pH敏感型双模型介孔SiO2的制备及其对布洛芬的缓控释性能

郭月月，白诗扬，孙继红

（北京工业大学 化学环境与能源工程学院，北京100124）

近年来，pH敏感型聚合物已成为药物缓控释体系的研究热点。虽然其具有良好的生物相容性［1］和环境敏感性，但是较低的载药量限制了其广泛应用。新型双模型介孔SiO2纳米材料（BMMs）由于具有高比表面积（～1000m2／g）和大孔容积（～3.5cm3／g），以及易官能团化的介孔表面的特点［2］，已成为最具潜力的药物缓释载体之一。本课题组前期的研究结果［3－6］表明，BMMs虽然通过表面官能化能够显著提高载药量，同时对药物分子的缓释性能也起到明显改善作用，但是对人体生理刺激信号（如pH值和温度）并不具备感知和应答能力。因此，如果将BMMs的高载药性与pH值敏感型材料的刺激响应性相结合，就有可能构建出新型智能化药物控释体系。基于这些设想，笔者通过两步法制备了pH值敏感型聚合物葡聚糖－聚 丙 烯 酸 （Dex－PAA）包 裹 的 双 模 型 介 孔SiO2（BMMs）纳米复合材料（D－P／BMMs），并采用XRD、SEM、FT－IR、TG、N2－吸附－脱附等分析手段对其进行了结构表征。同时，以布洛芬（IBU）为模型药物，详细考察了D－P／BMMs对IBU的装载以及在磷酸盐缓冲溶液（PBS）体系中pH值敏感控释行为。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

葡聚糖（相对分子质量20000）、硝酸铈铵（CAN，AR）、丙烯酸（AA）、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB，AR）、正硅酸乙酯（TEOS，AR），国药集团化学试剂有限公司产品；N－N－亚甲基双丙烯酰胺（MBA，AR），国药集团化学试剂有限公司产品，用无水甲醇重结晶；3－（2－氨基乙基氨基）丙基三甲氧基硅烷（NN－TES，95%，AR），Alfa Aesar公司产 品；硝 酸 （HNO3，68%，AR）、 氢 氧 化 钠（NaOH，AR）、三氯甲烷（CHCl3，AR）、无水乙醇（AR），北京化工厂产品；透析袋（截留相对分子质量14000），北京康碧泉生物科技有限公司产品。

德国Bruker／AXS公司D8ADVANCE型X射线粉末衍射仪，CuKα辐射（λ＝0.154nm），镍滤波，管电压35kV，管电流35mA，扫描速率0.5min－1。日本日立公司S－4300型扫描电子显微镜，加速电压15kV，分辨率9mm，放大倍率×100000。TENSOR－27型傅里叶红外光谱仪，KBr压片，测量范围4000～400cm－1。Perkin－Elmer Pyris1型热分析仪，N2气氛，流速20mL／min，升温 速 率 10℃／min， 最 高 温 度 800℃。 美 国Micromeritics公司TriStarⅡ3020型自动比表面和孔隙率测定仪。美国Agilent Technologies 1200 series高效液相色谱，色谱柱Extend－C18，4.6mm×150mm，粒径5μm，甲醇流动相，pH＝3.0的磷酸盐缓冲液（体积比为3∶1）。日本Shimadzu UV－2450紫外分光光度计，范围200～800nm，狭缝宽度2nm，扫秒间隔0.5nm。

1.2 实验方法

1.2.1 聚合物 D－P的制备

在三颈烧瓶中将1.25g葡聚糖溶于50mL去离子水中。将0.27g硝酸铈铵（CAN）溶于1.25mL 0.1mol／L的稀硝酸中，然后将此溶液注入三颈烧瓶中引发葡聚糖链产生自由基；5min后加入4.7mL丙烯酸，20min后加入1.07gN－N－亚甲基双丙烯酰胺（MBA），N2保护下，30℃反应4h。反应结束后，以1mol／L的NaOH调节体系pH值至中性，用无水乙醇沉淀，抽滤，所得样品于40℃下真空干燥。得到葡聚糖－聚丙烯酸共聚物（D－P）。

