龐秀江, 劉 源, 陳 利, 全貞蘭

(1. 青島科技大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院, 生態(tài)化工國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,2. 高分子科學(xué)與工程學(xué)院, 橡塑材料與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/山東省橡塑材料與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 青島 266042)

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羥基喜樹堿-類水滑石納米雜化的共組裝制備及表征

龐秀江1, 劉 源1, 陳 利2, 全貞蘭1

(1. 青島科技大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院, 生態(tài)化工國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,2. 高分子科學(xué)與工程學(xué)院, 橡塑材料與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/山東省橡塑材料與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 青島 266042)

采用共組裝法在水溶液中制備羥基喜樹堿(HCPT)-層狀雙金屬氫氧化物(LDH)納米雜化物. 先利用微通道反應(yīng)器通過共沉淀法制備了Zn2Al-NO3LDH納米片, 然后與羧酸鹽型HCPT在水介質(zhì)中共組裝, 制備了HCPT插層LDH的納米雜化物. 利用酸處理, 可將層間HCPT由非生物活性的羧酸鹽型轉(zhuǎn)化為生物活性的內(nèi)酯型, 這對(duì)高生物活性HCPT-LDH納米雜化物的綠色制備具有重要意義. 共組裝法制備HCPT-LDH納米雜化物, 耗時(shí)短、 載藥量高、 分散性好, 且利用原料配比可方便地調(diào)控載藥量. HCPT分子在LDH層間以其長軸傾斜于層板呈雙層排列. 所制備的HCPT-LDH納米雜化物具有良好的藥物緩釋性能, 顆粒內(nèi)部擴(kuò)散是藥物釋放過程的控速步驟. 藥物釋放過程可用準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型描述. 可以用于構(gòu)筑LDH基藥物輸送-控釋體系.

羥基喜樹堿; 層狀雙金屬氫氧化物; 共組裝; 納米雜化物

層狀雙氫氧化物(LDH), 又稱類水滑石(HTlc), 是層板帶結(jié)構(gòu)正電荷, 層間存在可交換的陰離子, 其應(yīng)用備受關(guān)注[1～8]. 由于其良好的生物相容性、 可插層性和控釋性能, 在藥物輸送和控釋領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景. 常見的藥物-LDH納米雜化物制備方法有共沉淀法[3]、 離子交換法[4]和結(jié)構(gòu)重建法[5], 但這些方法適用于陰離子型藥物納米雜化物的制備, 對(duì)非離子型水難溶性藥物難以實(shí)現(xiàn)有效插層負(fù)載, 因其缺乏插層驅(qū)動(dòng)力. 為解決非離子型水難溶性藥物的有效插層問題, 人們研究采用二次插層法[6,7]和藥物修飾插層法[8], 但其載藥量較低. Tyner等[8]報(bào)道的表面活性劑(膽酸鈉)修飾喜樹堿, 離子交換插層載藥量僅為5%左右. 剝離-共組裝法制備藥物-LDH納米雜化物是一種先將LDH在甲酰胺中剝離成二維(2D)納米片, 然后將藥物與LDH納米片共組裝形成藥物-LDH納米雜化物的方法[9,10]. 與傳統(tǒng)方法相比, 此方法耗時(shí)短, 載藥量高[9]; 特別是對(duì)非離子型水難溶性藥物, 先進(jìn)行修飾, 再進(jìn)行共組裝, 可實(shí)現(xiàn)藥物有效插層[10]. 但該方法的缺點(diǎn)是采用甲酰胺作剝離介質(zhì), 對(duì)其實(shí)際應(yīng)用存在潛在影響. Pang等[11]利用微反應(yīng)器在水溶液中制備了表面潔凈的二維LDH納米片, 能夠作為基本單元構(gòu)筑LDH基功能材料, 可有效解決甲酰胺法剝離制備的納米片在實(shí)際應(yīng)用中的毒性問題.

