魔芋葡甘聚糖-海藻酸钠载药凝胶微球释药研究

李培培，李小芳，李平， 向志芸，周维，罗开沛



魔芋葡甘聚糖-海藻酸钠载药凝胶微球释药研究

李培培，李小芳，李平， 向志芸，周维，罗开沛

［摘要］目的：考察不同制备条件对魔芋葡甘聚糖-海藻酸钠载药凝胶微球释药的影响，并对其释药机制进行初步研究。方法：采用滴制法制备凝胶微球，建立体外分析方法，考察多糖浓度、复配比例、加药量对微球释放的影响，绘制释药曲线，并对其进行释药方程拟合，分析释药机理。结果：微球的释药速率随着多糖总浓度、海藻酸钠比例的增大而增加，加药量较小时，释药速率较快，完全释放所需时间较短。释药曲线与一级动力学方程拟合度最高。结论：采用滴制法制备凝胶微球，方法简便易操作，2 h内可基本释放完全，释放机制可用一级动力学方程进行评价。

［关键词］魔芋葡甘聚糖- 海藻酸钠；凝胶微球；体外释药

［作者单位］成 都中医药大学 中药材标准化教育部重点实验室 中药资源系统研究与开发利用省部共建国家重点实验室培育基地，四川 成都 611137

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多糖类高分子化合物作为制剂辅料应用范围广泛，其中天然多糖类高分子化合物尤为受关注，由于多糖类化合物遇水会形成水凝胶，能减缓或控制药物分子的释放，并且某些多糖有pH敏感性或可被结肠菌酶降解的特点而成为结肠靶向定位释药系统的优选载体。

魔芋葡甘聚糖（konjoc glucomannan，简称KGM）是天南星科植物魔芋块茎中的多糖成分，又名魔芋胶。研究表明［1］，魔芋胶不会被胃肠道上端的消化道酶降解，但可在结肠被结肠部位的β-甘露聚糖酶所降解，还具有良好的凝胶性、吸水溶胀性及生物相容性［2］，并且有利于通便和预防直肠癌和结肠癌［3］，因此常作为结肠靶向给药系统辅料应用。海藻酸钠（sodium alginate，简称SA）是从褐藻类海带或马尾藻中提取的天然多糖碳水化合物，能与多价金属离子发生反应，形成交联网状“蛋箱”结构的凝胶［4］。此凝胶具有在弱碱性环境中溶胀，而在酸性环境中几乎不溶胀的性质，因此也常作为结肠靶向给药系统的载体材料应用于药物科学领域。

本文将天然高分子化合物魔芋葡甘聚糖与海藻酸钠共混应用，制备载药结肠靶向凝胶微球，并对其释药行为进行考察，并探讨其释药机理，以期制备结构优、靶向性优的结肠制剂。

1　仪器与试剂

UV-6100型紫外可见分光光度计（上海美普达仪器有限公司）；ZRS-8G型智能溶出试验仪（天大天发科技有限公司）；DZF-6050型真空干燥箱（上海琅玕实验设备有限公司）；85-2型恒温磁力搅拌器（江苏金坛市金城国胜实验仪器厂）；BP-61型电子分析天平（德国Satorius）；SB-5200DT超声波清洗机（宁波新芝生物科技股份有限公司）；UPT-1-10T超纯水机（成都超纯科技有限公司）；差示扫描量热仪（北京恒久科学仪器厂）

盐酸小檗碱对照品（批号：MUST-15010411，成都曼斯特生物科技有限公司）；海藻酸钠（成都市科龙化工试剂厂）；魔芋葡甘聚糖（Ruibio进口分装）；黄连素提取物（实验室自制，纯度95%以上）；无水氯化钙、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠（成都市科龙化工试剂厂）。

2　方法与结果

2.1 魔芋葡甘聚糖-海藻酸钠载药凝胶微球的制备

称取一定量的黄连素，加入50 mL纯化水，置恒温磁力搅拌器中，60 ℃搅拌溶解后，称取一定总量、一定比例的魔芋葡甘聚糖与海藻酸钠，混合均匀加入黄连素溶液中，继续60 ℃磁力搅拌至溶解，静置片刻待气泡消除后，用注射器滴加到3% CaCl2溶液中，交联1 h，取出，去离子水冲洗3遍，电吹风机吹干表面水分，放入真空干燥箱，60 ℃干燥至恒重。

