趙亞梅，劉星悅，李澤城，曹婷婷，楊 靖，丁思奇

(1. 西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，西安 710600；2. 西安工程大學(xué) 城市規(guī)劃與工程學(xué)院， 西安 710600)

0 引 言

人體組織器官中的pH、離子強(qiáng)度、磁場(chǎng)等差異大，藥物分子在人體的釋放與輸送過(guò)程中會(huì)遇到許多障礙，這極大地降低了治療效果[1-2]。與現(xiàn)有的顆粒載體[3]、聚合物凝膠[4]和脂質(zhì)[5]等藥物載體相比，智能響應(yīng)凝膠能對(duì)pH值、光、溫度等周?chē)h(huán)境的細(xì)微改變做出相應(yīng)響應(yīng)[6-10]，具有獨(dú)特的理化性質(zhì)，如優(yōu)異的生物相容性，高吸水性，可調(diào)節(jié)的孔隙率[11-13]，對(duì)藥物的釋放速度和釋放位置有一定調(diào)控能力，有望成為良好的藥物受控釋放基質(zhì)。pH/鹽雙敏感型聚離子液體凝膠兼具聚離子液體和智能響應(yīng)凝膠特征，如具有帶正電荷的化學(xué)基團(tuán)[14-16]，對(duì)微生物具有良好的抗菌性[17-18]，能根據(jù)體內(nèi)各個(gè)器官所處環(huán)境的酸堿性和離子強(qiáng)度差異來(lái)調(diào)節(jié)藥物的釋放，使藥物在特定時(shí)間和部位釋放[19-21]，減少不良反應(yīng)并增加藥物的預(yù)期效果。因此，pH/鹽雙敏感型聚離子液體凝膠在高性能藥物輸送系統(tǒng)中有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

本文基于離子液體型單體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制備了系列pH/鹽雙敏新型聚咪唑類(lèi)離子液體凝膠PCnvimBr，探討離子液體型單體的側(cè)鏈鏈長(zhǎng)微增長(zhǎng)對(duì)PCnvimBr凝膠的溶脹性能、pH、鹽刺激響應(yīng)行為影響，在此基礎(chǔ)上，研究了pH/鹽雙敏型PCnvimBr凝膠對(duì)腸道抗菌藥物的控制釋放行為。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

N-乙烯基咪唑，溴乙烷，溴丁烷，溴己烷，對(duì)苯二酚，偶氮二異丁腈(AIBN)，乙腈，乙酸乙酯，N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)，無(wú)水甲醇與無(wú)水乙醇均為分析純，在所有實(shí)驗(yàn)中均使用超純水。

DZF-6020AB真空干燥箱，DF101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，SH2-88A恒溫振蕩器，F(xiàn)D-1冷凍干燥機(jī)，F(xiàn)lexSEM1000掃描電鏡，Nicolet 5700傅立葉變換紅外光譜儀(KBr壓片)，XRD-MiniFlex600X-射線衍射儀，TGA/SD TA85型熱重分析儀，日本島津UV2450紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)。

1.2 PCnvimBr凝膠的合成

稱(chēng)取一定量N-乙烯基咪唑于三口燒瓶中，氮?dú)獗Ｗo(hù)條件下，加入不同烷基鏈長(zhǎng)的溴化物，再加0.1 g對(duì)苯二酚阻聚劑，70 ℃回流攪拌20 h，得到三種咪唑類(lèi)離子液體，產(chǎn)物經(jīng)乙腈和乙酸乙酯溶解沉淀后，60 ℃真空干燥12 h。然后，稱(chēng)取一定量中間產(chǎn)物離子液體單體和交聯(lián)劑N,N-亞甲基雙丙烯酰胺，溶于甲醇和乙醇各2.5 mL的混合溶劑中，攪拌均勻，再加偶氮二異丁腈使其溶解，通N210 min后密封體系，70 ℃恒溫油浴反應(yīng)4 h，得到聚咪唑類(lèi)離子液體凝膠(PCnvimBr，n=2,4,6)。產(chǎn)物浸入乙醇并定時(shí)換至溶液澄清后，再浸入超純水以除去未反應(yīng)的單體及剩余的交聯(lián)劑和引發(fā)劑。