羥基喜樹堿(HCPT)是一種臨床應(yīng)用的抗癌藥物, 也是藥物劑型研究的常用非離子型水難溶性模型藥物. 利用HCPT具有活性的內(nèi)酯型結(jié)構(gòu)與非活性的羧酸鹽型結(jié)構(gòu)的pH可逆轉(zhuǎn)換性的特點(diǎn), 可在堿性條件下以羧酸鹽形式與LDH納米片共組裝制備納米雜化物, 再在酸性條件下使其轉(zhuǎn)化成內(nèi)酯型結(jié)構(gòu), 以保證藥物的臨床治療效果. 本文利用微反應(yīng)器制備的Zn2Al-NO3LDH納米片與羧酸鹽結(jié)構(gòu)的HCPT通過共組裝將HCPT插入LDH層間, 然后利用稀醋酸對(duì)其進(jìn)行處理, 將層間的羧酸鹽結(jié)構(gòu)的HCPT轉(zhuǎn)化成高生物活性的內(nèi)酯結(jié)構(gòu)的HCPT. 探索出一條制備HCPT-LDH納米雜化物的水介質(zhì)共組裝路線, 可從根本上解決有機(jī)溶劑的潛在威脅以及HCPT-LDH雜化物載藥量低的問題.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

羥基喜樹堿購于湖北浩博生物科技有限公司, 純度99%; 其它試劑均為分析純. 實(shí)驗(yàn)用水由AFZ-1000-U型艾克浦超純水機(jī)(重慶頤洋企業(yè)發(fā)展有限公司)制備; T型微反應(yīng)器由中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所提供. 日本理學(xué)D/max-rA型X射線衍射(XRD)儀分析樣品的晶體結(jié)構(gòu)(Cu靶, Kα射線, 電流40 mA, 電壓40 kV, 掃描范圍2θ為1.5°～30°, 掃描速度10°/min, 掃描步長0.02°, 石墨單色器); UV-1901 紫外-可見分光光度計(jì)(測(cè)定波長382 nm); 德國Bruker公司Vertex 70型傅里葉變換紅外光譜(FTIR)儀分析樣品的紅外光譜(KBr壓片, 樣品與KBr的質(zhì)量比為1∶100, 波長范圍4000～400 cm-1, 分辨率1 cm-1); 日本JEOL公司JEM-2100型透射電子顯微鏡.

1.2 樣品的制備與表征

1.2.1 Zn2Al-NO3LDH納米片及HCPT-LDH納米雜化物的制備 利用微通道反應(yīng)器通過共沉淀法在水溶液中制備Zn2Al-NO3LDH納米片[11]. 稱取3.65 g HCPT于燒杯中, 逐滴加入0.1 mol/L的氫氧化鈉水溶液, 得到濃度為0.01 mol/L的HCPT堿溶液. 取一定體積的HCPT堿溶液攪拌下滴入濃度為1.0 g/L的Zn2Al-NO3LDH 納米片水分散液中, 控制體系中HCPT與LDH納米片的質(zhì)量比(RH/L)在0.2～2.0范圍內(nèi)變化, 以考察RH/L對(duì)載藥量的影響. 攪拌1 h后, 利用醋酸硝酸纖維抽濾膜(孔徑220 nm)真空抽濾, 將沉積物從濾膜上取下, 干燥后即得羧酸鹽型HCPT插層LDH納米雜化物, 記為HCPTC-LDH.

稱取2.0 g制備的HCPTC-LDH納米雜化物于100 mL的圓底燒瓶中, 加入50 mL蒸餾水中使其分散, 然后滴加5%的醋酸溶液至pH=5.5左右, 在60 ℃下冷凝回流12 h, 離心, 用乙醇洗滌1次, 于60 ℃真空干燥6 h, 得到內(nèi)酯型HCPT插層LDH納米雜化物, 記為HCPTL-LDH.

