碳纳米管对镁合金基体上钙磷/壳聚糖膜层释药性能的影响①

张 杰，迟艳侠，郭晓玲，焦淑清，张向宇

(1.佳木斯大学药学院，黑龙江 佳木斯 154007;2.哈尔滨工业大学化工学院，黑龙江 哈尔滨 154001;3.佳木斯大学口腔医学院，黑龙江 佳木斯 154002)

碳纳米管对镁合金基体上钙磷/壳聚糖膜层释药性能的影响①

张 杰1,2，迟艳侠3，郭晓玲1，焦淑清1，张向宇1

(1.佳木斯大学药学院，黑龙江 佳木斯 154007;2.哈尔滨工业大学化工学院，黑龙江 哈尔滨 154001;3.佳木斯大学口腔医学院，黑龙江 佳木斯 154002)

目的：研究碳纳米管对镁合金基体上钙磷/壳聚糖膜层负载的庆大霉素在模拟体液中释放性能的影响。方法：采用浸渍法分别将庆大霉素负载在钙磷/壳聚糖膜层和钙磷/壳聚糖/碳纳米管膜层中，采用紫外分光光度法测定庆大霉素在模拟体液中的释放浓度。结果：镁合金基体上钙磷/壳聚糖膜层负载碳纳米管后，膜层中庆大霉素负载量增加、庆大霉素释放速度降低。结论：碳纳米管有效改善了镁合金基钙磷/壳聚糖骨材料的释药性能。

镁合金；羟基磷灰石；壳聚糖；碳纳米管；庆大霉素

镁及镁合金作为骨植入材料表现出优异的性能，但镁合金在人体环境中存在降解速度过快以及生物活性差等不足。从自然骨结构出发，将羟基磷灰石(骨骼和牙齿的无机成分)和壳聚糖(类似骨骼的有机成分)涂覆于镁合金基体上，可以解决此问题。碳纳米管是一种重要的组织工程材料，可以增加脆性羟基磷灰石生物陶瓷基质的强度和耐磨性，其特有的纳米结构孔壁利于细胞的黏附和增殖，其较高的热传导性可诱导羟基磷灰石在碳纳米管表面成核和沉积从而加速骨的生长[1～3]。据估计每个细胞以每秒一个碳纳米管的速度可吞噬70000个，尽管碳纳米管的细胞毒性仍有争议，但是碳纳米管对骨细胞是生物相容的、对骨组织没有任何毒性[4]。因此，碳纳米管通常作为次级组分加入到生物活性涂层中。另外，骨折患者因细菌感染和软骨组织损伤会呈现出很高的感染风险，植入异体带来的骨感染也是很难治愈的。众所周知，庆大霉素负载的骨植入材料在外科手术中可以降低感染率，并且局部使用抗生素可以到达很高的局部血药浓度而对体系不会产生毒性[5～7]。基于此，本实验制备负载庆大霉素的可降解镁基钙磷/壳聚糖/碳纳米管新型骨组织工程支架材料，研究钙磷/壳聚糖膜层中添加碳纳米管对膜层中庆大霉素释放性能的影响。

1 仪器和材料

DH1718E-4型稳压稳流电源(北京大华无线电仪器厂)；756P紫外分光光度计(上海光谱仪器有限公司)；无水碳酸钠，四硼酸钠，氢氧化钾，硅酸钠，磷酸氢二铵，硝酸钙，氨水，无水乙醇，冰乙酸，壳聚糖，磷酸二氢钠，磷酸氢二钠，环氧树脂，聚酰胺树脂，均为分析纯；AZ91D镁合金(保定市东启镁合金型材有限公司)；硫酸庆大霉素标准品(上海晶纯生化科技股份有限公司)，硫酸庆大霉素注射液(河南辅仁杯庆堂制药有限公司)；多壁碳纳米管(广州延瑞化工有限公司)，直径50～70nm，长度5～12nm，使用前先经浓硝酸活化处理，再经超声分散和微孔滤膜过滤除去杂质。

