凹凸棒石_壳聚糖载药微球的制备及性能_房佳慧.pdf

-23-第46卷第3期 非金属矿 Vol.46 No.32023年5月 Non-Metallic Mines May,2023凹凸棒石/壳聚糖载药微球的制备及性能房佳慧 杨 喆 纪新元 许雨婷 胡 盛*（湖北民族大学 化学与环境工程学院，生物资源保护与利用湖北省重点实验室，湖北 恩施 445000）摘 要 采用乳化交联法制备了凹凸棒石/壳聚糖复合微球(ATP/CS)，利用形状系数优化了复合微球的制备条件，以盐酸四环素为模型药物，制备了凹凸棒石/壳聚糖复合载药微球。结果表明，当搅拌速度为 400 r/min，油水比为 31，凹凸棒石与壳聚糖质量比为 13，pH 值为 10，交联温度为 70 时，制备的凹凸棒石/壳聚糖复合微球形状系数较好，为 0.996 2。凹凸棒石与壳聚糖的含氧基团和氨基等发生了相互交联和静电作用，使得复合微球表面光滑、规整且结构更加致密，在 pH 为 6.8 时，具有较好的溶胀性能。通过凹凸棒石的复合，凹凸棒石/壳聚糖复合载药微球的载药率为 18.7%，包封率为 69.1%，较纯壳聚糖微球分别提高 44.96%、25.87%，对盐酸四环素的释放机理符合 Higuchi 动力学模型，以扩散为主并伴随微球骨架溶蚀。关键词 壳聚糖；凹凸棒石；微球；形状系数；释药性能中图分类号：TB324；R944.9文献标志码：A文章编号：1000-8098(2023)03-0023-06Preparation and Performance of Attapulgite/Chitosan Drug-Loaded MicrospheresFang Jiahui Yang Zhe Ji Xinyuan Xu Yuting Hu Sheng*(Key Laboratory of Biologic Resources Protection and Utilization of Hubei Province,School of Chemical and Environment Engineering,Hubei Minzu University,Enshi,Hubei 445000)Abstract The attapulgite/chitosan composite microspheres were prepared by emulsion crosslinking method,and the preparation conditions of composite microspheres were optimized by shape coefficient.Tetracycline hydrochlorid was seleted as a model drug,and the attapulgite/chitosan composite microspheres were prepared by emulsion crosslinking method.The results showed that when the stirring speed was 400 r/min,the ratio of oil to water was 31,the mass ratio of attapulgite to chitosan was 13,the pH value was 10 and the crosslinking temperature was 70,the shape coefficient of attapulgite/chitosan composite microspheres was 0.996 2.The surface of the composite microspheres was smooth,regular and more compact because of the cross-linking and electrostatic interaction between attapulgite and chitosan with oxygen-containing group and