掺杂 Eu3+球状介孔生物玻璃的药物缓释研究

赵大洲

(陕西学前师范学院 化学与化工系， 陕西 西安 710100)



掺杂 Eu3+球状介孔生物玻璃的药物缓释研究

赵大洲*

(陕西学前师范学院 化学与化工系， 陕西 西安 710100)

摘要：在硝酸催化作用下，通过水热法制得了稀土Eu3+掺杂的球状介孔生物玻璃 (Eu3+-SMBGs)，并研究了Eu3+-SMBGs对布洛芬(IBU)模型药物分子的装载和释放能力。样品通过X射线粉末衍射、红外光谱、扫描电子显微镜、N2吸附/脱附和荧光光谱进行了表征。结果表明：Eu3+-SMBGs具有球状形貌和多孔结构，粒径约为 80 μm，在紫外灯照射下呈现强的红光；同时，球状样品Eu3+-SMBGs具有可观的载药量和良好的药物缓释性能。载药后的样品IBU-Eu3+-SMBGs 在紫外灯照射下发红光，随着IBU释放量的增加，IBU-Eu3+-SMBGs对Eu3+的荧光淬灭效应逐步降低，而体系的发光强度随之逐步恢复，并逐渐增强。

关键词：Eu3+； 介孔生物玻璃； 光致发光； 药物缓释

生物玻璃作为一种新型的成骨活性材料，具有良好的生物键合能力，被广泛应用于骨组织的修复和再生，其化学表达式为SiO2-CaO-P2O5-MO (其中，M 代表金属元素)[1-4]。与传统生物玻璃相比，介孔生物玻璃具有较大的比表面积和孔体积，更有利于引入小分子或离子进行功能化自组装，成为研究者们关注的重点[5-7]。近年来，许多课题组采用表面活性剂作为结构导向剂合成新型有序的介孔生物玻璃。同时，除SiO2-CaO-P2O5基底保持不变外，M元素新增加了Zn2+、Cu2+、Fe3+、Eu3+等的掺杂[8-9]，使介孔生物玻璃多元功能化，不仅可以应用到生物材料领域，还能应用到催化、过滤、吸附以及光学等领域。例如，掺杂Fe3+后，介孔生物玻璃具有了良好的磁学性质，应用在肿瘤治疗以及高热处理上[10]。掺杂Eu3+后，介孔生物玻璃具有较好的光学活性，可以进行光学标记以及实时用药监测[11]。

介孔生物玻璃的形貌决定了其载药量以及界面程度，进而影响其药代动力学性质。其中，球状介孔生物玻璃与粉末和块状介孔生物玻璃相比，具有更好的光学活性以及更有利于药物缓释和骨组织重建[12]。然而，Eu3+掺杂球状介孔生物玻璃的研究相对较少，因此，本文在硝酸催化作用下，通过水热法，采用表面活性剂导向合成稀土 Eu3+掺杂的球状介孔生物玻璃(Eu3+-SMBGs)，并讨论其在药物缓释方面的应用。

1 实验

1.1试剂与仪器

三嵌段共聚物P123 (EO20PO70EO20，Aldrich)；正硅酸乙酯(TEOS，国药集团有限公司)；布洛芬(IBU，南京化学制品有限公司)；硝酸钙(Ca(NO3)2· 4H2O，北京化工厂)；硝酸(HNO3，北京化工厂)；正己烷(C6H14，国药集团有限公司)；磷酸三乙酯(TEP，C6H15O4P，国药集团有限公司)；无水乙醇 (C2H5OH，北京化工厂)；硝酸铕(Eu(NO3)3，国药集团有限公司)；以上所有试剂均为分析纯。二次蒸馏水(自制)。

样品的小角 XRD扫描采用 D8 FOCUS X射线衍射仪(德国 Bruker AXS 公司，Cu-Kα 辐射线(λ=0.154 05 nm)，测试电压为 40 kV，电流为 40 mA 扫描，扫描速度1°/min)进行测量；样品的广角XRD扫描采用SHIMADZU XRD-6000型X射线衍射仪 (Cu-Kα,λ=0.154 18 nm)，管电压 40 kV，管电流30 mA，扫速6°/min进行测量；样品的微观结构采用JEOLJSM-6700F型场发射扫描电子显微镜(加速电压30 kV)进行测量；样品的氮气吸附/脱附等温线使用自动物理吸附仪 (Micromeritics ASAP 2010 sorptometer) 测定，通过BET方法计算其比表面积和孔径分布；样品的热重分析(TGA)在 Perkin-Elmer TG-7上进行，空气气氛，升温速率为10 K/min；样品的红外数据由Nicolet Impact-410 FTIR红外光谱仪(KBr压片，室温下测量范围 400～4 000 cm-1)进行测定；载药样品的药物缓释过程通过紫外-可见吸收光谱分析，利用 TU-1901 分光光度计测量。药物释放过程中，光致激发-发射光谱在Hitachi F-4500荧光光谱仪上测量 (150 W 氙灯)，测量范围为 200～800 nm。

