用于可调释药物的尿管支架的位点特异性多孔水凝胶涂层及其性能表征

本研究开发了一种基于Gtn-HPA/CMC-Tyr微孔水凝胶的局部化疗药物缓释导管，通过3D打印模具确保涂层均匀性，体外实验显示药物在12小时内快速释放，随后持续释放15天，并模拟尿液流动验证其可控释放效果，为upper tract urothelial carcinoma治疗提供定制化解决方案。

Yeonuk Kim|Mohammed Al-Saady|Aristide Djoulde|Peggy P.Y. Chan|Hsin-Hui Shen|Shomik Sengupta|Jing Fu

机械与航空航天工程，莫纳什大学，澳大利亚维多利亚州克莱顿3800

摘要

本研究提出了一种通过开发涂有位点特异性微孔水凝胶的药物释放输尿管支架来实现局部化疗递送的策略。该水凝胶由明胶-羟基苯基丙酸（Gtn-HPA）和羧甲基纤维素-酪胺（CMC-Tyr）合成，使用定制设计的3D打印模具进行制备，以确保涂层厚度均匀且精确。高分辨率聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）成像显示，这种水凝胶具有高度互联的多孔结构，有利于控制药物扩散。模型化合物（包括溶菌酶、牛血清白蛋白（BSA）和化疗药物丝裂霉素C（MMC））被嵌入水凝胶基质中。体外研究表明，在最初的12小时内药物迅速释放，随后在15天内持续释放。通过修改水凝胶成分和微观结构可以调节释放曲线，并且通过添加额外的无药物水凝胶层进一步调控释放过程。模拟尿液流动的动态实验验证了这种控制性、位点特异性药物递送的可行性。总体而言，所提出的技术提供了一个可定制且适用于临床的平台，有望改善上尿路尿路上皮癌的治疗效果。

引言

水凝胶是由天然或合成聚合物组成的交联网络，其亲水性使其成为生物工程的理想材料。众所周知，水凝胶的形状和理化性质对细胞生长和药物释放有显著影响，其微米和纳米级多孔结构在细胞与周围环境的相互作用中起着关键作用。这些多孔结构的一个优点是细胞或治疗剂可以被困在孔内，从而促进细胞生长和增殖，并实现药物的有效递送（Al-Abboodi等人，2013年；Al-Abboodi等人，2014年；O’Brien等人，2005年；Oh等人，2007年）。值得注意的是，由羧甲基纤维素-酪胺（CMC-Tyr）和明胶-羟基苯基丙酸（Gtn-HPA）合成的水凝胶具有可调的多孔结构（Al-Abboodi等人，2014年；Al-Abboodi等人，2019年）。这种水凝胶的膨胀行为也是其亲水表面的一个关键特征，因为它直接影响孔结构、有效扩散性和药物释放动力学（Călina等人，2024年；Holback等人，2011年；Lee，1985年）。此外，这种水凝胶的可降解性有利于实现持续的药物释放，在后期增加网络渗透性，并在生理条件下促进材料的逐渐清除（Al-Abboodi等人，2013年；Al-Abboodi等人，2014年）。

另一方面，上尿路尿路上皮癌（UTUC）是一种侵袭性强的泌尿系统癌症，通常发生在上尿路（Audenet等人，2023年；Babjuk等人，2017年；Barros等人，2016年）。标准治疗方法通常包括诊断时的侵入性手术（Shvero等人，2020年），随后进行抗癌药物治疗和化疗（Barros等人，2016年；Birtle等人，2020年；Shvero等人，2020年）。据报道，丝裂霉素等化疗药物已被纳入聚合物材料中，以在泌尿系统中实现体内药物递送（Hadaschik等人，2008年；Lu等人，2015年；Papadopoulos等人，2015年）。体内化疗的一个关键优势是，疏水性抗癌药物比亲水性药物具有更好的尿路上皮层渗透性（Audenet等人，2023年；Lu等人，2015年）。已有研究将含有抗癌药物的水凝胶用于延长治疗剂在体内的停留时间，并实现缓慢、持续的释放（Lim等人，2018年；Chang等人，2024年）。

上尿路尿路上皮癌的内镜治疗常常留下残留肿瘤，这些肿瘤可能会随后导致新的肿瘤生长（Arodi等人，2016年；Fan等人，2022年；Klän等人，1991年；Mertens等人，2023年；Takeuchi等人，2020年）。内镜消融后辅以辅助药物递送（ADD）是管理这些情况的常见临床方法（Chien等人，2022年）；然而，这些用于ADD的治疗剂经常因尿液流动而被冲走。为了解决这一问题，研究人员正在积极开发有效的局部药物递送解决方案，例如药物释放输尿管支架（DEUS），以实现包括抗生素、抗炎和抗癌治疗在内的多种用途的药物控制释放（Kallidonis等人，2022年；Wei Shan等人，2018年）。