1.2.2 BMMs的合成及官能化［2，6］

官能团化的BMMs表示为NN－BMMs。

1.2.3 NN－BMMs对药物布洛芬（IBU）的装载

将2g NN－BMMs分散于50mL布洛芬的乙醇溶液中，其中布洛芬的质量浓度为40mg／mL。常温搅拌48h，抽滤，并用无水乙醇洗涤，最后将样品真空干燥，即得到载药后的介孔纳米材料I／NNBMMs，滤液稀释定容，用HPLC法测定峰面积，计算载药量。

1.2.4 聚合物 D－P包裹I／NN－BMMs

将一定量的聚合物D－P分散于50mL去离子水中，加入0.5g I／NN－BMMs，使m（D－P）／m（I／NNBMMs）＝2。常温搅拌48h，然后旋转蒸发，用去离子水洗涤表面，真空干燥，得到包裹后样品D－PI／NN－BMMs。

1.2.5 药物布洛芬的释放

于pH＝2.0（50%乙醇，50%PBS缓冲液）和pH＝7.4（50%乙醇，50%PBS缓冲液）的释放介质中进行布洛芬的释放实验。将 D－P－I／NN－BMMs压片，置于一定体积释放液中（每个释放体系布洛芬完全释放浓度为0.15mg／mL），维持恒温水浴震荡。间隔一定时间移取1mL释放液并测定其吸光度，同时向药物释放体系加入1mL释放介质以维持释放体系体积不变。

2 结果与讨论

2.1 制备的装载布洛芬pH敏感型纳米复合材料（D－P－I／NN－BMMs）的表征结果

2.1.1 XRD分析

图1为 D－P－I／NN－BMMs及相关样品的 XRD谱。从图1可以看出，样品BMMs在2θ＝2.1°处出现明显的（100）晶面衍射峰，说明其具有高度有序的介孔结构［2］；表面官能化后，样品NN－BMMs同样具有（100）晶面衍射峰，说明氨基化后样品仍然保持了有序的介孔结构，但是峰强度降低说明介孔结构的有序性有所下降。除此之外，与BMMs比较，NN－BMMs的（100）衍射峰对应的2θ角向大角方向偏移，由2.10°移至2.22°，相应的d值由4.20nm减小至3.98nm，这一变化说明了NN基团成功嫁接进入 BMMs的介孔表面［3，7－8］。装载布洛芬后的样品I／NN－BMMs的（100）晶面衍射峰强度明显降低，且2θ角由2.22°增大到2.26°，d值减小至3.91nm，说明药物分子成功载入BMMs的介孔孔道［6］，从而引起孔道结构的有序度降低。包裹聚合物D－P后样品 D－P－I／NN－BMMs的（100）晶面衍射峰强度显著下降，相 应 的 2θ角 移 至 2.34°，d值 减 小 至3.77nm，这是由于I／NN－BMMs表面被聚合物包裹，或部分孔道被聚合物进一步填充，降低了BMMs孔道和孔壁间的散射衬度所致［9－12］，这一结果也说明聚合物D－P已成功负载于BMMs上。

图1 D－P－I／NN－BMMs和相应样品的XRD谱Fig.1 XRD patterns of D－P－I／NN－BMMs and related samples

2.1.2 SEM 分析

图2 给 出 了 D－P－I／NN－BMMs及相 关 样 品 的SEM照片。从图2可以看出，BMMs具有50nm左右的球形颗粒［3，5－6］。官能化、载药及聚合物包裹BMMs后的样品仍具有类似BMMs的形貌和尺寸，说明载药以及聚合物包裹后并没有破坏BMMs的形貌和颗粒尺寸。

图2 D－P－I／NN－BMMs及相关样品的SEM 照片Fig.2 SEM images of D－P－I／NN－BMMs and related samples