amino group.And it has better swelling property at pH of 6.8.With the addition of attapulgite,the drug loading of attapulgite/chitosan composite microspheres was 18.7%,and the encapsulation efficiency was 69.1%,which were 44.96%and 25.87%higher than that of pure chitosan microspheres,respectively.The release mechanism of tetracycline hydrochloride was in accordance with Higuchi kinetic model,which was dominated by diffusion and accompanied by dissolution of microsphere skeleton.Key words chitosan;attapulgite;microspheres;shape coefficient;drug-releasing performance盐酸四环素具有抗菌、抗寄生虫作用，是广谱抗菌药物1-2，临床上广泛用于衣原体感染、支原体肺炎等，在牙周病的治疗中具有较好的抑菌效果。载体能够延长盐酸四环素的释放时间，并在牙周局部保持稳定的高浓度，从而能够减少用药次数，发挥长效抗菌作用，提高盐酸四环素的治疗效果。微球因具有提高药物稳定性和靶向性、控制药物释放速度、降低毒性掩盖药物不良气味等特点，成为研究热点3-4。壳聚糖（CS）是天然多糖中的阳离子弱碱性多糖，含有游离的氨基，可被 H+质子化，形成聚阳离子高分子，具有天然的广谱抗菌性、安全无毒、生物相容性和可降解性，可作为药物载体材料控制药物释放、延长药效、降低毒副作用5。目前研究多将抗癌药、抗生素等药物负载在壳聚糖微球上制成缓释药物6-8，但纯 CS 微球结构疏松，溶胀易破裂，不能很好满足药物缓释的要求9。CS 分子含有大量羟基及氨基，可通过较强的氢键和化学修饰在 CS 分子结构中引入功能性官能团，从而提高其性能，扩宽使用领域10-11。研究表明，矿物材料作为填料，能显著提高壳聚糖微球的成球性、载药率和包封率，有效控制药物的释放，改善其释药性能12-14。凹凸棒石（ATP）是一种典型的链层状镁铝硅酸盐天然矿物，具有天然一维纳米结构，比表面积大，富含活性中心，特殊的孔道结构使其有包埋药物的天然优势，常作为缓控释材料使用15-16。吴洁等17发现将无机黏土与天然高分子材料共混制备无机/有机复合材料可以发挥两者的协收稿日期：2023-03-22基金项目：湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队项目（T2022019）；湖北民族大学研究生教育创新项目（MYK2023002）。*通信作者，E-mail：:。-24-第46卷第3期 非金属矿 2023年5月同增效作用。本试验以壳聚糖为基质材料，凹凸棒石为无机填料，采用乳化交联法制备凹凸棒石/壳聚糖微球（ATP/CS），并 以 盐 酸 四 环 素 为 模 型 药 物 制 备凹凸棒石/壳聚糖复合载药微球，探讨搅拌速度、油水比、凹凸棒石和壳聚糖质量比、pH、交联温度等对凹凸棒石/壳聚糖微球的形状系数影响，利用傅里叶变化红外光谱和扫描电子显微镜对微球的微观结构进行表征，研究复合载药微球的释药性能，以其用于拓宽壳聚糖微球的使用范围。1 试验部分1.1 原料及试剂 凹凸棒石高黏矿，工业级，江苏省盱眙县产，提纯处理后用 200目（74 m）筛子过筛。壳聚糖，脱乙酰度 80%95%，黏度 50800 mPas，乙酸不溶物小于等于 1.0%；液体石蜡，分析纯；石油醚，6090，分析纯；乙酸，分析纯，36%水溶液；无水乙醇，分析纯；司班 80，化学纯；甲醛，分析纯；戊二醛，优级纯；磷酸二氢钾，分析纯；氢氧化钠，分析纯。上述试剂均购自国药集团化学试剂有限公司。