1.3 PCnvimBr凝膠溶脹性能的測(cè)定

取一定量干凝膠置于超純水中，隔一段時(shí)間后，測(cè)試凝膠的質(zhì)量。將浸泡前后凝膠的質(zhì)量代入公式，計(jì)算其溶脹率(SR)。溶脹率計(jì)算公式如(1)式：

溶脹率=(mt-md)/md×100%

(1)

式中，mt表示t時(shí)刻濕凝膠的質(zhì)量，md表示干凝膠的質(zhì)量。

1.4 PCnvimBr凝膠的pH、鹽敏感性以及溶脹可逆行為

將干凝膠切片后稱(chēng)重，分別置于不同pH值的溶液中(pH=3，4，5，6，6.8，7，7.4，8，9，10)，每隔一定時(shí)間取出稱(chēng)重，直到溶脹平衡，計(jì)算其平衡溶脹率來(lái)研究凝膠的pH敏感性。

常溫下，將一定質(zhì)量干凝膠分別浸入不同濃度NaCl溶液中(0.3，0.6，0.9，1.2，1.5 mol/L)，每隔一定時(shí)間取出稱(chēng)重，直到凝膠溶脹平衡，通過(guò)計(jì)算其溶脹率來(lái)研究鹽敏感性。

常溫下，將一定質(zhì)量干凝膠交替浸入超純水和0.15 mol/L NaCl溶液中，每隔一定時(shí)間取出稱(chēng)重，計(jì)算凝膠在不同時(shí)刻的溶脹率，研究凝膠在超純水-鹽溶液循環(huán)體系中的溶脹-收縮可逆行為。

1.5 PCnvimBr凝膠對(duì)環(huán)丙沙星的體外釋放實(shí)驗(yàn)

采用擴(kuò)散法將環(huán)丙沙星負(fù)載到PCnvimBr凝膠上，冷凍干燥備用。稱(chēng)3份載藥干凝膠放入錐形瓶中，加入模擬人體腸胃pH環(huán)境的緩沖溶液(pH=1.2，6.8，7.4)，水浴恒溫振蕩測(cè)試。隔一定時(shí)間取樣，再補(bǔ)充同體積模擬液，用紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)在277 nm波長(zhǎng)下檢測(cè)并記錄。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算濃度，按(2)式計(jì)算環(huán)丙沙星累積釋放率：

(2)

式中，Ve是取出的釋放液體積，V0是釋放介質(zhì)的總體積，Cn是第n次取出的釋放液中的環(huán)丙沙星的濃度，m是載藥凝膠中環(huán)丙沙星的含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 PCnvimBr凝膠制備條件的優(yōu)化

采用自由基聚合技術(shù)合成了PCnvimBr凝膠。改變交聯(lián)劑和引發(fā)劑用量，所制備的PCnvimBr凝膠性能會(huì)發(fā)生改變，因此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定凝膠制備的最優(yōu)條件(表1)。

