長效凝膠制劑研究進展

仇子杰，郝天嬌，侯小燕，陳 芊，涂家生，孫春萌

國家藥品監督管理局 藥物制劑及輔料研究與評價重點實驗室，中國藥科大學藥用輔料及仿創藥物研發評價中心，中國藥科大學 藥學院，南京210009

1 背景

凝膠系指藥物與適量基質制成的混懸或乳狀液型的黏稠半固體制劑[1]，由于其獨特的與細胞外基質相似的三維結構，且具有藥物緩釋時間長、生物相容性高等優勢，在制劑開發中備受青睞[2]。此外，長效凝膠的載藥量大，體內滯留時間長，可長期維持穩定的血藥濃度，生物利用度高，從而減少用藥頻次，提高患者順應性[3]。

近年來長效凝膠制劑發展迅速，按照形成原理不同可分為環境響應型凝膠和原位交聯凝膠，見圖1。其臨床給藥途徑多樣，可經口腔、陰道、皮下、關節內等多種途徑實現局部或全身給藥[1]，用于治療牙周炎[4]、術后鎮痛[5]、骨關節炎[6]、糖尿病[7]等多種疾病及相關領域。

圖1 長效凝膠制劑的分類

本文將著重介紹近年來長效凝膠制劑技術研究進展，分析現有技術的局限性及改良策略，以期為此類劑型在藥物遞送領域的發展提供研究思路。

2 長效凝膠制劑技術的原理及發展現狀

2.1 環境響應型凝膠

2.1.1 溶劑交換型原位凝膠 溶劑交換型原位凝膠是指將水不溶性載體溶解于親水性有機溶劑作為前體溶液，當前體溶液接觸水性基質時，有機溶劑則會擴散到周圍基質中，導致水不溶性的聚合物沉淀固化而產生相分離，形成凝膠，藥物通過充滿水的孔隙進行擴散，從而實現其可控釋放[8]。目前常見的載體材料包括丙烯酸樹脂類[4]、纖維素類[9]和聚酯類[10]等。

Atrigel?遞送系統是由Atrix 公司首創的基于聚合物沉淀的長效凝膠技術平臺，該平臺主要以聚乳酸-羥基乙酸共聚物[poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA]、聚乳酸（polylactic acid，PLA）等作為載體材料，N-甲基吡咯烷酮（N-methylpyrrolidone，NMP）作為有機溶劑，該混合體系經注射后NMP 迅速向體液擴散，同時在原位沉淀形成凝膠并逐步釋放藥物。目前，以Atrigel?為基礎的系統已發展出多個上市制劑，包括Atridox?、Eligard?、Sublocade?等[11]。

Phaechamud T 等[4]利用丙烯酸樹脂Eudragit RS作為聚合物基質，制得多西環素原位凝膠用于牙周炎的治療。體外實驗表明，制劑在注入齦溝模擬液后，前體溶劑NMP 與模擬液中的水快速交換，促進Eudragit RS 沉淀而形成致密的剛性凝膠。該凝膠所包載的藥物可持續釋放超過54 h，具有潛在的牙周炎治療前景。此外，對于聚合物沉淀系統，由于藥物分子較高的潤濕性促進了水分子的滲透，所以藥物親水性越強，溶劑交換過程越快，從而加速凝膠形成，減少藥物突釋風險，為基于聚合物沉淀系統藥物的開發指引了方向。

基于乙酸異丁酸蔗糖酯（sucrose acetate isobutyrate，SAIB）開發的長效凝膠系統是目前研究較為成熟的小分子沉淀系統，SAIB 是完全酯化的蔗糖衍生物，在常溫下黏度高達100 000 cp，這為藥物儲庫的實現提供了條件[12]。該系統作用原理與聚合物沉淀系統類似，即首先采用有機溶劑降低體系黏度，當該體系接觸到體液后，有機溶劑便會擴散到周邊基質中，在局部形成具有高黏度的長效凝膠。與聚合物沉淀系統相比，SAIB 具有有機溶劑含量低、緩釋可控性強的優勢，目前常用于遞送小分子和多肽類藥物[5]。Durect 公司以SAIB 為基礎構建了SABER?技術平臺，該公司于2021 年上市的布比卡因緩釋凝膠Posidur?，用于關節鏡下肩峰減壓治療的麻醉鎮痛，鎮痛時長超過72 h[13]。