盐酸四环素，达到美国药典（USP）级，纯度大于等于 97.5%，阿拉丁试剂公司；浓盐酸，武汉市中天化工有限公司。1.2 凹凸棒石/壳聚糖微球及载药微球的制备 正交试验因素水平，见表 1。表 1 正交试验因素水平因素搅拌速度/(r/min)油水比 m凹凸棒石m壳聚糖pH 交联温度/140011137402500211485036003115960470041161070称取 1.2 g 壳聚糖粉末放入三口烧瓶，倒入 25 mL 体积分数为 2%的乙酸溶液，电动搅拌，根据表 1试验设计加入凹凸棒石粉末，在 40 恒温搅拌 1 h；加入 25、50、75、100 mL 液体石蜡作为油相和 5%油相用量的司班 80 作为乳化剂，搅拌 1 h，然后加 2.5 mL 甲醛升温至 60 以一定速度搅拌 1 h 固化。按表 1 设计控制交联温度，加入 2 mL 交联剂戊二醛，并采用氢氧化钠调节 pH 值，电动搅拌反应 3 h，静置分层，分别用石油醚、无水乙醇洗涤，真空干燥 48 h，即采用乳化交联法制得凹凸棒石/壳聚糖微球。在上述方法步骤中，将“凹凸棒石”替换为“凹凸棒石和50 mL 20 g/mL 盐酸四环素溶液”，按上述制备过程即得载药微球。1.3 微观结构表征 美国热电尼高力仪器公司Avatar370 型采用傅里叶变换红外光谱仪分析复合材料组成；采用日本电子株式会社 JSM-6510LV 型扫描电子显微镜观察复合材料的微观形貌。1.4 药物负载及释放性能测试1.4.1 形状系数测试：以扫描电子显微镜拍摄的微观形貌图为基础，统计图中所有微球的最短粒径和最长粒径，形状系数=微球的最短粒径/微球的最长粒径，通过计算取平均值。1.4.2 溶胀性能测试：微球的溶胀性能用溶胀率评价。取一定质量(m1)干微球放入装有 100 mL 不同pH 值缓冲溶液的三口烧瓶中，置于 37 恒温水浴，每隔一段时间取出微球，用滤纸吸干表面水分，称重(m2)，溶胀率（Sw）计算式，见式（1）。Sw=(m2-m1)/m1100%（1）1.4.3 载药率和包封率测试：以盐酸四环素作为模型药物，通过吸附法负载到微球上。利用紫外分光光度计在357 nm下测量盐酸四环素溶液标准曲线，见图1。图1 盐酸四环素溶液的标准曲线采用紫外分光光度计在 357 nm 下测量载药微球离心过滤后的上清液，结合标准曲线进行计算。载药率=me/mt100%，包封率=me/m0100%，其中：me为微球负载的盐酸四环素的质量，m0为加入盐酸四环素总量，mt为微球质量。1.4.4 释药性能测试：称取 0.1 g 载药微球放于透析小袋，浸入 100 mL 不同 pH 的磷酸缓冲溶液中，放入恒温振荡仪，在 100 r/min、37 条件下，每隔一定时间取样，并用 100 mL 新鲜缓冲溶液完全置换原溶液。用紫外分光光度计测定释放溶液在357 nm的吸光度，确定盐酸四环素的累积释药率，累积释药率=Rt/Ri，其中：Rt为 t 时刻释出的药物量，Ri为载入复合微球的药物总量。2 结果与讨论2.1 正交试验数据分析及微球的制备条件 利用扫描电子显微镜对按照表 1 试验设计制备的 16 组试验样品的微观结构进行拍摄，计算形状系数，结果见表 2；微观结构差异较明显的几组微球 SEM 照片，见图 2。0.20.40.60.8369121518y049 34x-0.005 78=0.2R=0.998 49吸光度质量浓度/(mg/mL)1.0-25-表 2 正交试验方案及结果编号搅拌速度/(r/min)油水比 m凹凸棒石 m壳聚糖pH交联温度/形状系数140011137400.965 7240021148500.950 4340031159600.994 44400411610700.983 9 550011149700.970 96500211310600.970 7750031167500.936 585041158400.936 39600111510500.983 91060021169400.941 01160031138700.977 41260041147600.910 81370011168600.954 51470021157700.932 915700311410400.981 51670041139500.968 4k10.9740.9690.9710.9360.956k20.9540.9490.9530.9550.960k30.9530.9720.9620.9690.958k40.9590.9500.9540.9800.966R0.0210.0230.0180.0440.010a-3号；b-7号；c-5号；d-14号图2 微球的SEM照片由表 2 数据可知，乳化交联过程中，搅拌速度对复合微球的形状系数影响较大。