1.2.2 載藥量的測(cè)定 稱取約10 mg的HCPTL-LDH, 用3 mL 6 mol/L HCl溶解, 轉(zhuǎn)入50 mL容量瓶中, 用乙醇溶液定容. 用紫外-可見分光光譜儀在380 nm下測(cè)其吸光度, 對(duì)照HCPT標(biāo)準(zhǔn)工作曲線, 計(jì)算出樣品中HCPT的質(zhì)量, 然后與納米雜化物的質(zhì)量相比, 得出樣品的載藥量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)).

1.2.3 釋放率的測(cè)定 在pH=7.2的緩沖介質(zhì)中, 對(duì)納米雜化物進(jìn)行緩釋性能的考察. 稱取20 mg不同載藥量的HCPTL-LDH納米雜化物樣品分別加入到500 mL pH=7.2磷酸-檸檬酸緩沖溶液中, 恒溫(37±0.5) ℃, 攪拌; 每隔一段時(shí)間從體系中取出4 mL, 用0.45 μm濾膜過濾, 使用紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)定溶液在380 nm處的吸光度, 得出溶液中HCPT的含量, 進(jìn)而求得不同時(shí)刻(t)的釋放量(qt)和釋放百分率(Xt).

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD分析

Fig.1 XRD patterns of fresh Zn2Al-NO3(a), dried Zn2Al-NO3(b), HCPTC-LDH(c) and HCPTL-LDH(d)

圖1譜線a為Zn2Al-NO3納米片的XRD譜. 可見未出現(xiàn)明顯的(003)面衍射峰, 在2θ為61°處出現(xiàn)弱衍射峰, 說明所制備的樣品為LDH納米片[12,13]. 圖1譜線c和d分別為羥基喜樹堿與LDH的質(zhì)量比RH/L為0.2時(shí), 共組裝法制備的雜化物(HCPTC-LDH)及經(jīng)稀醋酸處理后樣品(HCPTL-LDH)的XRD譜圖. 可以看出, 雜化物出現(xiàn)了LDH的特征衍射峰, 表明形成了LDH的層狀結(jié)構(gòu). HCPTC-LDH和HCPTL-LDH樣品分別在2θ 為2.74°和3.23°處出現(xiàn)了(003)晶面衍射峰(用#表示), 相應(yīng)的層間距分別為3.2和2.6 nm; LDH層板厚度約為0.48 nm[14], 兩樣品的層間通道高度分別為2.72和2.12 nm. 與Zn2Al-NO3LDH(圖1譜線b)相比, 雜化物的(003)面衍射峰明顯前移, 層間通道增高, 表明HCPT插入了LDH層間. HCPTL-LDH的通道高度低于HCPTC-LDH, 表明酸處理前后HCPT分子在LDH層間的存在狀態(tài)有所變化, 這與文獻(xiàn)[15]的結(jié)果相同. 根據(jù)分子力學(xué)計(jì)算[16], HCPT分子的長、 寬、 高分別為1.41, 0.67和0.42 nm, 通道高度可推測(cè), HCPT分子在層間以其長軸傾斜于層板呈雙層排列. 酸處理后層間距變小的原因尚不清楚, 可能是同層HCPT分子間π-π相互作用增強(qiáng)所致. HCPT分子在層間的排列方式及其酸處理前后的結(jié)構(gòu)變化如Scheme 1所示. 在HCPTC-LDH和HCPTL-LDH樣品的XRD譜圖中, 2θ為11.35°處存在OH-插層的(003)面衍射峰(用◇表示), LDH片層間距為0.78 nm, 這可能是由于LDH納米片在HCPT堿溶液中組裝時(shí), 溶液中除了羧酸鹽結(jié)構(gòu)的羥基喜樹堿, 還存在大量的OH-, 導(dǎo)致組裝后不僅得到了藥物插層后的雜化物, 其中的OH-也插入了LDH的層間.