2 实验方法

2.1 镁合金基体上钙磷/壳聚糖/碳纳米管膜层的制备

采用电泳沉积技术在AZ91D镁合金基体上制备复合膜层。如前期实验所述[8,9]，超声条件下在200mL醋酸水溶液中依次加入0.25g壳聚糖、1.0g羟基磷灰石纳米粒子和0.1g碳纳米管(或者不加碳纳米管)，在300mL无水乙醇中加入1.5g nHA纳米粒子，混合两溶液，再超声1.5h、陈化24h；经前处理和微弧氧化后的AZ91D镁合金作为阴极，涂覆铱钽钛合金片作为阳极，在40V电压下进行电泳沉积。最后，将电泳沉积所制备的试样在37℃温度下于磷酸盐缓冲液中浸泡5d，得到AZ91D镁合金基钙磷/壳聚糖/碳纳米管或AZ91D镁合金基钙磷/壳聚糖试样，经清洗和干燥后备用。

2.2 钙磷/壳聚糖/碳纳米管膜层负载庆大霉素

在37℃条件下，将上述电泳沉积所制备的AZ91D镁合金基钙磷/壳聚糖和AZ91D镁合金基钙磷/壳聚糖/碳纳米管两种试样分别置于100mL含一定体积庆大霉素的PBS(磷酸盐缓冲液)中浸泡5d，每天更换一次溶液，得到负载庆大霉素的AZ91D镁合金基钙磷/壳聚糖和AZ91D镁合金基钙磷/壳聚糖/碳纳米管两种浸渍载药试样。

2.3 膜层中庆大霉素的释放

2.3.1 庆大霉素标准曲线

精密称取庆大霉素标准品0.2427g置于25mL容量瓶中，加水分别制成9.7080mg/L、3.8832mg/L、1.5533mg/L、0.6213mg/L、0.2485mg/L和0.0994mg/L的溶液。然后，用水作参比，采用紫外分光光度计在197 nm处测定各溶液的吸光度，由此得到标准曲线[10]。以浓度C(mg/L)作横坐标，吸光度A为纵坐标，得回归方程，R=0.9992，n=6。

2.3.2 稳定性实验

精密量取庆大霉素注射液2mL于1000mL容量瓶中，并定容至刻度，再取此溶液1mL并稀释至1000mL，根据2.3.1项下方法测定0h、1.5h、2.5h、4h、5h和6h时各溶液吸光度。结果表明：各庆大霉素溶液在6h内其吸光度基本没有发生变化，稳定性良好。

2.3.3 加标回收率实验

精密量取2.3.2项下1mL庆大霉素稀释液四份，分别加入33.8832mg/L、1.5533mg/L、0.6213mg/L和0.2485mg/L的庆大霉素标准品溶液各1mL，根据2.3.1项下方法测定各溶液吸光度，并将吸光度值代入标准曲线方程。重复操作4次，平均回收率为99.1%。

2.3.4 庆大霉素体外释放实验

在37℃条件下，分别将负载庆大霉素的AZ91D镁合金基钙磷/壳聚糖和AZ91D镁合金基钙磷/壳聚糖/碳纳米管两种浸渍试样置于250mL m-SBF中进行药物释放，根据2.3.1项下方法测定不同时间点释放介质的吸光度。

3 结果与结论

3.1 钙磷/壳聚糖/碳纳米管载药膜层的制备

本实验通过测定膜层浸渍液的吸光度来分析骨材料中庆大霉素的含量。AZ91D镁合金基钙磷/壳聚糖和AZ91D镁合金基钙磷/壳聚糖/碳纳米管两种试样在不同庆大霉素含量的PBS中浸渍负载后，