2.2 差示量热扫描分析（DSC）

采用差示量热扫描仪对魔芋葡甘聚糖、海藻酸钠、共混辅料、黄连素药物、空白微球及含药微球分别进行扫描，分析其热特性，加热速度 10℃.min-1，测试范围 25～750 ℃ ，取样5～10 mg，所有测试均在N2下进行。

图1为魔芋葡甘聚糖、海藻酸钠、及其共混组分的差示量热扫描结果，由图可知，海藻酸钠在246.9 ℃和347.6 ℃处有两个吸收峰，为海藻酸钠的特征峰，593.3 ℃为海藻酸钠的分解峰。魔芋葡甘聚糖在203.8 ℃开始发生玻璃化转变，440.8 ℃出现吸收峰。海藻酸钠与魔芋葡甘聚糖混合物的DSC曲线中，海藻酸钠吸收峰出现在297.4 ℃和381.4 ℃，发生了偏移，而魔芋葡甘聚糖的峰形消失，表明海藻酸钠与魔芋胶混合后发生了某种反应，而并非是简单的物理混合。

图1 KGM、SA、KGM-SA DSC曲线

图2为黄连素、空白凝胶微球、含药凝胶微球的差示量热扫描结果。由图可知黄连素在111.1 ℃与192.2 ℃有两个吸收峰，为其特征峰。空白微球在574.3 ℃有一个吸收峰，而含药微球中，黄连素的吸收峰消失，而514.1℃的吸收峰变宽，说明黄连素在微球中可能是以分子或无定型状态存在的。

图2 黄连素、空白微球、含药微球DSC曲线

2.3 体外药物释放的测定

2.3.1 黄连素标准曲线的绘制 取适量盐酸小檗碱对照品及空白凝胶微球溶于pH7.4磷酸盐缓冲液（PBS）， 200～800 nm波长范围内进行紫外扫描，结果显示，黄连素的最大吸收波长在345.5 nm处，而空白微球在此波长没有吸收，故选择345.5 nm为黄连素的检测波长。

精密称取盐酸小檗碱对照品5 mg，加适量pH7.4 PBS超声溶解后，定容至100 mL，即得浓度为0.05 μg.mL-1的对照品储备液。精密吸取储备液0.4，0.8，1.2，1.6，2.0，2.4 mL置10 mL容量瓶中并用pH7.4 PBS定容至刻度，得一系列不同浓度的对照品溶液，于345.5 nm处测定吸光度，并以吸光度A为横坐标，浓度C为纵坐标，绘制标准曲线，得标准曲线方程为：C=15.925A-0.2564，R2=0.9992。结果表明，盐酸小檗碱在2～12 μg.mL-1浓度范围内与吸光度呈现良好的线性关系。

2.3.2 体外释放度测定 按照《中华人民共和国药典》2010年版二部附录XC溶出度测定法，选择第二法（浆法）对黄连素凝胶微球进行溶出度测定。释放条件为：释放介质pH7.4 PBS ，溶出介质体积500 mL，转速为50 r.min-1，温度为（37±0.5） ℃。

精密称取微球90 mg，按上述实验条件进行测定，每隔20 min取样，并补加相应的新鲜介质，用pH7.4 PBS稀释至适宜倍数，紫外检测吸光度，对照黄连素标准曲线，计算黄连素浓度及含量。计算各时间点累积释药率，绘制药物释放曲线。

式中Q为累积释药率，mi为第i次测得的微球中黄连素的含量，m0为所取微球的质量，L为微球载药量。

2.4 不同因素对微球释药的影响

2.4.1 多糖总浓度对微球载药量和释药曲线的影响 固定共混比例（KGM: SA）1:3，加药量0.5 g，改变多糖浓度，按“2.1”项下方法制备凝胶微球。多糖浓度小于1%时，溶液浓度过低，不易形成微球，而多糖浓度大于3%时，溶液粘度过大，微球出现拖尾现象。因此多糖浓度在1%～3%为宜。