除了乙酸異丁酸蔗糖酯，Chuenbarn T等[14]將松香溶解于DMSO 中，混合48 h 后加入鹽酸萬古霉素，制得具有生物相容性和體內可降解的長效凝膠。注射到目標部位后，DMSO 迅速與體液接觸，松香析出形成凝膠，從而將萬古霉素滯留在凝膠儲庫中緩慢釋放。

2.1.2 溶致液晶系統 溶致液晶（lyotropic liquid crystals，LLC）主要由兩親性分子如單油酸甘油酯（glyceryl monooleate，GMO）[6]、二油酸甘油酯（glycerol dioleate，GDO）、磷脂等和親水溶劑如乙醇和NMP 等組成前體溶液。當兩親性分子與體液接觸后，兩親性分子的極性“頭”與疏水“尾”會與水分子相互作用，自組裝形成層狀、球狀或圓柱狀膠束，并最終形成層狀、雙連續立方相、六方中間相或膠束立方相的LLC 凝膠[15]。LLC 的兩親性使其對親水性、疏水性以及兩親性藥物均有較高的包載能力[16]，因此該系統備受青睞。

Phan S等[17]以親水性藥物模型葡萄糖作為研究對象，通過添加十六烷，得到反雙連續立方相（reversed bicontinuous cubic phase，V2）、反六角相（inverse hexagonal phase，H2）、膠束立方相（micellar cubic phase，I2）和反膠束相（inverse miceller phase，L2）四種基于GMO 的LLC 系統。對四種中間相的LLC 系統進行了體外釋放研究，結果表明，藥物擴散機制與液晶結構有著密切關系，葡萄糖的釋放速率順序為V2＞L2＞H2＞I2，這與結構中水通道的大小及封閉情況密切相關。該研究表明，LLC 對親水藥物同樣具有較強的緩釋作用，可通過處方設計對LLC 的結構進行選擇設計，從而控制藥物釋放速率。瑞典Camurus 公司基于溶致液晶技術平臺Fluidcrystal?開發的上市藥物Buvidal?[18]，其兩親性脂質材料為磷脂酰膽堿和GDO，該制劑將脂溶性藥物丁丙諾啡包裹在液晶凝膠基質中，使得藥物在1周或1 月的時間內緩慢釋放，可有效治療阿片類藥物依賴病人。Huang L 等[19]將光熱劑IR820 和抗PD-L1 抗體封裝于大豆磷脂酰膽堿（soybean phosphatidylcholine，SPC）和GDO 的脂質混合物中，其中SPC、GDO 和乙醇構成溶致液晶前體溶液，該系統在注射后可迅速成膠，通過調節SPC/GDO 的比例，促使凝膠在40～60℃下發生相轉變，并利用這一特性與光熱療法相結合，實現對腫瘤患者的高效、可控、個性化治療。

2.1.3 pH 敏感型長效凝膠 pH 敏感型凝膠通常采用具有可電離側基的聚合物作為基質材料，當環境中的pH 產生變化時，可電離基團電荷也隨之發生改變，從而影響聚合物的空間結構，最終導致凝膠體積發生變化實現藥物控釋[20]：①如圖2 所示，當帶有陰離子側基（如羧基）且環境中的pH 大于酸性基團pKa時，側基發生離子化，聚合物鏈攜帶大量負電荷，凝膠網絡之間的聚合物鏈相互排斥，凝膠發生膨脹，常用于腸道內藥物遞送[21]；②當帶有陽離子側基（如氨基）且環境中的pH 小于堿性基團pKb時，其側基發生離子化，導致聚合物鏈上的正電荷增加，鏈與鏈之間的斥力增加，導致膨脹，可用于胃內給藥[21]。

