高曉蕊，顧煒，齊曉林，李玉鑫

(河北工程大學(xué)理學(xué)院，河北邯鄲 056038)

維生素C插層的鈣鋁水滑石的合成及其緩釋性能*

高曉蕊，顧煒，齊曉林，李玉鑫

(河北工程大學(xué)理學(xué)院，河北邯鄲 056038)

以鈣鋁水滑石［Ca2Al(LDH)］為主體，維生素C［VC(C6H8O6)］為客體，采用共沉淀法將VC插層到LDH層間合成了新型VC-無(wú)機(jī)復(fù)合材料{Ca2Al(OH)6［(C6H7O6)0.82(NO3)0.18］·1.7H2O(簡(jiǎn)稱Ca2Al-VC)}，其結(jié)構(gòu)和緩釋性能經(jīng)UV-Vis，F(xiàn)T-IR，元素分析，XRD，ICP和TG-DTG表征。研究結(jié)果表明，Ca2Al-VC晶型完整，晶相單一，層間距14.6 ?。VC陰離子雙層交替垂直于上下層板，插入量為82%;插入到LDH層間的VC熱穩(wěn)定性得到了明顯提高，大部分VC的分解發(fā)生在442℃附近;VC在高濃度(0.1 mol·L-1)的Na2SO4溶液中釋放速度及釋放量高于低濃度(0.01 mol·L-1)的Na2SO4溶液;在去離子水中的釋放主要靠離子的擴(kuò)散。

水滑石;維生素C;合成;熱穩(wěn)定性;緩釋性能

維生素C［VC(C6H8O6)］的儲(chǔ)存、釋放數(shù)量、時(shí)間和空間可控是醫(yī)藥新劑型研究的一個(gè)重要方向［1-3］。

水滑石(Ca2Al，簡(jiǎn)稱LDH)由兩種金屬的氫氧化物構(gòu)成，LDHs具有特殊的層狀結(jié)構(gòu)，其層間離子具有可交換性，因而可用于包括有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合材料制備、離子交換與有害陰離子脫除、異構(gòu)體化學(xué)分離、化學(xué)反應(yīng)控制、局部化學(xué)反應(yīng)合成、催化劑及催化劑載體、發(fā)光材料等方面［4-6］。在活性分子儲(chǔ)存與釋放方面，利用LDH穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，將藥物分子如布洛芬［7］、茚甲新［8］、雙氯芬酸鈉［9］、姜黃素［10］等引入LDH層間，用于增強(qiáng)藥物分子的熱穩(wěn)定性，控制藥物分子的釋放速率等［11］。

目前將VC插入LDH層間已有報(bào)道，如Kameshima［12］分別用共沉淀、離子交換和結(jié)構(gòu)重建法合成了Mg3Al-VC LDHs。結(jié)果顯示，所有樣品中VC的插入量均小于30%，在HCl溶液中脫嵌VC后，測(cè)得VC釋放率為40%;Gasser［13］等采用離子交換法制備了ZnFe-VC和MgFe-VC LDHs，并使用CO2-3將VC脫嵌出來(lái)，測(cè)得兩者的VC釋放率為40%左右;Choy［14］等分別用離子交換和共沉淀方法制備了ZnAl-VC LDHs，發(fā)現(xiàn)23.1%的VC進(jìn)入到LDH中，使用CO2-3脫嵌VC后，測(cè)得VC的釋放率約50%。

從以上研究可以發(fā)現(xiàn)，由于VC的不穩(wěn)定性，一方面插入到LDHs中的量不是太多，另一方面，VC的釋放率也不是很高，所以關(guān)于VC插層LDHs的控制釋放還有待進(jìn)一步研究。

本文以LDH為主體，VC為客體，采用共沉淀法將VC插層到LDH層間合成了新型的VC-無(wú)機(jī)復(fù)合材料{Ca2Al(OH)6［(C6H7O6)0.82(NO3)0.18］· 1.7H2O(簡(jiǎn)稱Ca2Al-VC)}，其結(jié)構(gòu)和緩釋性能經(jīng)UV-Vis，F(xiàn)T-IR，元素分析，XRD，ICP和TG-DTG表征。并研究了其結(jié)構(gòu)組成、熱穩(wěn)定性以及VC在不同介質(zhì)中的緩釋性能，以擴(kuò)展LDH作為生物材料的無(wú)機(jī)載體的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Lambda 750S型紫外分光光度計(jì)(測(cè)定波長(zhǎng)266 nm);FTS 6000型時(shí)間分辯傅里葉變換紅外光譜儀(KBr壓片);(ICP)J-A1100型電感耦合等離子直讀光譜儀;Carlo Erba EA1108型元素分析儀;Panalytical X'Pert Pro型X-射線衍射儀［CuKα輻射(α1=1.540 57 ?，α2=1.544 33 ?，實(shí)際α= 1.541 78 ?)，電壓40 kV，電流40 mA，掃描范圍3℃～75℃，掃描速度0.02°·s-1，譜圖經(jīng)Xfit和Chekcell軟件進(jìn)行擬合，確定各衍射峰對(duì)應(yīng)的晶面］;Rhoemetric Scientific STA-1500H型熱重分析儀(將適量VC和Ca2Al-VC分別放入氧化鋁坩堝中，在氬氣氣氛中以10℃·min-1由室溫升至700℃)。