本研究的目的是探讨使用Gtn-HPA/CMC-Tyr多孔水凝胶，确定其多孔性是否有助于在聚合物表面成功涂覆后促进化学物质的释放。此外，该研究探索了一种易于应用的方法，使手术团队能够在不修改现有输尿管支架的情况下进行患者特异性药物装载和位点特异性涂层。在本研究中，将荧光异硫氰酸酯标记的牛血清白蛋白（FITC-BSA）、溶酶体以及丝裂霉素等不同药物嵌入所提出的可降解Gtn-HPA/CMC-Tyr水凝胶中。通过模拟从肾脏到膀胱的尿液流动的动态释放实验，评估了这些药物从水凝胶涂层支架中的释放情况。由于水凝胶的亲水性（Ahmed，2015年；Kim等人，2014年），涂有水凝胶的支架在插入过程中可能减少摩擦，从而提高患者舒适度，并减少细菌附着和结壳引起的疼痛（Miao等人，2023年）。先前的研究表明，传统的药物释放输尿管J型支架在临床前和临床测试中的效果有限，因为药物向输尿管组织的递送效果不佳（Kuyumcuoglu等人，2012年；Yang等人，2015年）。通过形成与输尿管壁直接接触的局部多孔水凝胶薄膜，所提出的方法预计能比传统药物释放支架提供更有效的药物递送。（见图1）。

已有许多关于在输尿管支架上涂覆治疗剂的研究，包括浸涂（Antonowicz等人，2021年）、溅射涂层（Song等人，2010年）和超声喷涂（Yuk等人，2012年）。然而，这些技术存在某些限制。尽管浸涂操作简单，但往往难以控制涂层均匀性，且难以实现局部涂层。溅射涂层和超声喷涂可以产生薄而均匀的涂层，但需要专用设备，可能不适合临床环境。

所设计的水凝胶涂层可以使用定制设计的3D打印模具在现场制备。涂层厚度以及支架上特定位置的涂层可以精确控制，从而实现对现有输尿管支架的患者个性化定制。在成功涂覆后，将治疗剂掺入多孔水凝胶中，可确保药物在目标位置的持续释放。由于其可降解和生物相容性，Gtn-HPA/CMC-Tyr水凝胶预计在药物完全释放后随时间降解（Al-Abboodi等人，2013年；Al-Abboodi等人，2014年）。

实验片段

水凝胶的制备和释放测量

按照Al-Abboodi（Al-Abboodi等人，2014年；Al-Abboodi等人，2019年）描述的程序制备了羧甲基纤维素-酪胺（CMC-Tyr）和明胶-羟基苯基丙酸（Gtn-HPA）。Gtn-HPA作为前体形成水凝胶支架，并与CMC-Tyr交联以诱导相分离并作为牺牲聚合物。这两种聚合物通过添加辣根过氧化物酶（HRP）和稀释的过氧化氢（H

溶菌酶从水凝胶中的释放

在这个使用圆形盘状水凝胶进行的初步实验中，观察到溶菌酶在最初的12小时内迅速释放到PBS溶液中，随后在15天内持续释放（图2）。在最初的12小时内，溶菌酶的累计释放量为22.74 µg（水凝胶浓度为10%）。随后进入持续释放阶段，15天后总累计释放量为79.75 µg。

结论

现有的输尿管支架表面涂层技术主要旨在通过抑制细菌附着和在设备上的存活来减少感染和结壳（Yang等人，2015年）。由于输尿管支架引起的患者不适显著影响生活质量，通常使用口服药物进行症状管理，尽管其效果有限且可能产生不良副作用（Babjuk等人，2017年；Norris等人，2008年；Yang等人，2015年）。

作者贡献声明

Yeonuk Kim：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，项目管理，方法学，研究，正式分析，数据管理，概念化。Mohammed Al-Saady：撰写 – 审稿与编辑，可视化，验证，方法学，研究，正式分析，数据管理。Aristide Djoulde：撰写 – 审稿与编辑，可视化，验证，方法学，研究，正式分析。Peggy P.Y. Chan：Hsin-Hui Shen：撰写 – 审稿

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究由莫纳什工程种子基金资助。作者感谢莫纳什电子显微镜中心（MCEM）提供的仪器和科学技术支持，该中心隶属于Microscopy Australia（ROR: 042mm0k03），并获得NCRIS的支持；同时感谢墨尔本纳米制造中心（MCN）在澳大利亚国家制造设施（ANFF）维多利亚节点的支持。本研究使用了由澳大利亚研究委员会资助的设备（LE200100132，LE0882821）。