表1 PCnvimBr凝膠的合成及平衡溶脹率

PCnvimBr(n=2,4,6)凝膠的最佳交聯(lián)劑用量均為離子液體單體質(zhì)量的2%，最佳引發(fā)劑用量分別為離子液體單體質(zhì)量的4%，5%和3%。當(dāng)引發(fā)劑用量一定時(shí)，隨著交聯(lián)劑用量的增加，凝膠容易形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，平衡溶脹率升高；繼續(xù)增加交聯(lián)劑用量，交聯(lián)密度過(guò)大，水很難進(jìn)入凝膠內(nèi)部，平衡溶脹率降低。此外，當(dāng)交聯(lián)劑用量一定時(shí)，增加引發(fā)劑用量，引發(fā)活性中心增多，溶脹能力提高；若繼續(xù)增加引發(fā)劑用量，鏈終止反應(yīng)加劇，單體間發(fā)生均聚反應(yīng)的程度加大，導(dǎo)致平衡溶脹率降低。從表中也可以看出，隨著PCnvimBr凝膠中烷基鏈增長(zhǎng)，平衡溶脹率降低，是因?yàn)槟z的溶脹能力與物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及聚集狀態(tài)有關(guān)，長(zhǎng)烷基鏈可能會(huì)影響離子液體的雙親性和有序聚集狀態(tài)，使形成凝膠的網(wǎng)絡(luò)更緊實(shí)，分子難以進(jìn)入凝膠內(nèi)部。

2.2 PCnvimBr凝膠表征

2.2.1 FTIR光譜

將干凝膠樣品研磨至粉末，KBr壓片制樣，用FTIR光譜儀進(jìn)行表征。PCnvimBr凝膠的FTIR譜圖見(jiàn)圖1(a)，1 645 cm-1處出現(xiàn)N,N-亞甲基雙丙烯酰胺上的C=O特征吸收峰，1 458 cm-1處是咪唑環(huán)C=N伸縮振動(dòng)。與圖1(b)離子液體型單體的FTIR譜圖相比，圖1(a)中1 650 cm-1處未出現(xiàn)碳碳雙鍵C=C彎曲振動(dòng)吸收峰，說(shuō)明離子液體型單體發(fā)生了聚合。

圖1 (a)PCnvimBr凝膠和(b)離子液體的紅外光譜圖Fig 1 Infrared spectrum of PCnvimBr gels and ionic liquids

2.2.2 熱重分析

PCnvimBr凝膠的TG-DTG曲線見(jiàn)圖2，從圖中可得出，失重過(guò)程具有50～195 ℃和275～400 ℃兩個(gè)失重區(qū)域。50至195 ℃低溫失重是因?yàn)槟z網(wǎng)絡(luò)吸附水的損失；275至400 ℃高溫失重率較明顯，約為85%，可能是由于離子液體碳鏈斷裂、側(cè)鏈咪唑環(huán)的分解以及交聯(lián)劑降解引起的。PCnvimBr(n=2,4,6)最大失重溫度分別為327.167，315.833和305.5 ℃(圖2b)，具有良好的熱穩(wěn)定性，說(shuō)明該類(lèi)凝膠能在較寬的溫度范圍內(nèi)使用。

圖2 PCnvimBr凝膠的TG-DTG曲線Fig 2 TG-DTG curve of PCnvimBr gels

2.2.3 SEM表征

掃描電鏡顯微分析(SEM)是對(duì)交聯(lián)凝膠表面拓?fù)浜蛢?nèi)部形態(tài)非常重要的表征技術(shù)。圖3(a、b和c)分別為PCnvimBr(n=2,4,6)凝膠的三維結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為深淺不一的交聯(lián)網(wǎng)狀孔洞結(jié)構(gòu)，對(duì)載藥及吸水溶脹釋放藥物起著重要作用。相比之下，PC2vimBr凝膠中相互連接的孔更多且密集，因?yàn)橥榛鶄?cè)鏈微增長(zhǎng)對(duì)凝膠結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的調(diào)控作用，這與其溶脹性能的研究結(jié)果一致，即PC2vimBr凝膠更有利于藥物的包覆與釋放。

圖3 PCnvimBr凝膠的掃描電鏡圖 (a) PC2vimBr, (b) PC4vimBr和(c) PC6vimBrFig 3 SEM image of PCnvimBr gels: (a) PC2vimBr; (b) PC4vimBr; (c) PC6vimBr