所用試劑均為分析純，Sigma-Aldrich公司。

1.2 合成

(1)Ca2Al-VC的合成

采用共沉淀法:將Ca(NO3)2·4H2O 2.72 g，Al(NO3)3·9H2O 1.88 g和VCNa(C6H7O6Na) 2.97 g溶于100 mL去離子水中，配成混合鹽溶液C;將NaOH 1.06 g溶于150 mL去離子水中，配成堿溶液D。攪拌下將D緩慢滴入溶液C中，滴畢，于室溫反應(yīng)120 h。過(guò)濾，濾餅依次用去離子水和丙酮洗滌數(shù)次，干燥得Ca2Al-VC。

1.3 VC釋放率測(cè)定

取Ca2Al-VC 50 mg，分別加入去離子水100 mL，0.1 mol·L-1和0.01 mol·L-1Na2SO4溶液中，于室溫反應(yīng)不同時(shí)間。將懸濁液過(guò)濾，于266 nm測(cè)定濾液的紫外吸收強(qiáng)度y。根據(jù)自制的標(biāo)準(zhǔn)曲線所擬合得到的方程y=4.150 8Ln(x)+ 325.67，計(jì)算出濾液中VC的量(x)。

2 結(jié)果與討論

2.1 表征

(1)XRD

圖1為Ca2Al-VC的XRD譜圖。由圖1可見(jiàn)LDH的特征衍射峰。

Ca2Al-VC的XRD譜圖同樣具有層狀結(jié)構(gòu)的一系列特征衍射峰，說(shuō)明VC的插層并未破壞LDH的結(jié)構(gòu)，但各級(jí)衍射峰均出現(xiàn)了寬化現(xiàn)象，且(110)和(113)晶面衍射峰不是很明顯，說(shuō)明Ca2Al-VC晶體結(jié)構(gòu)的有序性有所降低［15］。同時(shí)Ca2Al-VC的(002)和(004)晶面的衍射峰向低角度發(fā)生了偏移，計(jì)算得d002為14.6 ?，由層間距的增大可初步推斷VC已插入到了層間。另外，根據(jù)ICP和CHN元素分析數(shù)據(jù)(C 15.0%，H 3.83%，N 0.64%，Ca 20.5%，Al 6.83%)計(jì)算得Ca2Al-VC的化學(xué)式為Ca2Al(OH)6［(C6H7O6)0.82(NO3)0.18］·1.7H2O(C 15.0%，H 3.84%，N 0.64%，Ca 20.3%，Al 6.85%)，VC的插入量為82%，同時(shí)層間還含有少量NO-3。

由XRD譜圖可知Ca2Al-VC的層間距為14.6?。由于層間距包括層間通道高度和一個(gè)層板的厚度，如去掉層板厚度4.8 ?［16］，可得Ca2Al-VC的層間高度為9.8 ?，根據(jù)VC分子的大小4.9?［17］可判斷Ca2Al-VC中，VC陰離子應(yīng)以垂直于上下層板的方式雙層交替排列于層間，其中一部分VC陰離子在層間通過(guò)內(nèi)酯五元環(huán)上的C=C-O-與上層板由于靜電引力相互作用而靠近，而另一部分VC陰離子通過(guò)內(nèi)酯五元環(huán)上的C=C-O-與下層板同樣由于靜電引力相互作用靠近。另外，層間部分間隙位置被水分子和極少量的NO-3占據(jù)。