当搅拌速度为 400 r/min 时，复合微球的形状系数较大。原因是搅拌能克服乳化过程中油水表面张力，形成分散的液滴，当搅拌速度合适时，所形成的液滴均匀，使得形状系数较大。随着乳化剂用量的增加，复合微球的形状系数先减小后增大再减小，当油水比为31时，复合微球的形状系数最大。这是因为乳液属于不稳定体系，乳化剂用量较低时，不能有效减小界面能，乳滴相互碰撞，从而形状系数较小；随着乳化剂含量的增加，当接近临界胶束浓度时，乳滴尺寸最均匀，从而提高了微球的形状系数。随着凹凸棒石用量的增加，复合微球的形状系数呈减小趋势，当 m凹凸棒石m壳聚糖为 13 时，复合微球的形状系数最大，为 0.971。这说明加入凹凸棒石，能调控复合微球的形貌，有助于微球形成。当 pH 值为 10 时，复合微球的形状系数较大，为0.980，同时发现，其极差数据为 0.044，在 5 个影响因素中最大，说明 pH 值对微球制备影响最大，碱性条件下，更易成球。随着温度的升高，复合微球的形状系数逐渐变大，当交联温度为 70 时，复合微球的形状系数较大，为0.966。这是因为随着温度的升高，交联反应更完全。综合以上分析，当搅拌速度为 400 r/min，油水比为31，m凹凸棒石m壳聚糖为 13，pH 值为 10，交联温度为70 时，制备的凹凸棒石/壳聚糖复合微球（ATP/CS）形状系数较好，为0.996 2。2.2 微球的微观结构和溶胀性能2.2.1 红外光谱分析：ATP、CS 微球和 ATP/CS 复合微球的红外光谱图，见图3。图 3 ATP、CS 微球和 ATP/CS 微球的 FT-IR从图 3 看出，ATP 在 3 615 cm-1、3 540 cm-1、1 650 cm-1、1 032 cm-1、981 cm-1和 478 cm-1左右出现了 ATP特征吸收峰，是凹凸棒石主要鉴定谱带17，其中 3 615 cm-1和 3 540 cm-1分别为凹凸棒石 Al-Al-OH 伸缩振动峰、Mg-OH 伸缩振动峰谱带，1 650 cm-1为凹凸棒石结晶水或者吸附水的弯曲振动峰，1 032 cm-1和 981 cm-1左右的双峰为凹凸棒石的 Si-O-Si 非对称伸缩振动峰，478 cm-1左右为 Si-O-Si 对称伸缩振动峰。加入 ATP后，ATP/CS 在 1 560 cm-1和 690 cm-1左右出现 N-H 的弯曲振动峰，ATP 位于 3 615 cm-1和 3 580 cm-1的特征峰消失，CS原本在3 443 cm-1处的-NH2伸缩振动峰向3 423 cm-1偏移，位于 1 645 cm-1处的特征峰偏移到1 634 cm-18,11，且位于 1 032 cm-1和 982 cm-1处的凹凸ATP/CSCSATP4 0003 0002 0001 0003 6153 5401 0329811 0821 1621 3841 6456909821 0521 5601 634-1波数/cm0 凹凸棒石/壳聚糖载药微球的制备及性能 房佳慧，杨 喆，纪新元，等-26-第46卷第3期 非金属矿 2023年5月棒石特征峰强度明显降低，这表明凹凸棒石已负载壳聚糖的含氧基团和氨基等有机基团发生了相互交联作用。2.2.2 SEM 分析：纯 CS 微球和 ATP/CS 微球的微观形貌图，见图 4。图 4 纯 CS 微球(a)和 ATP/CS 微球(b、c、d)的SEM 照片从图 4 可看出，纯 CS 微球的表面粗糙，出现塌陷，有明显的的褶皱，有小孔隙结构（图 4a），与文献 14-15 报道一致。