。进一步采用注射器挤压试验研究了cCNC/DPZ复合材料的注射性能。如图2B所示，cCNC/DPZ凝胶配方可以自由地通过注射器，这可能是由于暴露在外界压力下粘度降低所致。cCNC/DPZ凝胶的可注射性使皮下注射具有最小的侵入力。图2C研究了CNC基凝胶结构的粘弹性。结果显示，在应变和频率扫描中，cCNC/DPZ样品具有最大的G’值，说明其凝胶结构的固体性质。另外，在不同pH条件下，cCNC/DPZ凝胶的剪切应力值可以达到58–107 Pa，这主要归因于CNC和DPZ之间的氢键作用力以及NaOH对体系pH值的调控。

Fig. 2. Rheological characteristics of the CNC-based gel systems. (A) Gelation property test with the inversion and tilting methods. (B) Injectability test of cCNC/DPZ gel with a single syringe. (C) Strain sweep, frequency sweep, and shear rate-shear stress data of CNC/DPZ, CNC/DPZ (pH 7.0), CNC/DPZ (pH 7.4), and cCNC/DPZ groups.

经皮下注射后，作者评估了CNC基凝胶体系在大鼠体内的生物降解情况(图4)。从图4A可以观察到，DPZ溶液被皮下组织完全吸收，DPZ组没有观察到明确的肿块。相比之下，CNC/DPZ和cCNC/DPZ组显示出残留的凝胶质量，这可能是由于缺乏消化酶而导致CNC生物降解率较低。另外，14天后，大约73%的cCNC/DPZ组仍残留在注射组织中(图4B)，这主要是因为cCNC/DPZ组具有比CNC/DPZ组更高的粘弹性行为。cCNC/DPZ结构的缓慢生物降解模式可能提供长效的药物传递和皮下注射后减少的给药频率。

Fig. 4. Biodegradation profiles of DPZ, CNC/DPZ, and cCNC/DPZ in rats after subcutaneous injection. (A) Images of injected tissue and excised residual gel mass. (B) Relative residual gel weight of CNC/DPZ and cCNC/DPZ. Each point represents the corresponding mean ± SD (n = 6–7).

最后通过血液生化和组织学检测评估毒性潜能(图5)。值得注意的是，与对照组相比，DPZ、CNC/DPZ和cCNC/DPZ组的血清中所有标志物(即白蛋白、ALT、AST、BUN和肌酐)的水平没有任何差异(图5A)，说明 CNC和DPZ注射剂量以及通过pH控制交联的凝胶没有引起大鼠严重的肝脏(由白蛋白、ALT和AST水平测定)或肾脏(由尿素氮和肌酐水平测定)毒性。第14天采集重要器官(心脏、肾脏、肝脏、肺和脾脏)，用H&E染色评估病理变化(图5B)。结果发现，皮下注射cCNC/DPZ凝胶后，与对照组相比，大鼠心脏、肾脏、肝脏、肺和脾脏均未出现严重炎症反应。类似的，DPZ组和CNC/DPZ组也未出现明显的病理改变。由图4可知，CNC/DPZ和cCNC/DPZ凝胶系统在注射部位的清除较慢，导致单个CNC颗粒到清除器官的运动受到限制。然而，皮下注射以CNC为基础的DPZ药物传递系统并没有显示出明显的乙酰胆碱酶抑制迹象，这归因于药物的缓释特征。因此，在目前的测试条件下，基于CNC的凝胶结构可能不会诱导致命的毒性反应。

Fig. 5. In vivo toxicity data after the subcutaneous injection in rats. (A) Albumin, ALT, AST, BUN, and creatinine levels in serum of control, DPZ, CNC/DPZ, and cCNC/DPZ groups. Each point represents the corresponding mean ± SD (n ≥ 3). (B) H&E staining images of heart, kidney, liver, lung, and spleen from control, DPZ, CNC/DPZ, and cCNC/DPZ groups. Scale bar length = 100 μm.

https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2022.119887