Scheme 1 Schematic structure change of HCPT in the gallery of LDH treated by acetic acid

2.2 TEM分析

圖2為HCPTC-LDH和HCPTL-LDH樣品的TEM照片. 可以看出, HCPTC-LDH為類棒狀顆粒, 直徑約為50 nm, 長為80～100 nm; 而HCPTL-LDH為片狀顆粒, 大小為100 nm左右. 棒狀顆?？赡転榧{米片卷曲而成, 酸處理后解開成為片狀顆粒, 二者尺寸相對(duì)應(yīng), 但其機(jī)理尚有待研究. 另外, 從圖2還可以看出, 所制備的HCPTC-LDH和HCPTL-LDH樣品均具有良好的分散性, 這對(duì)其臨床應(yīng)用具有重要意義.

Fig.2 TEM images of HCPTC-LDH(A) and HCPTL-LDH(B)

2.3 FTIR分析

Fig.3 FTIR spectra of Zn2Al-NO3 LDH(a), raw HCPT(b), HCPTC-LDH(c) and HCPTL-LDH(d)

2.4 雜化物的載藥量和藥物釋放性能

圖4(A)為不同RH/L時(shí)所制備HCPT-LDH雜化物的載藥量(Ain)變化曲線, 隨著RH/L的增大, 雜化物的載藥量增大, 最大載藥量可達(dá)40%. 另外, 載藥量Ain與RH/L間幾乎為線性關(guān)系, 表明可通過原料配比調(diào)控雜化物的載藥量. 酸處理后載藥量略有升高, 可能的原因是: 一方面, 經(jīng)醋酸處理后少量納米片溶解; 另一方面, 藥物從片層間釋放出來后與醋酸接觸反應(yīng)形成具有內(nèi)酯結(jié)構(gòu)的喜樹堿, 其在水中溶解度極低而易吸附在顆粒表面.

圖4(B)為在pH=7.2的緩沖液中HCPTL-LDH的藥物緩釋曲線. 可以看出, 載藥量為27.22%時(shí)釋放最緩慢, 但不同載藥量的樣品完全緩釋所需時(shí)間相近, 均在400 min左右. HCPT與LDH物理混合物的藥物完全釋放(溶解)時(shí)間低于10 min, 表明HCPTL-LDH具有良好的藥物緩釋效果.

Fig.4 Relationship between RH/L and Ain(A), release profiles of HCPTL-LDH with different loading amounts(B) (A) a. Before acidizing treatment; b. after acidizing treatment. (B) Loading amount: a. 9.10%; b. 12.51%; c. 27.22%; d. 33.41%; e. 41.28%; f. physical mixture.

Fig.5 -ln(1-Xt) vs. t0.65curves of HCPTL-LDH with different drug loadings in pH=7.2 PBS Loading amount: a. 9.10%; b. 12.51%; c. 27.22%; d. 33.41%; e. 41.28%.

藥物的擴(kuò)散釋放過程包括LDH顆粒內(nèi)部的擴(kuò)散和顆粒外部溶劑化層中的擴(kuò)散, 其中速率慢的步驟為整個(gè)釋放過程的控速步驟. Bhaskar等[17]提出了一個(gè)判斷顆粒內(nèi)部擴(kuò)散是否為控速步驟的簡(jiǎn)單方法. 對(duì)顆粒內(nèi)部擴(kuò)散控制的釋放過程, 其藥物釋放率(Xt)與時(shí)間(t)的關(guān)系為ln(1-Xt)=1.59(6/dp)1.3D0.65t0.65式中: dp為顆粒直徑; D為擴(kuò)散系數(shù); Xt為t時(shí)刻的釋放百分率. 如果顆粒內(nèi)部擴(kuò)散是釋放速率控制步驟, 則ln(1-Xt)與t0.65呈線性關(guān)系. 對(duì)藥物的緩釋數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬, 結(jié)果如圖5所示. 其線性相關(guān)系數(shù)(R2)均大于0.99, 表明利用自組裝法制備的雜化物中, 藥物在顆粒內(nèi)部的擴(kuò)散為藥物釋放過程的控速步驟.