圖2 pH 響應水凝膠用于胃腸道藥物遞送[21]

殼聚糖作為天然來源材料，生物相容性良好，其結構中富含氨基和羧基，具有一定的生物黏附性和抗菌特性，但較差的溶解度和機械強度限制了其更加廣泛的生物醫學應用。為此，研究人員嘗試對殼聚糖進行結構修飾，Atta S等[22]制備了一種pH 響應的殼聚糖/聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）混合水凝膠作為頭孢克肟的載體，高分子PEG 的引入增強了凝膠的溶脹性能，該凝膠在酸性和堿性條件下表現出高溶脹行為，在模擬胃液和模擬腸液中分別表現出不同速度的釋放。聚丙烯酸是一種市售pH 敏感型聚合物，含有大量羧基側鏈，Mukhopadhyay P等[7]報道了聚丙烯酰胺接枝N-琥珀酰殼聚糖的pH 響應水凝膠作為胰島素口服藥物遞送載體，胰島素在腸道環境（pH 約7.4）的緩釋時間超過6 h，釋放量超過98%，同時間在胃內環境（pH 約1.2）的釋放量僅為26%，兩者具有顯著差異，且未見明顯毒性。

2.1.4 溫度敏感型長效凝膠 溫度敏感型凝膠指當溫度發生變化時，凝膠的空間結構發生變化從而出現“溶膠-凝膠”的相轉變。常用的熱敏材料包括泊洛沙姆[23]、聚（N-異丙基丙烯酰胺）[Poly（N-isopropylacrylamide），NIPAM][24]、聚乙二醇-聚乳酸共聚物[25]等。

溫敏凝膠在溫度發生改變時，常伴隨分子間氫鍵破壞，聚合物分子內部結構塌陷，從而表現出溶膠到凝膠的轉變。Ibrahim el-SA等[23]研究了以泊洛沙姆為基礎的甲硝唑原位凝膠制劑，用于治療細菌性陰道病，該原位凝膠由不同濃度的泊洛沙姆407和泊洛沙姆188 聯合制備而得。隨著泊洛沙姆407濃度的增加，凝膠化溫度降低，黏度和黏附力增加，實驗結果表明該凝膠可通過調節不同類型泊洛沙姆的比例來實現對釋放速率的調控。

Kong X等[26]制備了由殼聚糖、羧甲基殼聚糖和甘油磷酸酯組成的溫敏眼用凝膠，并與包載左氧氟沙星的殼聚糖微球組成復合長效凝膠。該體系在常溫下利用甘油磷酸酯在殼聚糖周圍通過氫鍵形成水合保護層，保證溶液的流動性；當環境溫度升高，水合保護層被破壞，殼聚糖鏈可以通過更強的疏水鍵相互作用，導致凝膠化。研究結果表明該復合溫敏凝膠不僅在角膜迅速形成凝膠，還能避免在給藥初期發生藥物突釋。

2.2 原位交聯凝膠

2.2.1 化學交聯凝膠 化學交聯凝膠是原位交聯凝膠的重要組成部分，由一種或多種高分子聚合物主鏈或側鏈所攜帶的化學活性基團在一定條件下形成共價鍵，從而在原位形成凝膠，實現長效給藥，具有結構穩定、制備工藝簡單、物理化學性質易于調控等優點[27]。常規機制包括縮合反應（例如羥基/胺和羧酸之間的碳二亞胺化學反應）、自由基聚合、醛互補、高能輻照等[28]。