2.1.3 FT－IR分析

图3为 D－P－I／NN－BMMs及相关样品的 FT－IR谱。由图3可知，除布洛芬和聚合物D－P外，其余样品均在1080cm－1、800cm－1处出现代表Si—O—Si不对称伸缩振动和对称伸缩振动的吸收峰［13］，以及在965cm－1处出现Si—OH 伸缩振动峰［4］。此外，BMMs经过NN基团表面官能化后的样品NNBMMs在2946cm－1处出现了烷基的伸缩振动峰，装载布洛芬后的样品I／NN－BMMs出现了布洛芬的吸收特征峰，其中1707cm－1对应于C＝O伸缩振动，1508和1396cm－1对应于苯环C＝C和C—H的伸缩振动［14］；样品 D－P－I／NN－BMMs在1547cm－1处出现了D－P的—COOH的不对称伸缩振动特征峰［15］，也可以说明D－P成功包裹于I／NN－BMMs。

图3 D－P－I／NN－BMMs及相关样品的FT－IR谱Fig.3 FT－IR spectra of D－P－I／NN－BMMs and related samples

2.1.4 TG分析

图4为 D－P－I／NN－BMMs及相关样品的 TG 曲线。从图4可以看出，BMMs的总质量损失率为2.2%，150℃之前为孔道内物理吸附水的质量损失，在相对较高的温度区间内（150～600℃）的质量损失不明显，对应于孔道表面硅羟基的缩合脱水［16］；样品NN－BMMs的总质量损失率明显增加（约20.5%），其中在150℃之前的质量损失过程对应于孔道内物理吸附水的流失（3.9%），第2个质量损失峰出现在温度范围150～375℃之间，质量损失率大约为7.2%，这一质量损失过程主要归属于连接在介孔表面的NN基团端位氨基的分解［17］；当温度继续升高至780℃时，孔道内剩余的NN基团以及烷基链和氨基链完全脱附或分解［17］。样品I／NNBMMs的总质量损失率增大到33.5%，150℃之前为脱水过程（1.2%），150～250℃左右为孔道内装载的布洛芬的分解（4%）［18］，随后在250～375℃温度范围内出现了与布洛芬相互作用的端位氨基的分解过程（5.3%）；随着温度进一步升高至772℃，残留在表面的链氨基和烷基链全部分解。样品D－P－I／NN－BMMs总的质量损失率增加至42.1%，250℃之前的失重行为主要与孔道内以及聚合物吸附水的脱附和布洛芬的分解有关，250～600℃范围内出现的质量损失过程（28%），则主要归属于嫁接在BMMs表面的聚合物和NN基团的分解。

图4 D－P－I／NN－BMMs及相关样品的TG曲线Fig.4 TG curves of D－P－I／NN－BMMs and related samples

2.1.5 N2吸附－脱附分析

图5给出了 D－P－I／NN－BMMs及相关样品的低温N2吸附－脱附及其孔径分布曲线。从图5可以看出，所有样品均呈现典型的IV型等温吸附曲线［2］，而且分别在相对压力为0.3～0.5和0.7～0.9范围内出现明显的2个滞后环，对应于孔分布具有双孔结构，说明经官能化，载药及包裹后的样品具有与BMMs类 似 的 结 构 性 能［6，19］。 但 是 NN－BMMs的N2饱和吸附量明显下降，这主要是由于官能化后BMMs的比表面积和孔容积减小，两者分别由官能化 前 的 1138m2／g 和 1.46m3／g（BMMs）降 至642m2／g和0.80m3／g（NN－BMMs）。同时 BMMs的一级最可几孔径从2.73nm明显减小到2.1nm，而堆积孔孔径基本未变（约16.3nm），说明NN基团主要进入BMMs的一级介孔中。装载布洛芬后的样品I／NN－BMMs的比表面积、孔容积继续降低（183m2／g、0.48cm3／g），并且一级孔孔径已经缩小至不足2.1nm，而堆积孔仍维持不变（16.0nm），在一定程度上进一步说明了布洛芬的成功负载。聚合物包裹后的 D－P－I／NN－BMMs的比表面积和孔容积分别减小至82m2／g和0.28cm3／g，表明聚合物D－P已成功包裹到BMMs上，与XRD分析结果一致。

