伍甜甜，趙 睿，陳宇欣，蔡 卓，喻湘華，李 亮

武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430205

隨著現(xiàn)代科技醫(yī)療的迅速發(fā)展，人們對(duì)藥物載體材料的要求越來(lái)越高，不但要求無(wú)毒，還需要具有良好的生物相容性、降解性和可控性［1-4］。海藻酸鈉屬于天然多糖高分子材料，它具有優(yōu)異的生物相容性、降解性和pH敏感性等多種優(yōu)良特性，被廣泛應(yīng)用于吸附材料、生物材料和組織工程［5-11］。但是海藻酸鈉凝膠在吸水溶脹后易破裂，而且載藥后易出現(xiàn)藥物突釋現(xiàn)象，較難滿足實(shí)際使用要求［12］。為了擴(kuò)大其作為藥物載體材料的應(yīng)用，急需提高其性能。海綿具有獨(dú)特的多孔狀結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)及其吸水保水等領(lǐng)域。由于海綿具有優(yōu)異的力學(xué)性能和保水率，若將海藻酸鈉通過(guò)一定的條件制備成海綿，將可以改變其易碎和強(qiáng)度低等問(wèn)題。

本研究以氯化鈣為交聯(lián)劑，通過(guò)冷凍干燥制備海藻酸鈉海綿，并將環(huán)丙沙星負(fù)載在海綿內(nèi)得到載藥海綿，對(duì)其藥物釋放行為進(jìn)行研究。然后對(duì)載藥海綿通以不同的電壓，測(cè)試其藥物釋放速率和藥物釋放率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)控制外加電壓，可以控制載藥海藻酸鈉海綿的釋放行為，達(dá)到控釋和緩釋的效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 海藻酸鈉海綿的制備

配置一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的海藻酸鈉水溶液，在-20℃冷凍后，置于凍干機(jī)中凍干。所得凍干的樣品在氯化鈣水溶液中浸泡6 h，取出用去離子水多次清洗，再次進(jìn)行冷凍干燥處理，得到海藻酸鈉海綿。

1.2 表征與測(cè)試

采用掃描電子顯微鏡（scanning electron micro?scope，SEM）和萬(wàn)能拉力機(jī)分別表征微觀形貌和力學(xué)性能。

將干重m0和體積V0的海藻酸鈉海綿放在裝水的燒杯中，浸泡不同時(shí)間t后取出，擦掉表面多余的水分，稱重m1。再將其充分浸泡至吸收飽和后取出，擦掉表面多余的水分，稱重m2，計(jì)算海綿吸水速率R和海綿吸水率A，具體計(jì)算公式如下：

配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%的生理鹽水，同樣用上述方法測(cè)量海藻酸鈉海綿吸收生理鹽水的性能。

1.3 載藥海藻酸鈉海綿的制備及控釋測(cè)定

將海藻酸鈉海綿浸泡在環(huán)丙沙星水溶液中12 h，取出擦掉表面多余水分，50℃烘干得載藥海藻酸鈉海綿。將載藥海藻酸鈉海綿浸泡在蒸餾水中，每隔1 h取溶液5 mL，同時(shí)補(bǔ)加5 mL蒸餾水，利用紫外可見(jiàn)吸收光譜儀（ultraviolet-visible spec?trometer，UV-vis）測(cè)量溶液的吸光度，得到藥物釋放情況。

將載藥海藻酸鈉海綿接在兩電極體系上，對(duì)陽(yáng)極施加一定的電壓，并每隔一段時(shí)間測(cè)定其吸光度，計(jì)算在外加電壓下的藥物釋放情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌與力學(xué)性能

圖1（a）～圖1（d）是海藻酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%、2%、2.5%和3%時(shí)，制備得到的海藻酸鈉海綿的SEM圖。由圖1可知，海藻酸鈉海綿內(nèi)部呈多孔狀結(jié)構(gòu)，有利于海綿吸收水分。海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)海藻酸鈉海綿的微觀結(jié)構(gòu)有一定的影響：在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%與3%時(shí)，海綿的層與層之間堆疊，折皺增多；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%與2.5%時(shí)，制備的海綿多孔通道較多，這些通道使水分子能夠在其中流動(dòng)，將表現(xiàn)出良好的吸水率。但是海藻酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)所得的海綿力學(xué)強(qiáng)度影響不大，這些海藻酸鈉海綿的拉伸強(qiáng)度在0.16 MPa～0.19 MPa之間，如圖1（e）所示，這可以歸結(jié)為海綿通過(guò)氯化鈣溶液的交聯(lián)處理，Ca2+與海藻酸鈉的Na+發(fā)生交換，并且與2條海藻酸鈉分子鏈的羧基相連，從而形成交聯(lián)［13］。

圖1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)制備的海藻酸鈉海綿的SEM圖：（a）1%，（b）2%，（c）2.5%，（d）3%，（e）對(duì)應(yīng)的拉伸強(qiáng)度Fig.1 SEM images of sodium alginate sponges prepared with mass fraction of（a）1%，（b）2%，（c）2.5%，（d）3%，（e）tensile strength of corresponding sponeges

