劉 瑜,徐 力,賈 盼,賈旺強(qiáng),鄭進(jìn)智,劉澤華
(天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300457)
羧甲基纖維素(CMC)作為一種天然無(wú)毒的聚陰離子纖維素醚,可用作 pH敏感型水凝膠的構(gòu)建與設(shè)計(jì)[1].基于 CMC等天然高分子材料制備得到的水凝膠具有較好的生物相容性、生物可降解性以及與活體組織的相似性,從而這類水凝膠更適合作為藥物輸送的載體[2].因疏水性藥物與纖維素基水凝膠親水性聚合物網(wǎng)絡(luò)之間固有的不親和性,故其多用于水溶性藥物的輸送[3–6],疏水性藥物在此類水凝膠中的釋放不能長(zhǎng)時(shí)間控制[7].為克服以上問(wèn)題,可將β–環(huán)糊精(β-CD)與纖維素及其衍生物以水凝膠為載體進(jìn)行有效地結(jié)合.
β-CD作為一種具有納米尺形疏水空腔結(jié)構(gòu)的低聚糖,可用于提高疏水性藥物溶解度、穩(wěn)定性及生物利用度等[8].在現(xiàn)有報(bào)道中,多通過(guò)交聯(lián)聚合方法制備得到 β-CD與纖維素基材料相結(jié)合的水凝膠,但在制備過(guò)程中需使用有毒的交聯(lián)劑[9–10],這較大程度地影響了所得水凝膠的生物相容性.Ghorpade等[11–12]則選用檸檬酸作為無(wú)毒的交聯(lián)劑分別制備得到了 β-CD/羥丙基甲基纖維素交聯(lián)水凝膠與 β-CD/CMC交聯(lián)水凝膠,并研究所得水凝膠對(duì)疏水性藥物酮康唑的載藥性能.嚴(yán)安等[13]基于CMC與陽(yáng)離子β-CD的靜電相互作用得到了自組裝功能纖維,并將其抄片成紙應(yīng)用于苯酚廢水的處理.此法雖與本研究基于同一原理,但所制備的材料缺乏水凝膠生物材料相關(guān)的優(yōu)異特性.
本研究將利用CMC與陽(yáng)離子β-CD之間的靜電作用,無(wú)需交聯(lián)劑,以一種簡(jiǎn)便易行的方法制備得到智能型自組裝水凝膠用于疏水性藥物的載運(yùn).通過(guò)FITR、SEM 等表征方法對(duì)所得自組裝水凝膠基本性能進(jìn)行分析,研究陽(yáng)離子溶液濃度、組裝時(shí)間、陽(yáng)離子 β-CD取代度等組裝條件對(duì)水凝膠性質(zhì)的影響,測(cè)試水凝膠在不同 pH條件下的溶脹性能,探討疏水性藥物氯霉素在新型 pH敏感水凝膠中的控釋機(jī)理,并且利用 Korsmeyer-Peppas動(dòng)力學(xué)模型擬合藥物釋放曲線.
CMC,DS 0.7,上海古長(zhǎng)實(shí)業(yè)有限公司;2,3–環(huán)氧丙基三甲基氯化銨,分析純,上海笛柏化學(xué)品技術(shù)有限公司;酚酞,分析純,天津市化學(xué)試劑一廠;無(wú)水乙醇,分析純,天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司;氯霉素,分析純,上海麥克林生化科技有限公司;無(wú)水碳酸鈉,分析純,天津市江天化工技術(shù)有限公司;β-CD、氫氧化鈉、丙三醇,分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司.
FTIR–650型傅里葉變換紅外光譜儀,天津市港東科技發(fā)展有限公司;UV–2550型多功能 UV-vis分析儀,日本SHIMADZU公司;JSM–IT300 LV型掃描電子顯微鏡,日本JEOL公司;ALpHR1–2 LD plus型冷凍干燥機(jī),北京市五洲東方科技發(fā)展有限公司;DF–101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器,河南省鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司;VOS–60A 型真空干燥箱,施都凱儀器設(shè)備有限公司;Kjeltec 8400型全自動(dòng)凱式定氮儀,丹麥 FOSS公司;TGL–20M 型高速臺(tái)式冷凍離心機(jī),長(zhǎng)沙湘儀離心機(jī)儀器有限公司;HNY–100B型恒溫培養(yǎng)振蕩器,天津市歐諾儀器儀表有限公司.