药物装载实验：将0.2 g Eu3+-SMBGs加入到50 mL质量浓度为60 mg/mL的布洛芬正己烷溶液中，搅拌24 h 后离心，产物用正己烷洗涤多次，并在80 ℃ 下真空干燥10 h，得到装载IBU的样品IBU-Eu3+-SMBGs。

药物释放实验：取0.2 g IBU-Eu3+-SMBGs加入到模拟体液中，在36.5 ℃下缓慢搅拌，搅拌过程中每隔一段时间取1 mL体液稀释到50 mL进行测定，同时再在原溶液中补加1 mL模拟体液。

2 结果与讨论

2.1XRD谱图、扫描电镜和能谱分析

图1a为样品Eu3+-SMBGs 的小角XRD衍射谱图。可知，在 2θ=1.0° 处出现的较强衍射峰(100)以及在 2θ=1.7°处出现的较弱宽峰(200)，与二维六方对称结构的衍射峰位基本一致，推测样品Eu3+-SMBGs具有二维六方孔道结构。图1b为样品Eu3+-SMBGs的广角XRD衍射谱图,可以明显观察到在2θ=22°处的较宽衍射峰和2θ=42.5°处的较弱衍射峰，均归属于介孔生物玻璃。同时，在2θ=28.5°、 33.0°、47.5°和56.3°处出现的衍射峰均归属于Eu3+，表明Eu3+已经掺杂到介孔生物玻璃中。图1c是样品Eu3+-SMBGs 的扫描电镜照片，可以清晰地观察到样品呈分散均匀的球状颗粒，粒径约为80 μm，其中，内部插图为样品Eu3+-SMBGs的能谱分析图，从能谱图上观察到样品存在Eu、Si、Ca、P、O五种元素的信息(C元素的信息来自于碳支持膜)，充分证明了Eu3+已经成功掺杂到介孔生物玻璃中，与XRD的分析结果相一致。图1d是样品Eu3+-SMBGs 的微观结构高分辨扫描电镜照片，可知样品Eu3+-SMBGs是由许多纳米颗粒堆积而成的，内部插图为放大倍率更高的扫描电镜照片，从图中可以清晰地看到样品具有多孔结构，与小角XRD 推测的结果相吻合。

2.2红外光谱分析

图2是样品 Eu3+-SMBGs、吸附布洛芬的 IBU-Eu3+-SMBGs 和布洛芬(IBU) 三种样品的红外光谱图。对样品 Eu3+-SMBGs而言，在3 430 cm-1和1 625 cm-1处均有很强的吸收峰，分别归属于—OH和H2O的伸缩振动峰，说明样品Eu3+-SMBGs表面存在大量的羟基，有利于Eu3+-SMBGs与IBU药物分子的结合。位于460 cm-1处的吸收峰归属于Eu3+-SMBGs中 Si—O—Si的弯曲振动峰，位于1 085 cm-1处的吸收峰归属于Eu3+-SMBGs中Si—O—Si和O—P—O的伸缩振动叠加峰。

对吸附布洛芬的IBU-Eu3+-SMBGs而言，样品Eu3+-SMBGs的特征吸收峰(1 085 cm-1和460 cm-1) 依然存在，与样品Eu3+-SMBGs相比，在3 430 cm-1和1 625 cm-1处的 —OH和H2O的伸缩振动峰基本消失，并且出现新的吸收峰，例如，在1 720 cm-1处出现—COOH伸缩振动峰以及在2 560～3 120 cm-1处出现的C—Hx吸收带。这些新的吸收峰均归属于IBU的特征吸收峰，表明IBU已经负载到Eu3+-SMBGs上。