圖1 Ca2Al-VC的XRD譜圖Figure 1XRD pattern of Ca2Al-VC

(2)IR

圖2為VC的鈉鹽(NaVC)和Ca2Al-VC的IR譜圖。由圖2可見(jiàn)，NaVC在2 930 cm-1～3 100 cm-1處的吸收峰為VC分子C-H(CH2)的非對(duì)稱和對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰;1 740 cm-1～1 700 cm-1，1 600 cm-1～1475 cm-1，1 200 cm-1～1 000 cm-1及1 301 cm-1附近的吸收峰分別對(duì)應(yīng)VC分子中C=O，共軛C=C，C-O的伸縮振動(dòng)峰以及C-H的彎曲振動(dòng)峰［14］。

通過(guò)與NaVC的IR譜圖比較，可以得出Ca2Al-VC各個(gè)吸收峰的歸屬。3 290 cm-1附近出現(xiàn)一寬的吸收峰歸屬LDH中OH［18］，分別來(lái)自于LDH層板、物理吸附水或結(jié)晶水的OH振動(dòng)譜帶，與自由狀態(tài)的OH(約3 600 cm-1)相比，由于層間H2O分子和層間陰離子(VC)及層板羥基形成氫鍵，因而此峰向低波數(shù)移動(dòng);NaVC的1 578 cm-1和1 360 cm-1處的兩個(gè)吸收峰分別對(duì)應(yīng)分子中C=O和C-O的伸縮振動(dòng)［14］，此兩峰在Ca2Al-VC的IR譜圖中均向高波數(shù)方向發(fā)生了移動(dòng)，位移至1 582 cm-1和1 389 cm-1?？赡苁怯捎赩C的插入導(dǎo)致了作用于分子內(nèi)的H鍵減弱。1 185 cm-1～1 000 cm-1的一些小的尖銳的吸收峰也來(lái)自于Ca2Al-VC的C-O伸縮振動(dòng)。以上數(shù)據(jù)均說(shuō)明VC已經(jīng)進(jìn)入到了LDH當(dāng)中。

圖2 NaVC和Ca2Al-VC的IR譜圖Figure 2IR spectra of NaVC and Ca2Al-VC

圖3 Ca2Al-VC和VC的TG-DTG曲線Figure 3TG-DTG curves of Ca2Al-VC and VC

(3)TG-DTG

圖3為Ca2Al-VC和VC的TG-DTG曲線。由圖3可以看出，Ca2Al-VC的失重分為三步:第一階段(200℃以下)是表面吸附水和層間水的脫除，最強(qiáng)失水峰出現(xiàn)在120℃附近，失重7.6%(理論值7.8%)，物質(zhì)的化學(xué)式變?yōu)镃a2Al(OH)6［(C6H7O6)0.82(NO3)0.18］;第二階段(200℃～346℃)主要是層板羥基水的脫除，最強(qiáng)失水峰在260℃附近，失重17.3%(理論值13.7%)，物質(zhì)的化學(xué)式變?yōu)镃a2AlO3［(C6H7O6)0.82(NO3)0.18］;第三階段(346℃～600℃)出現(xiàn)了一個(gè)較大的失重臺(tái)，為層間有機(jī)陰離子(VC和NO-3)的分解過(guò)程，最強(qiáng)分解溫度在442℃處，失重20.7%(理論值24.3%)，主要為VC陰離子的分解反應(yīng)，同時(shí)發(fā)生LDHs向復(fù)合金屬氧化物L(fēng)DO轉(zhuǎn)變的相變［19］，最終物質(zhì)的化學(xué)式為Ca2AlO3.5和C4.92。

對(duì)照第二和第三階段的失重值，推測(cè)VC的分解可能在脫除層板羥基水時(shí)就已開(kāi)始［13］，但實(shí)驗(yàn)值17.3%與理論值13.7%相差不大，說(shuō)明發(fā)生分解的VC只是一小部分，而大部分的分解還是發(fā)生在442℃附近。為證明這一推測(cè)，在同樣條件下對(duì)VC進(jìn)行TG-DTG分析。從VC的DTG曲線可以看出，VC在232℃左右會(huì)發(fā)生分解。這一結(jié)果證實(shí)了我們的猜測(cè)是正確的。盡管Ca2Al-VC在第二失重階段發(fā)生了少量VC的分解，但從整體上說(shuō)，VC插入LDH層間后，分解溫度提高了大約210℃，大大增強(qiáng)了VC的熱穩(wěn)定性，說(shuō)明LDH確實(shí)是一種很好的儲(chǔ)存VC的基質(zhì)。