1.2.1 陽(yáng)離子β-CD的合成
稱取10g β-CD于單口燒瓶中,加入一定量的氫氧化鈉溶液,于 70℃恒溫?cái)嚢?5~10min后,加入2,3–環(huán)氧丙基三甲基氯化銨(陽(yáng)離子醚化劑)于70℃下反應(yīng) 5h.反應(yīng)后,用無(wú)水乙醇浸泡,攪拌直至形成白色粉末狀物質(zhì).乙醇洗滌,抽濾,于 60℃真空烘箱中干燥至質(zhì)量恒定.氫氧化鈉加入質(zhì)量為 β-CD質(zhì)量的2.2%,反應(yīng)體系含水量為25%.
1.2.2 陽(yáng)離子β-CD取代度的測(cè)定
采用全自動(dòng)凱式定氮儀測(cè)定陽(yáng)離子 β-CD的含氮量,通過(guò)式(1)計(jì)算陽(yáng)離子β-CD的取代度.
式中:DS為陽(yáng)離子β-CD的取代度;ws為樣品中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù);w0為原 β-CD 中的氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù);162為β-CD中葡萄糖單元的相對(duì)分子質(zhì)量;14為氮元素的相對(duì)原子質(zhì)量;151.5為取代基團(tuán)季銨基的相對(duì)分子質(zhì)量.
1.2.3 自組裝水凝膠的制備
CMC溶液和陽(yáng)離子 β-CD溶液直接混合進(jìn)行組裝所形成的凝膠結(jié)構(gòu)松散、強(qiáng)度低,故采用 CMC膜與陽(yáng)離子 β-CD進(jìn)行組裝,形成的組裝體狀態(tài)穩(wěn)定,便于性能檢測(cè)和應(yīng)用.以蒸餾水為溶劑,將 CMC在40℃下攪拌溶解,制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5%的溶液,加入10mL丙三醇,攪拌均勻后,以 2500r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行離心脫泡 6min.將離心后的溶液轉(zhuǎn)入培養(yǎng)皿,于55℃烘箱中干燥至質(zhì)量恒定,即得CMC膜.取0.3g CMC膜浸泡在20mL一定濃度的陽(yáng)離子β-CD溶液中,12min后取出,即得 CMC/陽(yáng)離子 β-CD 自組裝水凝膠.
1.3.1 凝膠中β-CD含量的測(cè)定
參照文獻(xiàn)[14]繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,通過(guò)最小二乘法擬合得到直線方程為 A=0.93533–0.00604ρ,R2=0.9989.式中:A為吸光度;ρ為 β-CD 質(zhì)量濃度,mg/L.
稱取冷凍干燥后的干凝膠 50mg于 25mL比色管中,加入10mL蒸餾水,之后加入 2.00mL濃度為3.7×10-4mol/L的酚酞溶液,在搖床中以 110r/min的轉(zhuǎn)速振蕩 2h,再加入 2.00mL濃度 2.8×10-2mol/L的碳酸鈉溶液,定容至 25mL,搖勻,在 15min內(nèi)測(cè)定其在 552nm 處吸光度,將測(cè)得的吸光度代入回歸方程得到β-CD質(zhì)量濃度ρ.通過(guò)式(2)計(jì)算凝膠中β-CD含量.
式中:w為凝膠中β-CD 含量,mg/g;ρ為β-CD質(zhì)量濃度,mg/L;V為溶液體積,L;m為干凝膠質(zhì)量,g.
1.3.2 紅外光譜分析(FTIR)
稱取1mg絕干樣品與100mg光譜級(jí)KBr粉末混合研磨并壓片,使用紅外光譜儀進(jìn)行掃描,波數(shù)范圍為 400~4000cm-1,分辨率為 1.5cm-1.