图5 D－P－I／NN－BMMs及相关样品的低温 N2吸附－脱附曲线及相应的孔分布（插图）Fig.5 N2adsorption－desorption isotherms and pore size distribution of D－P－I／NN－BMMs and samples

2.2 布洛芬的装载与释放

采用高效液相色谱法测定BMMs的布洛芬装载率为17.72%，包裹D－P过程中由于布洛芬有一定的流失，包裹后复合材料的载药率按式（1）计算得15.06%，仍然保持了良好的载药性能。

式（1）中，L（BMMs）为改性后BMMs的载药率，%；m（I／NN－BMMs）为包裹过程中加入I／NN－BMMs的质量，mg；m（leakIBU）为包裹过程中流失药物的质量，mg。

图6为I／NN－BMMs和 D－P－I／NN－BMMs样品在pH＝2.0和7.4的PBS中的释放曲线。由图6可以看出，IBU 在 D－P－I／NN－BMMs材料中的释放具有pH敏感性，并且释放速率和累积释放量与包裹前相比均减小。在pH＝7.4的PBS中，I／NNBMMs在1h内有近64%的药物释放，随着时间的延长，其释放量逐渐增加，24h释放完全；在pH＝2.0的PBS中，I／NN－BMMs在24h累积释放率达89%，这是由于IBU在酸性溶液中的溶解度比在碱性中小［6］，从而导致药物释放量减小。而包裹聚合物后的样品 D－P－I／NN－BMMs在 pH＝7.4的 PBS中的药物释放率明显高于在pH＝2.0时的；在pH＝7.4的缓冲溶液中，在1h内药物释放率为25.7%，24h释放率达46.0%，而当pH＝2.0时，24h内药物释放率仅为26.0%。一方面是由于IBU在酸性溶液中溶解度的降低，但最主要是由于在较高pH 值（＞pKa，PAA的pKa值为4.75［20］）下，聚合物Dex－PAA链中的羧基（—COOH）呈现解离状态（—COO—），而聚合物链间的静电排斥作用使得聚合物溶胀，从而使得IBU从复合材料中释放到PBS溶液中［21－22］。然而，当溶液 pH 值（＜pKa）较小时，羧基离子化程度低，聚合物中羧酸呈去离子状态（—COOH），大分子链间形成氢键，分子链收缩，使得聚合物体积收缩，大部分药物被聚合物大分子链包裹住，从而阻碍了药物的释放［15，21－22］。由此可知，聚合物D－P成功包裹到I／NN－BMMs上，从而使IBU被有效地限制在D－P－I／NN－BMMs介孔结构中，表现出良好的pH敏感控释性。

图6 I／NN－BMMs和 D－P－I／NN－BMMs在PBS中的释放曲线Fig.6 IBU－release profiles of I／NN－BMMs and D－P－I／NN－BMMs in PBS

3 结 论

（1）通过两步法将低载药量但具有pH敏感性的聚合物包裹到双模型介孔SiO2纳米材料上，制备出了pH敏感型高载药量的纳米复合材料。

（2）氨基官能化以及聚合物的包裹虽然对BMMs的介孔有序度造成了一定的影响，但仍保持了介孔结构。

（3）以IBU为模型药物，pH敏感型高载药量的纳米复合材料的载药率达到15.06%，且其在pH＝7.4的PBS介质中释放率达46%，明显高于在pH＝2.0中的释放率（大约26%），同时实现了高载药量和pH值可控释放。可见，该纳米复合材料是一种很好的药物控释载体，具有很好的应用前景。

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