多糖总浓度对微球释药的影响见图3，随着多糖总浓度的增加，微球释药速率加快。多糖浓度为1% 和2%时，释药曲线较为接近，总浓度达到3%时，出现药物突释现象。分析原因可能是因为随着多糖浓度的增加，微球结构的致密性随之增加，而多糖浓度过高时，微球中的Na+与CaCl2中的Ca2+的交联受到阻碍，使药物聚集在微球表面，从而在释药过程中发生突释。

图3 不同多糖浓度制备凝胶微球的释药曲线

2.4.2 共混比例对微球载药量和释药曲线的影响 固定多糖浓度2%，加药量0.5 g，改变共混比例（KGM:SA），按“2.3”项下方法制备凝胶微球，共混比例大于1:1时，共混溶液较黏稠，滴制出的微球不成形，因此选择的共混比例应小于1:1。

由图4可知，随着共混比例中海藻酸钠比例的增大，微球的释药速率增加，完全释放所需时间减短。微球的形成主要是因为海藻酸钠中Na+与CaCl2溶液中Ca2+发生交联作用产生 “蛋箱”结构。多糖中海藻酸钠比例增加，浓度增大，微球致密度增加，使药液更容易集中在微球表面，内层含药相对较少，使海藻酸钠比例大的微球释药更快。另一原因可能是魔芋胶的加入减慢了释药速度。

图4 不同共混比例制备凝胶微球的释药曲线

2.4.3 加药量对微球载药量和释药曲线的影响 固定多糖浓度2.5%，共混比例（KGM:SA）1:3，改变加药量，按“2.3”项下方法制备凝胶微球。

由图5可知，加药量为0.9 g时，药物释放时间最长，速率最慢，0.5 g时释药速率大于0.1 g。分析原因是药物从凝胶微球中的释放，依靠的是凝胶层由外向内的释放以及药物因浓度差异向外扩散的作用。随着加药量增大，载药量增加，微球外层药量及浓度差增加，使释药速率加快。但当加药量增大到一定程度时，微球密度增大，使药物溶出减缓。

图5 不同加药量制备凝胶微球的释药曲线

2.5 释药机制研究

将药物制成制剂后，要求制剂在体内按一定规律释放药物，以达到预期的用药目的，发挥作用。本实验通过对魔芋葡甘聚糖-海藻酸钠凝胶微球体外累积释放率-时间数据进行各种模型的释药方程拟合，研究凝胶微球的释药机制，探索其体外释药规律，为其体内释药行为提供一定的理论依据。

目前评价药物释放机制的模型主要有以下几种：

Q为累积释放率，t为时间，a1～a5为常数，b1～b4和a5为速率常数

对上述所有释药曲线进行释药模型拟合，结果见表1，相关系数（R2）值越大，则拟合效果越好，在零级、一级、Higuchi、Hixcon-Crowell 四种释药模型中，一级释药模型拟合结果线性关系最好，因此微球的释药符合一级释药模型。实验过程中发现。药物完全释放后，凝胶微球为仍保持完整的球形状态，并布有细小的孔径，推测凝胶微球释药过程可能是微球与溶液接触后吸水膨胀成水凝胶，表面部分药物先溶出，而内部可溶性成分溶解，并随着扩散的进行分散在水凝胶空隙中进行释放。

表1 释药方程拟合结果

3　讨论

微球属于多单元剂量型给药系统，与常用单元剂量型如片剂等相比，具有用药个体差异小、释药规律重现性好、便于后续制剂加工等优点，是目前口服新型给药系统研制的常用剂型之一。本文以魔芋葡甘聚糖-海藻酸钠为载体材料，以黄连素为模型药物，采用滴制法制备凝胶微球，方法简便，易于操作。DSC结果表明KGM与SA相容性较好，可联合用于结肠靶向给药系统。