1.3.3 水凝膠的微觀形貌分析
將水凝膠樣品于超低溫保存箱(-65℃)淬冷后進(jìn)行冷凍干燥,然后進(jìn)行噴金處理,用 JSM–IT300 LV型掃描電子電鏡觀察其表面微觀形貌.
1.3.4 溶脹性能測(cè)試
稱取冷凍干燥后的干凝膠 50mg分別浸泡在20mL 配制的 pH=4、6、7、8的磷酸氫二鈉–檸檬酸緩沖液及 pH=10的甘氨酸–氫氧化鈉緩沖液中,到達(dá)溶脹平衡后取出,用濾紙吸干凝膠表面的水分,稱其質(zhì)量[15].
式中:SR為樣品溶脹率;md、ms分別為凝膠溶脹前后的質(zhì)量.
1.4.1 氯霉素標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制
準(zhǔn)確稱取氯霉素 100mg,在不同介質(zhì)中溶解,置于 100mL容量瓶中,并稀釋至刻度,搖勻,配制成1mg/mL 的溶液,準(zhǔn)確移取 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0mL分別置于50mL容量瓶中,稀釋至刻度,用紫外分光光度計(jì)于 278nm 處測(cè)量其吸光度,得到標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程.
介質(zhì)為水時(shí)A1=0.0834+30.2300ρ1,R2=0.99983;介質(zhì)為 pH=4的緩沖液時(shí)A2=0.0966+29.4770ρ2,R2=0.99994;介質(zhì)為 pH=6 的緩沖液時(shí)A3=0.0765+29.6621ρ3,R2=0.99951;介質(zhì)為 pH=7 的緩沖液時(shí)A4=0.0858+29.5690ρ4,R2=0.99779.式中:A1、A2、A3、A4為吸光度;ρ1、ρ2、ρ3、ρ4為氯霉素質(zhì)量濃度,mg/mL.
1.4.2 載藥實(shí)驗(yàn)
稱取 50mg凍干后的水凝膠浸泡在 40mL質(zhì)量濃度為1mg/mL的氯霉素水溶液中,24h后取出,在40℃烘箱干燥.將浸泡水凝膠后剩余的氯霉素溶液準(zhǔn)確吸取 2mL置于 50mL容量瓶,稀釋至刻度.依據(jù)氯霉素濃度與吸光度之間的關(guān)系曲線,計(jì)算得出剩余溶液中的氯霉素含量,水凝膠的載藥量s即為氯霉素總量減去剩余氯霉素溶液中的含量.
1.4.3 體外模擬藥物釋放實(shí)驗(yàn)
稱取載藥凝膠 50mg,分別置于 pH 4、6、7的50mL緩沖液中,放入(37.5±0.5)℃的搖床中以150r/min 振蕩.分別在第 20、40、60、120、240、360、480、600、720min取樣,測(cè)定其在 278nm 處的吸光度.代入回歸方程計(jì)算藥物釋放質(zhì)量濃度,累積釋放率Q[16]為
式中:Q為第i次取樣后體系的累積釋放率,%;ρi為第i次取樣時(shí)藥物的釋放質(zhì)量濃度,mg/mL;m為干凝膠質(zhì)量,g;s為載藥量,mg/g;V1為每次取樣的體積,mL;V2為緩沖溶液的體積,mL.
為驗(yàn)證水凝膠形成的驅(qū)動(dòng)力為靜電自組裝,而不是因?yàn)?CMC本身在溶液中的溶脹及其高分子結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單吸附過(guò)程,設(shè)計(jì)以下對(duì)照實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果見(jiàn)表1.
