合成条件对钙/壳聚糖/深共晶溶剂功能化氧化石墨烯载体系统的影响：用于抗坏血酸输送及化疗应用

制备了基于DES修饰石墨烯氧化物/壳聚糖/钙的多功能载体，通过响应面法优化了GO-E:CTS浓度比（2.40）、水热时间（164min）和温度（140℃），获得最高维生素C负载量406.678 mg/g。载体及薄膜、织物、片剂、囊泡等成品在pH7.4时缓释效果优于pH5.4，片剂释放效率最高。生物活性显示其具有抗菌、抗氧化、抗炎作用，低溶血活性，证实了Ca/CTS/GO-E载体作为高效药物递送系统的应用潜力。

阮清海南（Nguyen Thanh Hoai Nam）|阮 Hung Vu | 阮明达（Nguyen Minh Dat）| 莱明黄（Le Minh Huong）| 阮胡休（Nguyen Huu Hieu）

越南胡志明市理工大学（VNU-HCM），化学工程与石油加工重点实验室（Key CEPP Lab），越南胡志明市莱通基埃特街268号，第恩洪区（Dien Hong Ward）

摘要

本研究通过水热法和冷冻干燥法制备了由乙二醇衍生的深共晶功能化氧化石墨烯（GO-E）、壳聚糖（CTS）聚合物和钙（Ca）制成的载体。利用Box-Behnken模型通过响应面方法评估了多种因素（包括GO-E与CTS的浓度比、水热时间和水热温度）对L-抗坏血酸（LAA）载载量的影响。结果表明，在GO-E与CTS的浓度比为2.40、水热时间为164分钟、水热温度为140°C的条件下，LAA的最大载载量达到了406.678 mg·g⁻¹。优化后的Ca/CTS/GO-E载体被应用于薄膜、织物、片剂和胶囊等产品中，以研究其在不同pH环境下的特性、性能及LAA释放效率。同时，还考察了这些载体和产品的生物活性，包括抗菌、抗氧化、抗炎、溶血和细胞毒性作用。结果显示，在pH 7.4时，LAA的释放量高于pH 5.4时，其中片剂产品的释放效果最佳。这些载体和产品对革兰氏阴性和革兰氏阳性菌株的生长及DNA切割具有抑制作用。此外，通过DPPH和ABTS实验检测到其抗氧化活性，并证实了其抗热蛋白变性的能力。这些结果表明，Ca/CTS/GO-E载体在药物递送系统（DDS）和生物医学应用中具有广泛的应用潜力。

引言

随着公众对健康生活和疾病预防意识的提高，尤其是COVID-19大流行之后，营养被认为对免疫能力至关重要。维生素C（L-抗坏血酸，LAA）被认为是维持整体健康最重要的微量营养素之一[1]。与许多动物不同，人类缺乏L-古洛诺-1,4-内酯氧化酶，因此无法内源性合成LAA，必须通过饮食摄入。这种水溶性维生素以抗坏血酸和脱氢抗坏血酸的形式存在，因其强大的抗氧化能力而广受认可，能够中和活性氧并再生其他抗氧化剂（如维生素E），从而增强细胞对氧化应激的防御能力[2]。除了抗氧化作用外，LAA还参与胶原蛋白合成、神经递质生成以及非血红素铁的吸收，并通过改善白细胞功能和保护细胞免受氧化损伤来增强先天性和适应性免疫反应[3][4]。尽管LAA具有多种生物功能，但其缺乏仍是全球公共卫生问题，在某些低收入和中等收入国家中，高达30%的成年人存在维生素C缺乏症，即使在发达国家，老年人、吸烟者、慢性病患者以及新鲜农产品获取受限的人群中这一比例也较高[5]。流行病学数据（如国家健康与营养调查NHANES）显示，社会经济地位、生活方式和季节性食物供应显著影响维生素C缺乏的风险[5]。然而，过量摄入（超过每日2000毫克的上限，尤其是通过补充剂）可能导致胃肠道紊乱、尿草酸排泄增加和肾结石形成，还会加重血色素沉着症患者的铁过载[6][7]。因此，LAA在人类健康中具有双重作用：既是免疫支持和抗氧化防御所必需的，其补充也需谨慎平衡以避免缺乏相关疾病和药物过量带来的不良影响。

药物递送系统（DDS）的发展旨在克服因剂量不当导致的药物毒性问题。尽管药物递送技术取得了显著进展，但DDS的低效率使用仍是实现最佳治疗效果的主要障碍。传统给药方法通常存在生物利用度低、分布不均、代谢迅速和系统毒性等问题，导致治疗药物无法以有效浓度到达靶组织，从而影响疗效并产生不良反应。即使在基于纳米载体的DDS中，由于载药量低、生理条件下的不稳定性、药物过早释放和靶向特异性有限，仍存在挑战。例如，许多纳米颗粒平台会被单核吞噬细胞系统迅速清除，缩短了在病变部位的循环时间和药物积累。此外，虽然增强渗透性和保留效应曾是被动靶向的基石，但由于肿瘤异质性和血管化不良，在临床应用中效果并不一致[8][9][10]。