Liang Y等[29]利用二氫咖啡酸和L-精氨酸修飾的殼聚糖、苯硼酸和苯甲醛雙官能化PEG，基于希夫堿和苯硼酸酯的雙動態鍵構建了用于原位可控釋放二甲雙胍的長效凝膠系統。實驗結果表明，該凝膠系統具有pH/葡萄糖雙重刺激響應性能以及較強的黏附力和自愈能力對Ⅱ型糖尿病足顯示出較好的治療效果。Hong Y等[30]利用醛基化PEG 與殼聚糖的氨基之間的希夫堿鍵，構建了動態長效水凝膠。體外試驗表現出兩級抗菌行為，可用于長效抗菌應用。

2.2.2 離子交聯凝膠 離子交聯水凝膠一般由高分子有機聚合物和鹽類電解質混合而成，常見的為金屬-配體配位化學的凝膠，該類凝膠常將金屬離子或無機納米粒子作為金屬離子源形成配位鍵[31]。

Thakur N等[32]將Fe3+∶5-鳥苷酸二鈉∶Ca2+以摩爾比1∶1∶0.5 進行混合，利用Fe3+與磷酸基團和Ca2+與糖二醇結構的絡合作用，構建了由Fe3+、Ca2+雙離子交聯的水凝膠系統，用作阿霉素（Dox）的受控遞送系統，該凝膠系統具有自愈合特性，且在不同pH 下均實現超過20 天的零級緩釋。Chen Y等[33]將MgO納米顆粒與磷酸肌酸官能化的殼聚糖相結合，構建了CSMP-MgO 凝膠系統，用于骨再生，實現Mg2+在原位的緩釋（圖3）。其中，納米粒子不僅作為藥物儲庫，而且增強了凝膠的機械性能和抗溶脹特性。

圖3 CSMP-MgO 凝膠系統的構建[33]

2.2.3 酶促交聯凝膠 酶促交聯凝膠是指通過酶促反應觸發的凝膠，其觸發過程往往發生在體內，且反應溫和，常見的酶有轉谷氨酰胺酶、酪氨酸酶[34]和辣根過氧化物酶（horseradish peroxidase，HRP）[35]等。

Li Z等[35]將血管內皮生長因子與肝素結合到明膠衍生物中作為前體溶液，如圖4 所示，在過氧化氫和HRP 共同作用下，注射后原位形成凝膠。體外釋放研究和生物活性測定表明，血管內皮生長因子持續釋放超過3 周，該系統作為可注射支架具有巨大的潛力。

圖4 明膠/酪胺/肝素酶促交聯水凝膠的構建[35]

2.2.4 光聚合凝膠 光聚合水凝膠是指光引發劑在可見光或紫外光的相互作用下產生自由基，引發聚合反應生產交聯，形成凝膠。光引發機制分為三大類，包括裂解型自由基光聚合反應、奪氫型自由基光聚合反應以及陽離子光聚合反應[36]。

Tang G等[37]通過在明膠中引入甲基丙烯基團賦予其在紫外光照條件下快速成膠能力，并將其引入阿侖膦酸鹽修飾的氧化海藻酸鹽網絡中，構建了基于希夫堿反應和光交聯反應的雙網絡水凝膠，以促進原位骨再生。該凝膠在體外藥物釋放持續2 周以上，并在體外促進了成骨細胞的分化，可用于組織工程和再生醫學。

3 長效凝膠局限性及應對策略

3.1 藥物突釋

長效凝膠制劑的藥物釋放通常有以下三個階段：初始階段儲庫形成過程中藥物的突釋，通過聚合物基質擴散，以及由于植入物降解引起的釋放[10]。其中，植入和成膠之間存在時滯往往是引起藥物突釋的重要原因，研究人員嘗試從復合材料和復合系統的角度縮短成膠時間，從而減少突釋。