表1 靜電自組裝驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)Tab. 1 Verification of electrostatic self-assembly
實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),CMC膜在蒸餾水中,5min開(kāi)始溶解,90min后溶解完全(1#);陽(yáng)離子β-CD 在蒸餾水中能迅速溶解成透明溶液(2#);而將 CMC膜浸泡在陽(yáng)離子β-CD水溶液中,卻發(fā)現(xiàn) CMC膜僅僅發(fā)生潤(rùn)脹,不再溶解,即呈現(xiàn)凝膠的狀態(tài)(3#).可見(jiàn),CMC和陽(yáng)離子β-CD之間發(fā)生了相互作用;在中性或堿性條件下,CMC膜因其存在的羧基負(fù)離子之間的靜電斥力而膨脹[17],利于鏈的伸展,而溶液中陽(yáng)離子 β-CD的季銨型陽(yáng)離子基團(tuán)與CMC的羧基陰離子可以通過(guò)靜電相互作用發(fā)生反應(yīng),即靜電自組裝,并起到交聯(lián)的作用,形成不溶于水的凝膠.在酸性條件下(4#),CMC的羧基被質(zhì)子化,降低了分子鏈間排斥力,溶脹性顯著降低,陽(yáng)離子 β-CD也難以組裝到CMC分子鏈上.
陽(yáng)離子 β-CD(2#)、自組裝水凝膠(3#)以及 4#所得樣品的紅外光譜如圖1所示.
圖1 不同樣品的紅外光譜圖Fig. 1 FTIR spectra of different samples
由圖 1可知:3410、2926cm-1分別是—OH 與C—H的伸縮振動(dòng)吸收,因自組裝水凝膠體系中的CMC通過(guò)靜電作用負(fù)載了大量的陽(yáng)離子β-CD,故兩處的吸收強(qiáng)度顯著增強(qiáng).4#的 CMC膜因浸泡在酸性溶液中,羧基被大量質(zhì)子化,產(chǎn)生氫鍵締合(二聚體),故在 1724cm-1處出現(xiàn)二聚體 C=O 伸縮振動(dòng)吸收[18].1410cm-1對(duì)應(yīng)于 COO-的對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收[17],但發(fā)現(xiàn) 4#樣品 COO-的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收在 1611cm-1左右,而自組裝水凝膠 COO-的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)在1635cm-1附近,說(shuō)明CMC與陽(yáng)離子β-CD交聯(lián)后破壞了原來(lái)羧酸根基團(tuán)的多電子 π鍵體系[19],使 COO-雙鍵加強(qiáng),證明水凝膠體系中存在CMC 與陽(yáng)離子 β-CD 的靜電自組裝.944cm-1處的吸收帶與 β-CD 中α–(1→4)連接的吡喃糖環(huán)的振動(dòng)有關(guān)[20],從圖中可以看出該吸收只出現(xiàn)在陽(yáng)離子 β-CD 與自組裝水凝膠中.在酸性條件下,4#樣品雖然不溶,但這是 CMC質(zhì)子化后不溶造成的,而非組裝體水凝膠,這進(jìn)一步說(shuō)明了自組裝水凝膠的驅(qū)動(dòng)力為CMC與陽(yáng)離子β-CD之間的靜電相互作用力.
在質(zhì)量分?jǐn)?shù) 30%的 DS 0.68陽(yáng)離子 β-CD溶液中,考察不同組裝時(shí)間對(duì)凝膠中 β-CD含量的影響,結(jié)果如圖 2所示.由圖 2可知:在 9min前,凝膠中β-CD含量隨著組裝時(shí)間迅速增加,在 9min時(shí)達(dá)到68.60mg/g,之后隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸達(dá)到平衡,說(shuō)明CMC與陽(yáng)離子 β-CD的靜電自組裝是一個(gè)快速的過(guò)程.
圖2 組裝時(shí)間對(duì)凝膠中β-CD含量的影響Fig. 2 Effect of assembly duration on β-CD content in the gel
固定組裝時(shí)間12min,考察兩種不同取代度的陽(yáng)離子 β-CD的溶液濃度對(duì)凝膠中 β-CD含量的影響,結(jié)果如圖 3所示.從圖 3可以看出:在陽(yáng)離子 β-CD取代度固定情況下,自組裝水凝膠中 β-CD含量表現(xiàn)出隨溶液濃度增大而增大的現(xiàn)象.質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá) 30%時(shí),DS 0.68的凝膠中β-CD含量為69.69mg/g,且與40%時(shí)的70.85mg/g的含量差別不大.