2.2 海綿吸水性能

圖2為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)制備的海藻酸鈉海綿的吸水率和吸水速率圖。分別研究了海藻酸鈉海綿對(duì)純水與生理鹽水的吸收情況。從圖2可以看出，隨著海藻酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，海藻酸鈉海綿對(duì)純水與生理鹽水的吸收率與吸收速率均增加：當(dāng)海藻酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%時(shí)，其吸收率和吸收速率均達(dá)到最大；隨著海藻酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加到3%時(shí)，海綿對(duì)純水與生理鹽水的吸收率與吸收速率均大幅降低。這與SEM表征結(jié)果一致，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%與3%時(shí)，制得的海藻酸鈉海綿微結(jié)構(gòu)中所含的通道較少，不利于較多較快地吸收水分。當(dāng)海藻酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%時(shí)，所得海綿的宏觀樣貌最為光滑平整，微觀孔洞較多且分布相對(duì)均勻，有利于水分較多較快地吸收。

圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)制備的海藻酸鈉海綿的（a）吸水率，（b）吸水速率Fig.2 （a）Water absorption，（b）water absorption rate of sodium alginate sponges prepared with different mass fractions

2.3 載藥海綿的藥物釋放性能

圖3（a）為不同海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)制備的海藻酸鈉海綿負(fù)載環(huán)丙沙星的釋放曲線。由圖3（a）可以看出，不同海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)制得的海綿負(fù)載環(huán)丙沙星的釋放曲線的趨勢(shì)基本相同，均是先快后慢直至平衡。這主要是由于初期藥物的解吸現(xiàn)象導(dǎo)致最開(kāi)始一個(gè)階段的釋放速度較快，解吸完全后藥物通過(guò)介質(zhì)擴(kuò)散，釋放速度逐漸變慢直到保持平衡為止［14］。不同海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)制備的海綿，藥物釋放率也是隨著海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而上升，在海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%時(shí)環(huán)丙沙星的釋放率最高，但是在海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%時(shí)達(dá)到藥釋平衡卻最慢，這主要是由于吸水率越高，載藥率也就越高，從而導(dǎo)致了達(dá)到藥物釋放平衡所用的時(shí)間變長(zhǎng)。隨著海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，所得海綿內(nèi)孔與孔互相連通，連通的孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致海綿具有較高的吸水率與載藥率。從而在進(jìn)行藥物釋放時(shí)，能較快地與外界體系進(jìn)行交換，有利于藥物的快速釋放。隨著海藻酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加，減弱了海綿利于吸水的孔隙結(jié)構(gòu)，使海綿吸水率明顯降低，導(dǎo)致載藥率也下降［15］。

進(jìn)一步研究了海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%時(shí)制得的海藻酸鈉海綿在0 V、1.5 V與2.5 V電壓下的藥物釋放曲線，如圖3（b）所示。由圖3（b）可以看出，不論是否外加電壓，載藥海綿的藥物釋放率初期均很快，然后速率慢慢降低，直到平衡。但是在通電條件下，藥物釋放率隨著電壓的提高而增大。而且其達(dá)到釋放平衡的時(shí)間也縮短。在0 V電壓時(shí)約32 h藥物釋放才會(huì)達(dá)到平衡，且釋放率只有63%；在2.5 V電壓時(shí)，釋放速度加快，10 h以內(nèi)就能達(dá)到釋放平衡狀態(tài)，而且釋放率也比在不通電情況下大得多，可達(dá)約95%。這主要是由于在通電情況下，海綿接觸的是陽(yáng)極，而陽(yáng)極失電子，導(dǎo)致其附近的電解液pH降低［16］，海藻酸鈉上的－COO-轉(zhuǎn)變－COOH，電離度降低，海藻酸鈉親水性下降，使其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)收縮，加快海綿內(nèi)部的藥物釋放，增大藥物釋放量。因此通過(guò)改變外加電壓來(lái)改變緩釋介質(zhì)的pH值實(shí)現(xiàn)藥物控制釋放。

圖3 載藥海綿的釋放曲線：（a）不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的海藻酸鈉，（b）不同電壓下，（c）交替外加電壓下Fig.3 Drug release curves of drug-loading sodium alginate sponges：（a）sodium alginate sponges with different mass fractions，（b）at different voltages，（c）at alternating external voltages

進(jìn)一步研究了在交替外加2.5 V電壓時(shí)，載藥海綿的藥物釋放情況，如圖3（c）所示。在交替電壓下的藥物釋放曲線和普通情況下的釋放曲線總體趨勢(shì)相類似。藥物釋放速率前期較快，后期逐漸達(dá)到平穩(wěn)。從電壓“開(kāi)-關(guān)”的一次循環(huán)來(lái)看，通電時(shí)釋藥速率較快，斷電時(shí)釋藥速率較慢。海綿對(duì)于藥物釋放的可逆程度隨著時(shí)間延長(zhǎng)而下降，隨著電壓的“開(kāi)-關(guān)”循環(huán)次數(shù)的增加而下降。這是由于通電后，pH值的下降導(dǎo)致海綿收縮，藥物釋放加快；而當(dāng)斷電時(shí)海綿發(fā)生溶脹，導(dǎo)致藥物回吸，故釋放速率明顯降低。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)冷凍干燥法制備海藻酸鈉海綿前驅(qū)體，進(jìn)而用氯化鈣溶液對(duì)其交聯(lián)后得到多孔的海藻酸鈉海綿，研究了海藻酸鈉海綿的吸水性能，及其載藥后的藥物控制釋放性能，對(duì)比了在不通電和通電條件下載藥海綿的藥物釋放行為的區(qū)別，探究外加電壓對(duì)于藥物控釋的影響，為研究藥物控釋體系提供了一種新的思路和方法。