在特定溫度下, 測(cè)定溶液中藥物釋放率(Xt)隨時(shí)間(t)的變化可以研究釋放動(dòng)力學(xué)過程. 分別采用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程[ln(1-Xt)=-k1t]和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程(t/Xt=1/k2qe+t)對(duì)pH=7.2時(shí)HCPTL-LDH的釋放數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合, 擬合結(jié)果分別見圖6(A)和(B). 由圖6結(jié)果可知, 對(duì)于不同載藥量的雜化物, 準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程能很好地描述HCPTL-LDH的緩釋動(dòng)力學(xué)過程, 不同載藥量的雜化物的釋放速率常數(shù)分別為0.037 min-1(9.10%), 0.068 min-1(12.51%), 0.0091 min-1(27.22%), 0.0088 min-1(33.41%)和0.021 min-1(41.28%).

Fig.6 Linear regression curves of release data fitting with pseudo-first-order(A) and pseudo-second-order(B) kinetic modelsLoading amount: 9.10%; 12.51%; 27.22%; 33.41%; 41.28%.

3 結(jié) 論

利用微通道反應(yīng)器制備了Zn2Al-NO3LDH納米片, 并與HCPT在水介質(zhì)中共組裝, 得到HCPT插層LDH的納米雜化物, 用于構(gòu)筑LDH基藥物輸送-控釋體系. 利用酸處理, 可將層間HCPT由非生物活性的羧酸鹽型轉(zhuǎn)化為生物活性的內(nèi)酯型; HCPT分子在LDH層間以其長軸傾斜于層板呈雙層排列; HCPTC-LDH雜化物為棒狀顆粒, 經(jīng)酸處理后的HCPTL-LDH雜化物為片狀顆粒且均具有良好的分散性; 結(jié)果表明, HCPT-LDH納米雜化物具有良好的藥物緩釋性能, 顆粒內(nèi)部擴(kuò)散是藥物釋放過程的控速步驟. 藥物釋放過程可用準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型描述.

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(Ed.: V, Z)

? Supported by the Natural Science Foundation of Shandong Province, China(No.ZR2014BL005) and the Doctoral Fund of Qingdao University of Science and Technology of China(No.0022610).

Fabrication of HCPT-Layered Double Hydroxide Nanohybrids via Co-assembly Method and Its Characterization?

PANG Xiujiang1*, LIU Yuan1, CHEN Li2, QUAN Zhenlan1

(1. State Key Laboratory Base of Eco-chemical Engineering, College of Chemistry and Molecular Engineering, 2. Key Laboratory of Rubber-plastics, Ministry of Education/Shandong Provincial Key Laboratory of Rubber-plastics, College of Polymer Science and Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266042, China)

Hydroxyl camptothecin-layered double hydroxides(HCPT-LDH) nanohybrids were prepared by co-assembling between HCPT and Zn2Al-NO3LDH nanosheets prepared using microchannel reactor, which indicated the obtained nanosheets could be used to fabricate LDH based drug delivery and controlled release system. After being treated with acetic acid, inactive carboxylate form HCPT transformed into bioactive lactone form HCPT. It is important for preparing high bioactive HCPT-LDH nanohybrids. The co-assembly method showed various remarkable advantages, such as simple procedure, short reation time, mild condition, high drug loading and good dispersity. Additionally, drug loading can be easily controlled by adjusting raw material ratios. HCPT molecules arrays aslant in double layers along longitudinal axis in the gallery of LDH. The nanohybrids showed well controlled release property and in vitro drug release kinetics from the nanohybrids could be fitted with the pseudo-second-order kinetic model. The diffusion of HCPT through the LDH particles played an important role in the control of the drug release.

Hydroxyl camptothecin; Layered double hydroxides; Co-assemble; Nanohybrids

10.7503/cjcu20150589

2015-07-27.

日期: 2016-01-13.

山東省自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào): ZR2014BL005)和青島科技大學(xué)博士基金(批準(zhǔn)號(hào): 0022610)資助.

O641.1

A

聯(lián)系人簡(jiǎn)介: 龐秀江, 女, 博士, 講師, 主要從事微反應(yīng)器制備類水滑石納米片及其應(yīng)用研究. E-mail: xiujiangpang@qust.edu.cn