圖3 不同濃度不同取代度陽(yáng)離子 β-CD對(duì) β-CD含量的影響Fig. 3 Effects of different concentration and degree of substitution of cationic β-CD on β-CD content
將凍干的靜電自組裝水凝膠(自組裝條件為陽(yáng)離子 β-CD 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 30%、DS 0.68、反應(yīng)時(shí)間 12min)分別置于不同 pH的緩沖液中測(cè)定其溶脹率,結(jié)果如圖4所示.由圖4可以看出,隨著pH的提高,自組裝水凝膠的溶脹率逐漸降低,表現(xiàn)出 pH敏感性.這是由于 pH越低,CMC分子鏈上的羧甲基質(zhì)子化程度越大,導(dǎo)致其整體上與陽(yáng)離子 β-CD間的靜電作用開(kāi)始減弱,交聯(lián)層變薄同時(shí)交聯(lián)密度減小,交聯(lián)結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)部水的限制減小,內(nèi)部包含的大量溶劑對(duì)其溶劑化作用增強(qiáng)及凝膠體系中的 CMC鏈段更為舒展,故凝膠結(jié)構(gòu)越來(lái)越疏松,溶脹率變大.但同時(shí)也需注意到pH的降低將會(huì)導(dǎo)致未交聯(lián)的 CMC之間的靜電斥力的減小,靜電斥力的減小有助于分子鏈相互纏繞導(dǎo)致凝膠結(jié)構(gòu)的緊密,因此溶脹率的變化是以上兩方面影響因素的競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果.從結(jié)果上來(lái)看,交聯(lián)結(jié)構(gòu)的變化對(duì)溶脹率的影響更為顯著.
圖4 不同pH下靜電自組裝水凝膠的溶脹率Fig. 4 Swelling rate of electrostatic self-assembled hydrogel at different pH values
靜電自組裝水凝膠(自組裝條件為陽(yáng)離子 β-CD質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%、DS 0.68、反應(yīng)時(shí)間12min)在不同pH緩沖液中溶脹后的微觀形貌如圖 5所示.靜電自組裝水凝膠在pH 4與pH 6的緩沖液中溶脹后,凝膠表現(xiàn)出疏松多孔結(jié)構(gòu),整體上具有纖維狀三維貫通的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),分布著較多比較雜亂的大孔洞,這有利于水凝膠快速、大量地吸水,同時(shí)進(jìn)一步說(shuō)明了該水凝膠在pH 4與pH 6條件下具有較高的溶脹率的原因.而當(dāng) pH繼續(xù)增大時(shí),陰陽(yáng)離子之間的靜電作用顯著增強(qiáng),凝膠結(jié)構(gòu)的交聯(lián)密度增大,高分子網(wǎng)絡(luò)的彈性有所下降,可以觀察到當(dāng)pH 7與pH 8時(shí)其網(wǎng)孔變小,整體上表現(xiàn)為收縮結(jié)構(gòu),阻礙了孔道吸收溶劑的速率及數(shù)量,因而溶脹率有所下降.在 pH 10時(shí),凝膠微觀形貌呈現(xiàn)致密的蜂窩狀,這可能是 CMC中絕大部分羧甲基的去質(zhì)子化導(dǎo)致體系中產(chǎn)生更多的物理交聯(lián)及纏結(jié),故存在著明顯的通道結(jié)構(gòu).