本文对影响凝胶微球释放的因素进行考察，并绘制释药曲线，研究中发现，载药凝胶微球的释药过程大致可分为三个阶段：释放初期，时间较短，释放速率较快；释药中期，释药速率减缓；释药末期，凝胶中的药物基本释放完全，药物累积释放率增加不明显。对释药曲线分别进行零级、一级、Higuchi、Hixcon-Crowell 四种释药模型拟合，拟合结果表明，魔芋葡甘聚糖-海藻酸钠凝胶微球的释放符合一级动力学方程。其释放机理分析为微球接触溶液后开始溶胀，表层药物溶出，随着溶胀的进行，溶液进入到微球内部，并出现孔径，内部药物溶解并溶出。

［参考文献］

［1］Nakajima N，Ishihara K，Matsmlra Y. Dietary—fiber-degrading enzymes from a human intestinal Clostridium and their application to oligosaccharide production from nonstarchy polysaccharides using immobilized cells［J］. Appl Microbiol Biotehnol，2002，59（2-3）:182.

［2］Wang C， Xu M， Lv W P， el al. Study on rheological behavior of konjac glucomannan［J］. Physics Procedia，2012（33）:25.

［3］谢建华，庞杰，朱国辉，等.魔芋葡甘聚糖功能研究进展［J］.食品工业科技，2005，12:180.

［4］崔园园，陈红，周丰，等.海藻酸钠-胰蛋白酶微球的制备及药物释放性能［J］.复合材料学报，2011，28（2）:17.

［5］Korsmeyer R W， Gurny R， Doelker E， et al. Mechanisms of solute release from porous hydrophilic polymers ［J］. Int J Pharm， 1983， 15（1）: 25.

［6］Schwartz J B， Simonelli A P， Higuchi W I. Drug release from wax matrics I. Analysis of data with first-order kinetics and with diffusion-controlled model ［J］. J Pharm Sci， 1968， 57（2）: 274.

［7］Higuchi T. Mechanism of sustained-action medication. Theoretical analysis of rate of release of solid drugs dispersed in solid matrices ［J］. J Pharm Sci， 1963， 52（12）: 1145.

［8］Dredán J， Antal I， Rácz I. Evaluation of mathematical models describing drug release from lipophilic matrices ［J］. Int J Pharm，1996， 145（1/2）: 61.

（责任编辑：何瑶）

The release characteristics of konjac glucomannan-sodium alginate gel microspheres

LI Pei-pei， LI Xiao-fang， LI Ping，XIANG Zhi-yun， ZHOU Wei， LUO Kai-pei// （School of Pharmacy， Chengdu University of Traditional Chinese Medicine； Key Laboratory of Standardization for Chinese Herbal Medicine， Ministry of Education； National Key Laboratory Breeding Base of Systematic Research， Development and Utilization of Chinese Medicine Resources， Chengdu 611137， Sichuan）

［Abstract］Objective: To investigate the release characteristics and mechanism of drug from konjac glucomannan-sodium alginate （KGM-SA） gel microspheres under different condition. Method: The gel microspheres were prepared by dipping. In vitro analytical method was established to study the influence of factors on the release of microspheres including the concentration of polysaccharides， the mass fraction of SA to KGM and the dosage. Then the release curve was drawn and the data were put into drug releasing equation fitting to study the release mechanism. Result: Microspheres release rate was enhanced with the increased polysaccharides concentration and sodium alginate proportion. The microspheres showed fast release in shorten complete release time when a smaller dosage was loaded. And the drug release pattern was best described by first-order kinetics. Conclusion: The drip method of microspheres preparation is simple and easy to operate. The drug can be completely released in 2 hours， and the release mechanism can be evaluated by first-order kinetics.

［Key words］KGM-SA； gel microspheres； in vitro release

［中图分类号］R 283.6

［文献标识码］A

［文章编号］1674-926X（2016）02-010-04

［基金项目］四川省教育厅重点项目：基于液固压缩技术提高中药难溶性成分溶出度及机理研究（编号: 15ZA0094）

［作者简介］李 培培（1988- ），女，硕士研究生，研究方向：中药新剂型及中药新技术研究

［通讯作者］李 小芳（1964- ），女，教授，博士生导师， 研究方向：中药新剂型及中药新技术研究

［收稿日期］2015-09-18