其膜层中释放的庆大霉素的吸光度与PBS中庆大霉素的体积百分含量之间的关系见图1。

图1 两种试样膜层中释放的庆大霉素的吸光度与PBS中庆大霉素的体积含量之间关系

由图1可知，两种试样复合膜层中释放的庆大霉素吸光度值随PBS浸泡液中庆大霉素体积百分数的增多而增加，即两种浸渍载药试样膜层中庆大霉素的负载量随浸泡液中庆大霉素浓度的增加而增加。而且，当释放介质中庆大霉素注射液体积含量高于6%时，两种试样膜层中释放的庆大霉素吸光度值变化不大，说明此时浸渍载药效果已经比较理想。因此，在此条件下制备负载庆大霉素的AZ91D镁合金基钙磷/壳聚糖和AZ91D镁合金基钙磷/壳聚糖/碳纳米管两种浸渍载药试样。

3.2 钙磷/壳聚糖/碳纳米管膜层的释药性能

表1是两种试样膜层中庆大霉素在m-SBF中释放浓度随时间的变化关系。

表1 m-SBF中庆大霉素释放浓度随时间的变化

由表1可见，在1d内，两种试样中庆大霉素呈崩发式释放，庆大霉素浓度急剧增加，2～5d时m-SBF中庆大霉素的释放浓度稍微降低。并且，浸泡时间<5d时，AZ91D镁合金基钙磷/壳聚糖膜层中庆大霉素的释放速度大于AZ91D镁合金基钙磷/壳聚糖/碳纳米管试样，原因是：采用浸渍法负载药物时，钙磷/壳聚糖膜层主要依靠范德华力将庆大霉素分子吸附于膜层中，药物与膜层之间作用力较弱；然而，当钙磷/壳聚糖膜层中添加碳纳米管后，由于碳纳米管的空间网状结构和存在局部点缺陷从而使复合膜层的比表面积和活性位置均增加，因此添加碳纳米管的膜层与庆大霉素的作用力增强，庆大霉素释放速度降低。对于钙磷/壳聚糖膜层，5d时膜层中庆大霉素基本释放完全，m-SBF中庆大霉素的释放浓度随时间的延长而不再增加。对于钙磷/壳聚糖/碳纳米管膜层，庆大霉素在整个浸泡周期内一直持续释放，具体地，<15d时m-SBF中庆大霉素的释放浓度增加较快，>15d时庆大霉素释放浓度增加缓慢。另外，浸泡15d后两种试样在m-SBF中释药浓度的大小顺序是：AZ91D镁合金基钙磷/壳聚糖/碳纳米管>AZ91D镁合金基钙磷/壳聚糖，表明钙磷/壳聚糖膜层中添加碳纳米管后，其载药量增加。

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The effects of carbon nanotubes on drug release behavior of calcium phosphate/chitosan coating on magnesium alloy substrate

ZHANGJie1,2,CHIYan-xia3,GUOXiao-ling1,JIAOShu-qing1,ZHANGXiang-yu1

(1.Pharmacy College of Jiamusi University, Jiamusi 154007, China; 2.School of Chemistry Engineering and Technology, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China; 3.Oral Medicine College of Jiamusi University, Jiamusi 154002, China)

Objective: To study the effect of carbon nanotubes on release behavior of gentamicin loaded in calcium phosphate/chitosan coating on the magnesium alloy substrate in simulated body fluid. Methods: Gentamicin was loaded in the calcium phosphate/chitosan coating and calcium phosphate/chitosan/carbon nanotubes coating by immersion method, respectively. The concentration of gentamicin in simulated body fluid was determined by UV spectrophotometry. Results: Carbon nanotubes were added into the calcium phosphate/chitosan coating on the magnesium alloy substrate. Loading amount of gentamicin in calcium phosphate/chitosan coating was increased, and the release rate of gentamicin was decreased. Conclusion: Carbon nanotubes effectively improved a releasing drug performance of the calcium phosphate/chitosan coating on magnesium alloy substrate.

magnesium alloy; hydroxyapatite; chitosan; garbon nanotubes; gentamicin

黑龙江省教育厅科学技术研究项目，编号:12541796；黑龙江省卫生厅科学技术研究项目，编号:2013225；佳木斯大学科学技术面上项目，编号:L2012-086。

张杰(1979～)女，黑龙江嫩江人，讲师。

R318.08 文献识别码：A

1008-0104(2015)01-0006-02

2014-12-08)