2.2 VC的控制釋放

為了確定Ca2Al-VC中VC的紫外吸收峰位置，對(duì)Ca2Al-VC和NaVC進(jìn)行了UV-Vis測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)圖4。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，Ca2Al-VC的λmax與NaVC相一致，均位于266 nm附近。因此，在后續(xù)VC釋放實(shí)驗(yàn)中，均以266 nm下的紫外吸收峰為準(zhǔn)計(jì)算VC的釋放量。

為了考察Ca2Al-VC中VC釋放性能，分別將其放入去離子水，0.1 mol·L-1和0.01 mol·L-1Na2SO4溶液中進(jìn)行VC緩釋實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可以看出，在不同介質(zhì)中，VC的釋放曲線顯示了大致相同的釋放規(guī)律。釋放可分為以下3個(gè)階段:第一階段為初期的突釋效應(yīng)階段;第二階段為VC的相對(duì)平穩(wěn)的釋放階段，釋放速度較慢;第三階段為VC釋放的平臺(tái)期，在此階段VC已基本釋放完畢。

比較Ca2Al-VC中VC在不同介質(zhì)中的釋放率，可以發(fā)現(xiàn)在濃度較大(0.1 mol·L-1)的Na2SO4溶液中，VC在60 min時(shí)，其釋放率可基本達(dá)到最大值(66.0%);在0.01 mol·L-1Na2SO4溶液中，VC釋放速度有所減慢;到120 min時(shí)，VC釋放率基本達(dá)到最大值(62%);而在水溶液中，VC釋放速度大大降低，240 min后，VC釋放率基本維持在38%左右。從VC的釋放結(jié)果來(lái)看，溶液中陰離子SO2-4的濃度越大，VC的釋放速度越快，因此，可以推斷VC的釋放可能主要依靠陰離子SO2-4對(duì)VC離子的交換。

因此，對(duì)于VC在Na2SO4溶液中的釋放可以描述為以下過(guò)程:在釋放的前30 min，VC在層間和外界的濃度差很大，同時(shí)溶液中大量存在可與之交換的SO2-4，使得部分VC被快速釋放，尤其是在高濃度的0.1 mol·L-1Na2SO4溶液中，VC的突釋現(xiàn)象更明顯。在30 min～60 min，由于SO2-4的插入逐漸破壞層板與VC之間的結(jié)合，使得分子間力作用逐漸減弱，VC較易于從層間脫離，但此時(shí)的濃度差仍然存在，VC繼續(xù)被釋放，隨著溶液中可用來(lái)交換的SO2-4濃度逐漸減少，使得VC的釋放速度也逐漸減小，直至達(dá)到平衡。120 min以后，VC基本不再釋放。

綜上所述，VC的釋放主要表現(xiàn)為離子交換反應(yīng)，同時(shí)受濃度差和分子間作用力(包括氫鍵力、靜電力、分子間力等)的影響。Ca2Al-VC中VC在不同介質(zhì)中的釋放機(jī)理將另文報(bào)道。

圖4 Ca2Al-VC和NaVC的UV-Vis譜圖Figure 4UV-Vis spectra of Ca2Al-VC and NaVC

圖5 Ca2Al-VC在不同介質(zhì)中的釋放率和時(shí)間關(guān)系曲線Figure 5Release curves of Ca2Al-VC in deionized water and Na2SO4solutions

3 結(jié)論

以鈣鋁水滑石［Ca2Al(LDH)］為主體，維生素C(VC)為客體，采用共沉淀法將VC插層到LDH層間合成了新型的VC-無(wú)機(jī)復(fù)合材料(簡(jiǎn)稱Ca2Al-VC)。研究結(jié)果表明，Ca2Al-VC晶型完整，晶相單一，層間距為14.6 ?;VC陰離子雙層交替垂直于上下層板，插入量為82%。TG-DTG分析表明，插入到LDH層間的VC熱穩(wěn)定性得到了明顯提高，大部分VC的分解發(fā)生在442℃附近。VC的釋放實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，VC在高濃度(0.1 mol·L-1)Na2SO4溶液中，釋放速度及釋放量高于低濃度(0.01 mol·L-1)Na2SO4溶液，而在去離子水中的釋放主要靠離子的擴(kuò)散。

［1］Aisawa S，Higashiyama N，Takahashi S，et al．Intercalation behavior of L-ascorbic acid into layered double hydroxides［J］.Applied Clay Science，2007，35(3-4):146-154.

［2］Bangash K，Shigri F，Jamal A，et al．Spectrum of renal stones composition;Chemical analysis of renal stones［J］.International Journal of Pathology，2011，9 (2):63-66.