2.2.4 XRD分析

PCnvimBr凝膠的XRD分析譜圖見(jiàn)圖4，掃描范圍3～90°，掃描速率8 °/min。PCnvimBr(n=2,4,6)凝膠的XRD譜圖中均未出現(xiàn)強(qiáng)的衍射峰，而分別在2θ=23.46，24.02，23.94°出現(xiàn)了寬特征峰，表明該類(lèi)凝膠屬于無(wú)定型結(jié)構(gòu)，其結(jié)晶性很弱，利于藥物分子在凝膠內(nèi)部穿梭。

圖4 PCnvimBr凝膠的XRD譜圖Fig 4 XRD spectrum of PCnvimBr gels

2.3 PCnvimBr凝膠的pH敏感性

pH敏感型凝膠通過(guò)體內(nèi)各個(gè)器官環(huán)境存在的酸堿差異調(diào)節(jié)藥物的釋放，使藥物在特定時(shí)間和部位釋放。因此研究凝膠在不同pH值溶液中的溶脹性質(zhì)尤為重要。

由圖5可知，3種聚離子液體均具有良好的pH敏感性，相比之下，PC2vimBr凝膠的pH響應(yīng)性最為敏感，與溶脹性和SEM測(cè)試結(jié)果一致。PCnvimBr凝膠在弱堿性介質(zhì)中的平衡溶脹率高于酸性介質(zhì)，且在pH=7.4條件下，凝膠平衡溶脹率最高，分別為1 422.3%，1 233.8%，257.9%。這是由于親水基團(tuán)質(zhì)子化行為的影響。在酸性介質(zhì)中，親水基團(tuán)質(zhì)子化阻止了氫鍵的形成，凝膠處于收縮狀態(tài)，平衡溶脹率低。隨著pH值增加，親水基團(tuán)保持自由，凝膠開(kāi)始溶脹，溶脹率升高。同時(shí)，高離子強(qiáng)度也會(huì)在一定程度上削弱氫鍵，降低凝膠網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外滲透壓差，即在pH=7.4的弱堿性環(huán)境下，PCnvimBr凝膠的刺激響應(yīng)性最強(qiáng)，有望成為人體弱堿性器官藥物遞送的載體。

圖5 PCnvimBr凝膠的平衡溶脹率與pH的關(guān)系Fig 5 The relationship between the equilibrium swelling rate of PCnvimBr gels and pH

2.4 PCnvimBr凝膠的鹽敏感性

聚離子液體凝膠作為一種聚電解質(zhì)，其溶脹性能不僅隨外界pH的變化而變化，同時(shí)也受鹽溶液濃度(離子強(qiáng)度)的影響。眾所周知，人體的胃液和腸液中含有大量離子，因此研究凝膠在不同濃度鹽溶液中的溶脹特性對(duì)于探討其在藥物遞送系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用具有十分重要的意義。

PCnvimBr凝膠在不同濃度NaCl溶液(pH=7.4)中的平衡溶脹率如圖6所示。與在超純水中相比，凝膠在鹽溶液中的平衡溶脹率降低。這是由于鹽溶液中的離子強(qiáng)度比水中的高，凝膠內(nèi)外滲透壓差減小，使平衡溶脹率降低。鹽溶液濃度由0.03 mol/L升高到0.15 mol/L，PCnvimBr(n=2,4,6)凝膠的平衡溶脹率分別降低了828.61%，711.961%，363.1%，可以看出三種凝膠均具有較強(qiáng)的鹽敏感性，相比而言，PC2vimBr凝膠的鹽收縮性最明顯。這是因?yàn)辂}溶液濃度升高后，抗衡陽(yáng)離子與咪唑環(huán)之間的靜電排斥作用占主導(dǎo)地位，且烷基側(cè)鏈越長(zhǎng)，靜電排斥作用力越強(qiáng)，導(dǎo)致凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)收縮，溶脹率降低。

圖6 PCnvimBr凝膠的鹽刺激響應(yīng)曲線Fig 6 The salt stimulation response curve of PCnvimBr gels