与此同时，碳基药物递送系统（尤其是氧化石墨烯GO）成为有前景的候选材料。GO因其独特的二维结构、较大的比表面积和丰富的含氧功能基团而备受关注，这些特性使其具有高载药量和多种功能化可能性。GO在水介质中分散性好，在低浓度下具有良好的生物相容性，适用于体外和体内应用[11][12]。然而，GO在药物递送应用中也存在一些缺点：纯GO可能表现出剂量依赖性的细胞毒性、氧化应激和炎症反应，尤其是在高浓度或长期暴露下。其在生理条件下的聚集倾向会降低生物利用度并阻碍细胞摄取。此外，GO基载体的药物释放不受控制可能影响治疗效果并增加脱靶效应。这些限制凸显了通过改进颗粒大小、表面化学性质和刺激响应性来优化DDS性能的迫切需求[8][9][10]。

同时，碳基药物递送系统已成为有前途的选择，尤其是氧化石墨烯GO。GO因其独特的二维结构、较大的比表面积和丰富的含氧功能基团而备受关注，这些特性使其具有高载药量和多功能性。此外，GO在水介质中分散性好，在低浓度下具有良好的生物相容性[11][12]。尽管具有这些优势，GO在药物递送应用中也存在一些问题：原始GO可能表现出剂量依赖性的细胞毒性、氧化应激和炎症反应。其在生理条件下的聚集倾向会降低生物利用度并阻碍细胞摄取。未经改性的GO还可能引起不必要的药物释放，从而影响治疗效果。因此，功能化或表面修饰对于提高GO的生物相容性、稳定性和临床应用中的靶向能力至关重要[13]。使用深共晶溶剂（DESs）对GO进行活化或功能化是提高其DDS性能的有效策略。DESs通常由氢键供体和受体组成，提供了一种绿色、低毒性和可调的表面修饰方法。通过DES处理，GO上的含氧基团可以得到进一步的功能化，提高亲水性和稳定性，并引入新的功能基团或增加缺陷位点，从而增强载药量和控制释放行为。与传统有机溶剂相比，DESs减少了环境影响和潜在的细胞毒性残留物，这对生物医学应用至关重要。此外，该过程还便于在GO表面结合靶向配体或聚合物，提高生物相容性和减少免疫清除[14][15]。为了进一步提高药物递送的物理化学和生物医学性能，还研究了将Ca²⁺掺入GO基质中的方法。Ca²⁺可以桥接GO片层上的负电荷含氧基团，增加层间间距并防止聚集，从而提高在水介质中的分散性。此外，Ca²⁺参与细胞黏附和信号通路，促进生物相容性和细胞摄取。大量研究表明，Ca²⁺掺杂不仅提高了药物或基因的载药效率，还实现了可控释放，从而增强了基于GO的载体的治疗效果[16][17]。同时，采用实验设计客观统计地评估了多种因素的组合效应，以确定DDS制备的最佳条件。本文采用Box-Behnken模型优化设计，评估了GO-DES与CTS比例、水解时间和水解温度三个参数对药物递送效率的影响。

本研究开发了具有多种生物医学应用的多功能GO功能化DDS，结合了先进的药物递送系统和实际医疗产品。这种设计能够更好地控制药物稳定性、释放动力学和靶向递送。该材料可用于医疗纺织品和聚合物薄膜，实现皮肤上的持续释放并减少刺激。此外，该复合材料还可制成片剂或胶囊等口服剂型，通过胃肠道吸收实现可控药物释放和生物利用度的提升。这比直接混合方法具有显著优势，因为后者常面临药物稳定性差、快速降解或释放不受控制的问题。

受前述观点和挑战的启发，本研究使用由氯化胆碱和乙二醇组成的DES对GO进行了功能化，分别作为氢键受体和供体。随后，通过研究不同聚合物/交联剂（PVA、CTS和SA）和离子类型（Zn²⁺和Ca²⁺

实验部分

其他子部分（包括化学品和材料；深共晶溶剂功能化氧化石墨烯的制备；吸附动力学模型；抗坏血酸释放；表征；实验生物活性；统计分析）的详细说明见补充材料文件。

Ca/CTS/GO-E载体的最佳合成条件

研究了使用不同聚合物/交联剂（PVA、CTS或SA）和载药量（40 mg·L⁻¹，处理时间180分钟）的不同药物递送系统。图1(a)显示，随着溶液中载体浓度从10 mg增加到30 mg，药物载载效率下降。因此，在过程初期增加载体质量可以提高载药速率；然而，由于LAA浓度的限制

结论

总之，本研究通过Box-Behnken模型成功制备了Ca/CTS/GO-E药物递送系统，考虑了GO-E与CTS浓度比、水热时间和水热温度三个因素对LAA载载量的同时影响。最佳载体被应用于薄膜、织物、片剂和胶囊等产品中，扩展了其在实际医疗治疗中的应用范围。

CRediT作者贡献声明

阮清海南（Nguyen Thanh Hoai Nam）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写。阮 Hung Vu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，验证，监督，软件使用，资源管理，项目管理，方法学研究，资金获取，数据分析，概念化。阮明达（Nguyen Minh Dat）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写。莱明黄（Le Minh Huong）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写。

利益冲突声明

作者与本文讨论的主题或材料相关的任何组织或实体均无财务或非财务利益关系。

致谢

感谢越南胡志明市理工大学（HCMUT）和VNU-HCM对本研究的支持。