［3］Khan A I，Ragavan A，F(xiàn)ong B，et al．Recent developments in the use of layered double hydroxides as host materials for the storage and triggered release of functional anions［J］.Industrial＆Engineering Chemistry Research，2009，48(23):10196-10205.

［4］雷立旭，張衛(wèi)峰，胡猛，等.層狀復(fù)合金屬氫氧化物結(jié)構(gòu)性質(zhì)及其應(yīng)用［J］.無(wú)機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào)，2005，21 (4):451-463.

［5］陳慧琴，詹正坤.CuAl水滑石的合成及其催化活性［J］.合成化學(xué)，2007，15(2):233-235.

［6］徐芳，王軍濤，費(fèi)錫明.水滑石的合成及修飾電極的電化學(xué)行為［J］.合成化學(xué)，2006，14(2):175-177.

［7］Rojasa R，Palenab M C，Jimenez-Kairuzb A F，et al．Modeling drug release from a layereddoublehydroxideibuprofen complex［J］.Applied Clay Science，2012，62-63:15-20.

［8］Del Arco M，Cebadera E，Gutierrez S，et al．Mg，Al layered double hydroxides with intercalated indomethacin:Synthesis，characterization，and pharmacological study［J］.Journal of Pharmaceutical Sciences，2004，93 (6):1649-1658.

［9］單常青，竇苓，蔡興旺，等.雙氯芬酸鈉插層鎂鋁水滑石的制備及其性能研究［J］.現(xiàn)代藥物與臨床，2012，27(3):218-222.

［10］曹根庭，邢方方，王平，等.藥物-無(wú)機(jī)復(fù)合材料姜黃素嵌入鎂鋁水滑石的合成、表征及緩釋性能的研究［J］.無(wú)機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào)，2008，24(6):956-963. ［11］Trikeriotis M，Ghanotakis D F.Intercalation of hydrophilic andhydrophobicantibioticsinlayered double hydroxides［J］.International Journal of Pharmaceutics，2007，332(1-2):176-184.

［12］Kameshima Y，Sasaki H，Isobe T，et al．Synthesis of composites of sodium oleate/Mg-Al-ascorbic acidlayered double hydroxides for drug delivery applications［J］.International Journal of Pharmaceutics，2009，381(1):34-39.

［13］Gasser M S.Inorganic layered double hydroxides as ascorbic acid(vitamin C)delivery system-intercalation and their controlled release properties［J］. Colloids Surface B，2009，73(1):103-109.

［14］Choy J H，Son Y H.Intercalation of vitamer into LDH and their controlled release properties［J］.Bulletin of the Korean Chemical Society，2004，25(1): 122-126.

［15］Gao X R，Lei L X，Lv C G，et al．Preparation and photoluminescence property of a loose powder，Ca3Al2-O6:Eu3+by calcination of a layered double hydroxide precursor［J］.Journal of Solid State Chemistry，2008，181(8):1776-1781.

［16］Markland C，Williams G R，O'hare D.The intercalation of flavouring compounds into layered double hydroxides［J］.Journal of Materials Chemistry，2011，21 (44):17896-17903.

［17］Aisawa S，Higashiyama N，Takahashi S，et al．Intercalation behavior of L-ascorbic acid into layered double hydroxides［J］.Applied Clay Science，2007，35(3-4):146-154.

［18］Li X L，Jiang P P，Lu Y，et al．Synthesis of hydrotalcite-like compounds intercalated by 12-phosphorus tungsten heteropoly acid and catalytic performance on the epoxidation of fatty acid methyl esters［J］.Acta Chimica Sinica，2012，70(5):544-550.

［19］Yang J H，Han Y S，Park M，et al．New inorganicbased drug delivery system of indole-3-acetic acidlayered metal hydroxide nanohybrids with controlled release rate［J］.Chemistry of Materials，2007，19 (10):2679-2685.

Synthesis and Sustained-release of Vitamin C Intercalated Ca/Al Layered Double Hydroxide

GAO Xiao-Rui，GU Wei，QI Xiao-Lin，LI Yu-Xin

(College of Science，Hebei University of Engineering，Handan 056038，China)

layered double hydroxide;vitamin C;synthesis;thermal stability;release property

O611.6

A

1005-1511(2014)03-0303-05

2013-03-13;

2014-04-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51202054，21206026，81271665);河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(B2012402006，B2012402011);邯鄲市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(1221120095-4)

高曉蕊(1979-)，女，漢族，河北唐山人，博士研究生，講師，主要從事無(wú)機(jī)功能材料的合成研究。Tel.0310-8578760，E-mail:gxr_1320@sina.com