2.5 PCnvimBr凝膠在水-鹽循環(huán)體系中的溶脹可逆性

PCnvimBr凝膠不僅有良好的鹽敏感性，而且在水-鹽循環(huán)體系中的溶脹-收縮行為還具有可逆性。從圖7可以看出，在超純水和0.15 mol/L NaCl溶液循環(huán)體系中，PCnvimBr凝膠均具有良好的溶脹可逆性，且烷基側(cè)鏈微增長(zhǎng)對(duì)溶脹可逆性影響不大。PC2vimBr凝膠在超純水中達(dá)到較高的平衡溶脹率，將其轉(zhuǎn)移到0.15 mol/L NaCl的鹽溶液中時(shí)，由于凝膠內(nèi)的離子強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于外部溶液離子強(qiáng)度，凝膠內(nèi)外的滲透壓差使其迅速收縮失水，溶脹率呈直線下降趨勢(shì)，其失水量在1 h內(nèi)降到37%。完成一個(gè)溶脹循環(huán)過(guò)程需要290 min，在兩個(gè)溶脹循環(huán)后，凝膠仍然顯示出對(duì)水-鹽溶液體系交替變化的良好響應(yīng)性，這表明溶脹過(guò)程沒(méi)有破壞凝膠的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，其三維的網(wǎng)狀孔洞結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。

圖7 PCnvimBr凝膠在超純水和鹽溶液循環(huán)體系下的可逆溶脹-收縮曲線Fig 7 The reversible swelling-shrinkage curve of PCnvimBr under the circulation system of ultrapure water and salt solution

2.6 環(huán)丙沙星的體外控制釋放研究

基于PCnvimBr凝膠載體在弱堿性條件下具有強(qiáng)pH刺激響應(yīng)性，選擇腸道殺菌藥物環(huán)丙沙星(CIP)作為體外釋藥的模型藥物，在不同人體模擬液下CIP的控制釋放結(jié)果見(jiàn)圖8。研究表明，在模擬腸液(pH=7.4)中，PCnvimBr(n=2,4,6)10 h的釋放量分別為67.78%，47.882%和20.06%，可見(jiàn)PC2vimBr的緩釋效果更好，因?yàn)殚L(zhǎng)烷基鏈?zhǔn)菇宦?lián)緊密，分子難以進(jìn)出凝膠內(nèi)部，緩釋效果變差。圖8(c)表示PCnvimBr凝膠在模擬胃液(pH=1.2)中釋放藥物量整體較低，1 h內(nèi)由于表面藥物的釋放，釋藥率約5%，因?yàn)樵谀M胃液中的溶脹率較低，使釋藥非常緩慢。相比而言，PCnvimBr載藥凝膠在pH=7.4的模擬腸液中累積釋放率更高，表明凝膠中包覆的藥物可以在弱堿性的大腸、結(jié)腸和直腸粘膜的基本環(huán)境中選擇性釋放。

圖8 不同pH條件下環(huán)丙沙星的體外釋放曲線 (a) pH=7.4; (b) pH=6.8和(c) pH=1.2Fig 8 In vitro release curves of ciprofloxacin under different pH conditions (a) pH=7.4; (b) pH=6.8; (c) pH=1.2

3 結(jié) 論

通過(guò)自由基聚合法成功制備了3種聚咪唑類(lèi)離子液體凝膠(PCnvimBr，n=2,4,6)。PCnvimBr凝膠具有良好的pH/鹽刺激雙敏感性以及溶脹可逆性，相比之下，PC2vimBr凝膠在pH=7.4弱堿性條件下的刺激響應(yīng)性最為明顯。在體外控制釋藥實(shí)驗(yàn)中，PCnvimBr凝膠對(duì)環(huán)丙沙星表現(xiàn)出良好的緩釋效果，此類(lèi)凝膠有望作為一種新型的腸道殺菌類(lèi)藥物控制釋放載體。