2.3N2吸附-脱附分析

图3为样品Eu3+-SMBGs和吸附布洛芬的IBU-Eu3+-SMBGs的N2吸附/脱附等温线，内部插图为相应的孔径分布图。由图可知，两种样品均为典型的Ⅳ型等温曲线，说明两种样品均为介孔结构， 并且装载布洛芬后并未影响其介孔结构。其中，样品Eu3+-SMBGs的比表面积、孔体积和孔径分别为750 m2/g、0.65 cm3/g和8.15 nm，较大的比表面积和孔体积有利于药物分子的装载。从图中明显观察到装载布洛芬后，其比表面积、孔体积和孔径分别减小为365 m2/g、0.45 cm3/g和7.05 nm，说明药物分子已经顺利进入到样品Eu3+-SMBGs 孔道中，为缓释应用提供了前提条件。

2.4光致发光性质

图4为样品 Eu3+-SMBGs和吸附布洛芬的IBU-Eu3+-SMBGs的激发-发射荧光谱图，二者在紫外灯的照射下均可发出红色荧光。其中，样品Eu3+-SMBGs(a)在254 nm波长激发下, 发射光谱图上可以观察到Eu3+激发态产生跃迁的特征谱线[14]，以590 nm和612 nm为主要特征谱线。负载IBU后，IBU-Eu3+-SMBGs的发射光谱图中仍然存在这两条特征谱线(b)，依据这一发光特性可以实时监测药物分子的释放程度。

2.5Eu3+-SMBGs的药物缓释作用

图5a 是吸附布洛芬的IBU-Eu3+-SMBGs 的热重分析图，当温度升至160℃后样品开始失重，归为药物分子布洛芬的失去。所以，热重分析测得样品 Eu3+-SMBGs对药物的负载量高达31.5%，说明 Eu3+-SMBGs是一个很好的装载药物分子的载体。图5b为模拟体液(SBF) 中，IBU 的累积释放量随时间的变化曲线。由图看到,IBU-Eu3+-SMBGs 在前14 h内有一个快速地释放过程，释放量可达到91%，这是由于IBU分子聚集吸附于Eu3+-SMBGs表面而造成的。随后处于一个缓慢释放的过程，这个缓释过程可能是IBU上的—COOH与Eu3+-SMBGs表面—OH结合形成氢键造成的。因此，在生物体急需时，IBU-Eu3+-SMBGs 可以在较短时间内达到药物释放的高峰，并且快速发挥治疗作用，随后在较长时间内保持药物缓慢释放，充分发挥药效作用。 图5c为IBU-Eu3+-SMBGs在IBU累积释放过程中的光致发光强度图，可以看出样品的发光强度随着 IBU 的释放量增加而增强，当IBU释放完全后，发光强度达到最大值。因此，通过光致发光强度与IBU释放量之间的函数关系，我们可以对药物的缓释过程进行实时监测与追踪。

图5a. 吸附布洛芬的 IBU-Eu3+-SMBGs的热重分析图；

b.在模拟体液 (SBF)中，不同时间下，样品IBU-Eu3+-SMBGs中 IBU的累积释放量曲线；

c.随着IBU累积释放，样品 IBU-Eu3+-SMBGs的光致发光强度图

Fig.5a. TG curve for IBU-Eu3+-SMBGs;b. Cumulative ibuprofen

release from IBU-Eu3+-SMBGs system as a function of release time

in the release of media of SBF; c. PL emission intensity of Eu3+in

IBU-Eu3+-SMBGs as a function of cumulative release amount of ibuprofen

3 结论

在硝酸催化作用下，通过水热法制得了稀土Eu3+掺杂的球状介孔生物玻璃(Eu3+-SMBGs)，并研究了其光学性质以及对药物分子IBU 的装载与释放能力。结果显示，球状颗粒Eu3+-SMBGs具有可观的载药量及较好的药物缓释能力。同时，载药后的IBU-Eu3+-SMBGs在紫外灯照射下发出红色荧光，发光强度随着IBU释放量的增加而增强，从而实时监测药物分子的释放进度，使其可广泛应用于生物医学领域。

参考文献:

[1] ZHU M, WANG H X, LIU J Y, et al. A mesoporous silica nanoparticulate/b-TCP/BG composite drug delivery system for osteoarticular tuberculosis therapy[J]. Biomaterials, 2011, 32(7): 1986-1995.[2] 冯芳芳,尹乒,雷霆,等.钛表面FHA-SrHA双相生物陶瓷涂层的制备及性能[J].粉末冶金材料科学与工程, 2013,18(7): 72-77.