圖5 靜電自組裝水凝膠在不同 pH緩沖液中溶脹后的SEM圖Fig. 5 SEM images of electrostatic self-assembled hydrogel in different pH buffer after swelling
以CMC與DS 0.68的陽(yáng)離子β-CD組裝成的水凝膠為例,當(dāng) β-CD 含量為 12.36、34.14、69.69mg/g時(shí),水凝膠對(duì)氯霉素的載藥量分別為 11.43、33.33、215.33mg/g,其最高載藥量可達(dá)聚乙烯醇/殼聚糖水凝膠[21]對(duì)氯霉素載藥量的 10倍以上.此外發(fā)現(xiàn),載藥量隨著 β-CD含量的增大而增大,這可能是因?yàn)樗幬锓肿优c β-CD之間的絡(luò)合導(dǎo)致疏水相互作用力的增強(qiáng)[22].
圖 6為載藥量 215.33mg/g的載藥凝膠(該凝膠的自組裝條件為陽(yáng)離子 β-CD質(zhì)量分?jǐn)?shù) 30%、DS 0.68、反應(yīng)時(shí)間 12min)在不同 pH 條件下的釋藥曲線.在所有pH下2h內(nèi)都可觀察到水凝膠的藥物突釋,當(dāng) pH 4、6、7時(shí),藥物釋放 120min的累積釋放率分別為47.74%、42.37%、32.05%,這主要是表面吸附藥物的釋放[12].在 2h后藥物釋放顯著減緩,藥物開(kāi)始長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定釋放,當(dāng) pH 4、6、7時(shí),藥物釋放720min的累積釋放率分別為 53.46%、48.86%、39.60%,具有明顯的控制緩釋特征.
此外,載藥凝膠在不同 pH下表現(xiàn)出不同釋藥速率,在相同的釋放時(shí)間內(nèi),pH越低,累積釋放率越高.
圖6 自組裝水凝膠在不同pH下藥物的釋放曲線Fig. 6 Drug release curves of self-assembled hydrogel at different pH
在藥物的釋放過(guò)程中,同時(shí)伴隨著凝膠骨架結(jié)構(gòu)的解析和溶蝕,其擴(kuò)散路徑長(zhǎng)度不斷發(fā)生著變化,可以通過(guò) Korsmeyer-Peppas模型來(lái)描述緩釋動(dòng)力學(xué)機(jī)理[23–24].
表 2為氯霉素釋放的 Korsmeyer-Peppas動(dòng)力學(xué)模型參數(shù).動(dòng)力學(xué)機(jī)理取決于n[25],即pH 4和6時(shí),n≤0.45,藥物釋放機(jī)理屬于 Quasi-Fickian機(jī)理,此時(shí)凝膠骨架與藥物之間的相互作用力較弱;pH 7時(shí),0.45<n<0.89,屬于 Non-Fickian機(jī)理,說(shuō)明凝膠骨架與藥物之間的相互作用力顯著增強(qiáng);當(dāng) n≥0.89,屬于以骨架溶蝕為主.
表2 氯霉素釋放的動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)Tab. 2 Parameters of different kinetics model for chloramphenicol release
(1)通過(guò)靜電自組裝水凝膠的驗(yàn)證設(shè)計(jì)以及紅外光譜分析,證明 CMC/陽(yáng)離子 β-CD水凝膠形成的驅(qū)動(dòng)力為靜電自組裝,同時(shí)水凝膠中陽(yáng)離子 β-CD的存在主要是依靠陰陽(yáng)離子靜電作用的自組裝行為,而不是因?yàn)?CMC本身在溶液中的溶脹行為及其高分子結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單吸附過(guò)程.
(2)CMC/陽(yáng)離子β-CD水凝膠的溶脹率隨pH的增大而減小,具有良好的 pH敏感性,同時(shí)其微觀形貌在不同 pH條件下也表現(xiàn)出顯著差異,結(jié)果與溶脹性能的pH敏感行為相符.
(3)體外藥物釋放實(shí)驗(yàn)表明 CMC/陽(yáng)離子 β-CD水凝膠對(duì)氯霉素具有長(zhǎng)效的緩釋作用,在中性條件下的釋藥速率低于酸性條件,采用 Korsmeyer-Peppas模型對(duì)釋藥過(guò)程的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,在 pH 4和pH 6的緩沖液中符合Quasi-Fickian機(jī)理,而在pH 7的緩沖液中符合Non-Fickian機(jī)理.