与 ATP 复合后，ATP/CS 微球的表面较光滑圆润，形貌规整且结构更加致密，粒径均匀，约为 220 m（图 4b），这是因为凹凸棒石表面基团与壳聚糖含氧官能团等通过氢键和静电作用增强了微球的交联密度和强度14（图 4c），防止微球表面塌陷，提高了形状系数，说明凹凸棒石能调控并改善复合微球的微观形貌，并提高复合微球的稳定性。同时，纯 CS 微球和 ATP/CS 复合微球表面均具有孔隙（图 4d），这是因为交联反应一般从外层向内部进行，外层的致密交联阻碍微球内部反应，脱水后留下了孔隙，这些结构为药物的缓释提供了结构条件，从而可通过调控制备参数达到控缓释性能。2.2.3 溶胀性能：ATP/CS 微球在不同 pH 介质中的溶胀率，见图 5。图5 不同pH条件下ATP/CS微球的溶胀率从图5可看出，微球在pH为1.2时，基本不溶胀，而在 pH 为 6.8 时，溶胀性能较好。这主要是因为，pH较小时，ATP 表面-OH 与 CS 的活性-NH2、-OH 等基团相互作用形成致密的结构，导致溶胀性能减小；在pH 为 7.4 的弱碱性条件下，壳聚糖氨基质子化趋势减弱，结构收缩，抑制微球溶胀。2.3 凹凸棒石/壳聚糖复合载药微球的释药性能2.3.1 不同 pH 对复合载药微球释药性能影响：ATP/CS和 CS 载药微球在不同 pH 条件下的累积释药率，见图 6。图6 不同pH条件下ATP/CS和CS载药微球的累积释药率从图 6 可看出，ATP/CS 和 CS 载药微球的累计释药率随着pH的增加而增加，当pH为7.4时，ATP/CS和CS 载药微球的累积释药率达到最大，分别为 34%和58%。pH 较小时，ATP 和 CS 相互作用较强，形成的结构较致密，包覆在微球内部的盐酸四环素未完全释放到缓冲体系中，微球的累积释药率较低。2.3.2 复合载药微球的载药率和包封率：结合盐酸四环素溶液标准曲线计算可得，纯 CS 微球和 ATP/CS复合微球的载药率分别为 12.9%和 18.7%，包封率分别为 54.9%和 69.1%。与纯 CS 微球相比，加入凹凸棒石制备的 ATP/CS 复合微球对盐酸四环素的载药率和包封率有一定改善。这是因为凹凸棒石对盐酸四环素有一定吸附作用，可以起到固化作用，同时凹凸棒石和壳聚糖的氢键和静电作用阻碍盐酸四环素流失。2.3.3 复合载药微球的缓释动力学：为了分析复合载药微球的缓释行为18,19，分别利用零级动力学方程、一级动力学方程、Higuchi 方程和 Riger-Peppas 模型来分析释药动力学过程，计算式分别见式（2）式（5）。Mt/M=K0t+C0 （2）ln(1-Mt/M)=-K1t （3）Mt/M=KHt1/2 （4）Mt/M=KRtn （5）式中：Mt/M为药物在时间 t 药物累积释放率；C0为溶剂中药物初始浓度；K 为动力学常数，表示释放速率快慢，K 越大，释放速率越大。对凹凸棒石/壳聚糖复合载药微球的释药动力8pH2 5002 0001 5001 000500060 120 180 240 300 360 420 480 540 600pH=6.8pH=7.4pH=3.5pH=1.2溶胀率/%时间/min-27-数较好，为 0.996 2。2.凹凸棒石表面基团与壳聚糖含氧官能团等通过氢键和静电作用增强了微球的交联密度和强度，使得凹凸棒石/壳聚糖微球的表面光滑，形貌规整且结构致密，粒径均匀，约为 220 m，具有孔隙结构，为药物的缓释提供了基础。3.与凹凸棒石复合后，凹凸棒石/壳聚糖复合载药微球的载药率为 18.7%，包封率为 69.1%，比纯壳聚糖微球分别提高 44.96%、25.87%，其对盐酸四环素的释放机理符合 Higuchi 动力学模型，以扩散为主并伴随微球骨架溶蚀。参考文献:1 李莉，黄永灿，常丽，等.盐酸四环素缓释微球的制备 J.华西药学杂志，2008，23(4)：391-393.2 丁曼，王华林，姜绍通.载盐酸四环素壳聚糖缓释膜的制备 J.中国组织工程研究，2012，16(38)：7121-7125.3 CONSTANTIN M,BUCATARIU S M,DOROFTEI F,et al.Smart com-posite materials based on chitosan microspheres embedded in thermo-sensitive hydrogel for controlled delivery of drugsJ.Carbohydr Polym,2017,157:493-502.4 蔡杰慧，杨英全，谢生桃，等.