[3] CUI X, LI L, GU Y F, et al. Preparation and properties of borate bioactive glass scaffolds[J]. Orthopaedic Biomechanics Materials and Clincial Study, 2013, 6(10): 1672-5972．

[4] DEVIS B, ANTONELLA S, MATTEO G, et al. A new hydroxyapatite-based biocomposite for bone replacement[J]. Materials Science and Engineering: C, 2013, 33: 1091-1101．

[5] 潘洋毅,王会,叶松,等.羟基磷灰石对硼酸盐生物活性玻璃降解性能的调控[J]. 硅酸盐通报, 2015, 34(5): 1333-1338.

[6] LI X, WANG X P, HE D N, et al. Synthesis and characterization of mesoporous CaO-MO-SiO2-P2O5(M =Mg, Zn, Cu) bioactive glasses/ composites[J].Journal of Materials Chemistry, 2008, 18: 4103-4109.

[7] 柯晓天,黄超,张静玲,等. PCEC-CaO-SiO2-P2O5杂化材料[J].复合材料学报, 2015, 32(4):1179-1186.

[8] 吕凝磊,尹乒,夏明,等.溶胶-凝胶法制备含锶生物玻璃及其溶解性[J].粉末冶金材料科学与工程, 2015, 20(2): 296-303.

[9] XIU T P, LIU Q, WANG J C. Comparisons between surfactant-templated mesoporous and conventional sol-gel-derived CaO-B2O3-SiO2glasses: compositional, textural and in vitro bioactive properties[J]. Journal of Solid State Chemistry, 2008, 181: 863-870.

[10] SINGH R K, KOTHIYAL G P, SRINIVASAN A. In vitro evaluation of bioactivity of CaO-SiO2-P2O5-Na2O-Fe2O3glasses[J]. Applied Surface Science, 2009, 255: 6827-6831.

[11] FAN Y, YANG P P, LIN J. Luminescent and mesoporous Europium-doped bioactive glasses (MBG) as a drug carrier[J]. The Journal of Physical Chemistry C, 2009, 113: 7826-7830.

[12] MANZANO M, AINA V, ARÉAN C O, et al. Studies on MCM-41 mesoporous silica for drug delivery: effect of particle morphology and amine functionalization [J].Chemical Engineering Journal, 2008, 137:30-37.

[13] YANG P P, QUAN Z W, LI C X, et al. Bioactive, luminescent and mesoporous europium-doped hydroxyapatite as a drug carrier[J].Biomaterials, 2008, 29: 4341-4347.

[14] VALLET-REGI M, ROMERO A M, RAGEL C V, et al. XRD, SEM-EDS, and FTIR studies of in vitro growth of an apatite-like layer on sol-gel glasses[J].Journal of Biomedical Materials Research, 1999, 44: 416-421.

〔责任编辑王勇〕

Preparation and drug delivery of spherical mesoporous bioactive glass doped with Europium

ZHAO Dazhou*

(Department of Chemistry and Chemical Engineering, Shaanxi Xueqian Normal University,Xi′an 710100, Shaanxi, China)

Abstract:The rare earth Europium-doped spherical mesoporous bioactive glass(Eu3+-SMBGs) was successfully prepared by hydrothermal method under the catalysis of nitric acid, and the loading and release ability of the drug molecules Ibuprofen(IBU) of Eu3+-SMBGs was studied. XRD, FTIR, SEM, N2adsorption/desorption, and PL spectra were employed to characterize the as-prepared materials. The results reveal that the spherical products have porous structure with an average diameter of 80 μm and possess strong red luminescence of Eu3+under UV irradiation. Drug release test reveals that the spherical bioactive glass system has favorable drug loading and sustained release properties with Ibuprofen as the model drug. In addition, IBU-loaded samples show red luminescence under UV irradiation, and the photoluminescence intensities vary with the released amount of IBU. Keywords: Eu3+; mesoporous bioactive glass; photoluminescence; drug delivery

文章编号：1672-4291(2016)03-0064-05

doi:10.15983/j.cnki.jsnu.2016.03.331

收稿日期：2015-10-30

基金项目：陕西省自然科学基础研究计划(2013JQ2025)； 陕西省教育厅科研基金(15JK1184)； 陕西学前师范学院科研基金(2016YBKJ071)

*通信作者：赵大洲，男，讲师，博士。E-mail:dazhou550597667@163.com

中图分类号：O611.4; O614.33

文献标志码：A