Wang P等[38]將PLGA 微球與PLGA-PEG-PLGA 和PCLA-PEG-PCLA 共混的熱敏凝膠系統結合，開發出二級（Ms-in-Matrix-gel）和三級凝膠系統（Depot-gel-in-Ms-in-Matrix-gel）用于艾塞那肽的多屏障藥物遞送系統（圖5），該系統具有恒定的藥物釋放速率（無突釋和平臺期）。兩者的艾塞那肽釋放曲線相似，三級凝膠系統中藥物以零級速率釋放并持續到第46 天，累計釋放量高達86.3%，可用于糖尿病的治療，提高患者用藥順應性。

圖5 基于PLGA 微球與PLGA-PEG-PLGA和PCLA-PEG-PCLA 共混設計的多級凝膠系統[38]

此外，對于溶劑交換型長效凝膠，溶劑去除速率對藥物突釋也有一定影響。因此，尋找新型的具有生物安全性和適當溶劑去除速率的溶劑成為開發產品的另一條重要途徑。PEG500-二甲醚相比于市面常用的NMP，對親水性藥物具有更好的恒定控釋效果，初始突釋量降低至6.1%，且溶血性低，發展潛力巨大[39]。

3.2 缺少合適的體外釋放研究模型，體內外相關性較差

目前，國內外關于長效凝膠的研究屢見不鮮，但其體外釋放模型還有待進一步開發，研制出可控和可重復的形狀、尺寸和表面與體積比的釋放裝置，對進一步改進和開發長效凝膠制劑處方具有重大意義。目前，學術界對長效凝膠體外釋放的研究主要分為樣品分離法、流通池法和透析法等幾種方法[40]，美國FDA 推薦采用流通池法和槳法，但仍亟待開發出符合藥典標準的、具有良好重現性和區分度的理想釋放模型，以滿足長效凝膠制劑的體外研究需要[41]。

開發出用于長效凝膠制劑的體內體外相關性（In vivo-in vitro correlation，IVIVC）的主要挑戰是體外釋放條件缺乏體內組織諸多特性，以及長效凝膠對生理環境變化的敏感性。因此近年來有研究將大孔丙烯酰胺等具有模擬組織的含水量、網絡結構和機械力功能的新型介質用于開發長效凝膠制劑的體外釋放方法[42]。此外，結合超聲成像、紫外成像[43]等可視化技術手段實時監測給藥和藥物釋放的過程，為長效制劑處方開發提供指導。

3.3 生物相容性

對于長效凝膠制劑而言，由于在體時間長，聚合物材料的生物相容性十分重要，其要求是聚合物在植入部位降解并最終完全從體內消除[44]。影響材料生物相容性的內在因素包括多種參數，例如形狀、尺寸、表面化學、孔隙率、成分、無菌性、接觸時間和降解性。生物相容性評估是一個復雜的過程，包括體內和體外測試，旨在評估細胞毒性、過敏反應、刺激性、炎癥以及全身和慢性毒性。目前，聚乳酸等凝膠基質材料的生物相容性考察廣泛開展，但大部分新型材料仍缺乏細致的評估，這對后續長效凝膠的設計、處方篩選和工業化生產將是個不小的挑戰。

4 展望

盡管在開發用于長效緩釋給藥系統的凝膠方面取得了豐碩的成果，但在實際應用之前仍有一些問題需要解決。首先，應開發出更具生物相容性的溶劑，避免使用大量有毒溶劑；其次，對凝膠的釋藥機制和體內外釋藥行為應該進行更深層次的研究；最后，如何系統性地評估這些凝膠制劑在體內的安全性，特別是聚合物降解產物的生物毒性還有待進一步研究。

除了遞送單一化學藥物，長效凝膠還可以探索更多潛在的應用，例如基因遞送[45]、溶瘤腺病毒遞送[46]和不同藥物的協同給藥[47]。此外，在3D 細胞培養[48]、組織工程和再生醫學[49]方面也很有研究前景。希望通過研究人員的持續努力，患者能夠在不久的將來從長效凝膠制劑中受益。