层层自组装芸香叶苷海藻酸钠/壳聚 糖盐酸盐微球的制备及释药性研究 J.高分子通报，2018(5)：58-65.5 高艳，王瑄，万明，等.壳聚糖微球的制备及其在药物载体中的应用J.功能材料，2015，46(2)：02007-02012.6 张丽娜，张倩，孙珊珊，等.壳聚糖-蒙脱土插层复合材料制备甲氨蝶呤缓释微球及其体外释放的研究 J.中国药学杂志，2017，52(24)：2172-2178.7 王娟，李国宾，张保华，等.多杀霉素/壳聚糖控释微球的制备及其释药温敏性 J.农药，2019，58(4)：266-270.8 殷茂力，王英沣，任学宏.改性壳聚糖抗菌纳米微球的制备 J.高等学校化学学报，2019，40(1)：173-179.9 肖小年，刘唤，桂静芬，等.淫羊藿苷壳聚糖微球的制备及特性分析J.中国食品学报，2018，18(5)：68-76.10 张雨，张鲁琪，焦学娟，等.4A 沸石对海藻酸钠/壳聚糖微球性能的影响 J.精细化工，2019，36(3)：387-392.11 郭圆圆，季金苟，田浈桢，等.纳米缺钙羟基磷灰石壳聚糖复合微球的原位均匀制备 J.功能材料，2019，50(7)：7216-7220.12 张治斌，李刚，毛森贤，等.丝素蛋白/壳聚糖微球制备及其抗菌性能 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时，制备的凹凸棒石/壳聚糖复合微球形状系时间/min601803004200.10.20.30.40.50.6540660CSATP/CSM/Mt 时间/min601803004205400.10.20.30.40.50.60.7CSATP/CS0.10.20.30.40.50.60.0101520251/2tCSATP/CS-3.0-2.4-1.8-1.2-0.63.94.55.15.76.3CSATP/CSIn tln(M/M)t abdcM/Mt 0.70.80.9M/Mt 0.70.80（下转第 32 页）凹凸棒石/壳聚糖载药微球的制备及性能 房佳慧，杨 喆，纪新元，等-32-第46卷第3期 非金属矿 2023年5月质进行改良，可有效调控磷石膏基质渗滤液的 pH、EC 和 TDS，且显著降低渗滤液中 F-、PO43-、Mn、Cr、Cu、Pb、As、Sb 含量，各改良磷石膏基质渗滤液中以上组分含量随时间的增加而逐渐降低。2.改良磷石膏基质可有效促进黑麦草种子的萌发和生长，并降低重金属在其体内的富集，其中以60%磷石膏+5%生物质炭+10%赤泥+10%菌渣混匀，5%生石灰中间层，10%菌渣作底层（C 处理组）效果最佳。3.改良处理可显著增加磷石膏基质中细菌和真菌门丰度。其中变形菌门、拟杆菌门、厚壁菌门等细菌和子囊菌门、担子菌门、罗兹菌门等真菌的丰度显著提高。可适应各种复杂环境的变形菌门，可以有效降低基质 pH，使放线菌门所占比例显著提升，成为优势种群。这些菌群通过代谢作用可实现对磷石膏碱性的中和调控，有利于促进磷石膏生物修复。参考文献：1 SZAJERSKI P.Distribution of uranium and thorium chains radionu-clides in different fractions of phosphogypsum grainsJ.Environmental Science And Pollution Research,2020,27(13):15856-15868.2 张利珍，张永兴，张秀峰，等.中国磷石膏资源化综合利用研究进展J.矿产保护与利用，2019，39(4)：14-18.3 向仰州，刘方，巍嵬，等.磷石膏基质改良配方筛选及多年生黑麦草生长特性研究 J.北方园艺，2010(2)：90-93.4 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