氨基化凹凸棒土/毒死蜱/海藻酸钠复合微球的制备及缓释性能

徐华+周红军+陈铧耀+周新华

摘要：以毒死蜱为模型药物，通过挤压法制备了氨基化凹凸棒土/毒死蜱/海藻酸钠复合微球。利用FTIR和TG对复合微球的结构进行了表征，考察了海藻酸钠用量对复合微球载药性能的影响，并探究了海藻酸纳、离子浓度、温度和pH对复合微球缓释性能的影响。结果表明，KH550已成功接枝于凹凸棒土。当KH550-HATP∶海藻酸钠的质量比为1∶1时，复合微球的载药量最大，为21.0%。此外，载药复合微球的释药行为表现出对离子浓度、温度和pH的响应，释药曲线符合Higuchi动力学模型，其药物释放主要是以Fickian机理进行。

关键词：氨基化凹凸棒土；海藻酸钠；微球；缓释

中图分类号：TQ450.6；TQ450.1+4 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）23-4527-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.23.027

Abstract： Amine-modified attapulgite/chlorpyrifos/sodium alginate microspheres were prepared by extrusion dripping method in the presence of chlorpyrifos. The structure of microspheres were characterized by FTIR and TG. The effects of sodium alginate dosage on loading content and the effects of sodium alginatedosage， ionic concentration， temperature and pH on the slow-release performance were investigated. The result showed that KH550 had been successfully grafted on attapulgite. While the dosage of KH550-HATP and sodium alginate was 1∶1， the drug losding capatcity of microspheres was the maximal for 21.0%. Moreover， microspheres had a good slow-release performance in response to ionic concentration， temperature and pH， the drug releasing curves could be described by Higuchi equation and Fickian mechanism.

Key words： amine-modified attapulgite； sodium alginate； microspheres； sustained release

中国是农业大国，对农药的使用必不可少，但传统型农药由于其活性组分释放速率快，药效时间短，致使其防治病虫害效果不理想，且其抗雨水冲刷性弱，实际利用率低，并易造成面源污染[1]。为了合理调控农药的释放速率，延长其药效时间和提高农药利用率，缓控释型农药制剂引起了人们广泛的研究。

凹凸棒土是一种具有规整层链状结构的硅酸盐矿物[2]，因其具有较大比表面积，规则的多孔道形貌，较强的吸附性[3]和良好的力学稳定性，以及价格低廉等优点，可作为缓控释型农药制剂的良好载体。但是，由于天然的凹凸棒土表面具有较多的亲水性基团，降低了其对农药的负载量，而采用含有氨基、巯基等有机官能团的化合物对凹凸棒土进行有机改性，可有效改善凹凸棒土的疏水性能，增强与药物之间的相互作用力，从而提高其吸附能力，使其能够在药物缓释方面得到广泛的应用。

海藻酸钠是一种无毒、低成本和可生物降解的缓释载体材料[4]，在医药和农药缓释领域已得到广泛的关注[5]。但海藻酸钠微球结构比较疏松，释药过程中往往存在“爆释”现象[6，7]。通过共混改性能改变海藻酸钠微球的微相结构，增强其致密度和凝胶强度，进而改善海藻酸钠复合微球的释药性能。因海藻酸钠具有阴离子特性，可以与阳离子特性的物质产生氢键和静电作用，能有效改善复合微球的结构，从而实现提高其载药和缓释性能。为此探索以3-胺丙基三乙氧基硅烷（KH550）对凹凸棒土进行修饰改性，制得具有阳离子特性的氨基化凹凸棒土，一方面改善凹凸棒土对药物的亲和力，另一方面能够与海藻酸钠产生静电作用来提高海藻酸钠复合微球的载药量和缓释性能。试验以毒死蜱为模型药物，采用挤压法制备氨基化凹凸棒土/毒死蜱/海藻酸钠复合微球，考察了海藻酸钠用量对复合微球载药量的影响，着重讨论了海藻酸钠用量、NaCl离子浓度、温度和pH对复合微球释药性能的影响，并探究了其药物释放的动力学模型，以期为改性凹凸棒土在农药缓释领域的应用提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

氯化钙（分析纯，天津市福晨化学试剂厂）；无水乙醇（分析纯，天津市大茂化学试剂厂）；甲苯、氢氧化钠（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）；盐酸（分析纯，广州化学试剂厂）；海藻酸钠、3-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）、六偏磷酸钠（分析纯，阿拉丁试剂有限公司）；氯化钙（分析纯，成都科龙化工试剂厂）；凹凸棒土（来源地安徽）；毒死蜱（純度>98%，江苏景宏化工有限公司）。

1.2 仪器与设备

Spectrum 100型傅立叶变换红外光谱仪（美国Perkin Elmer公司）；Q600型热重分析仪（美国TA仪器公司）；85-2型恒温磁力搅拌器（江苏常州澳华仪器有限公司）；KH-250型超声波清洗器（江苏昆山禾创超声仪器有限公司）；T6新世纪型紫外-可见分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司）。

1.3 改性凹凸棒土/毒死蜱/海藻酸钠复合微球的制备

1.3.1 凹凸棒土的提纯与酸化 称取40 g的凹凸棒土置于装有300 mL去离子水和4 g六偏磷酸钠的烧杯中，用高速分散机对混合液恒温搅拌60 min，后静置6 min，再分离出上层悬浮液，并对下层液体进行过滤、洗涤、干燥，即可制得纯化的凹凸棒土。取20 g纯化的凹凸棒土于烧杯中，加入400 mL 4 mol/L的HCl溶液，在60 ℃下搅拌4 h，对其进行过滤、洗涤至中性、烘干，制得酸化凹凸棒土（HATP），备用。

1.3.2 KH550改性酸化凹凸棒土 称取3 g HATP，置于装有100 mL甲苯的三口瓶中，边超声振荡边加入3 mL KH550，并在40～45 ℃下超声40 min，50 ℃反应4 h，过滤，依次用甲苯、乙醇和去离子水洗涤多余的KH550，真空干燥24 h，制得氨基改性凹凸棒土（KH550-HATP）。

1.3.3 KH550-HATP/毒死蜱/海藻酸钠复合微球的制备 称取0.25 g KH550-HATP，分散于5 mL去离子中，搅拌至粉末分散均匀，后与毒死蜱乙醇溶液（0.25 g毒死蜱溶于5 mL乙醇）混合，然后加入海藻酸钠溶液，搅拌并超声20 min，静置，冷却至室温。利用挤压法将上述混合液滴入80 mL质量分数为8%的CaCl2溶液中，滴加速度为50 mL/h，滴加完继续搅拌1 h，过滤并于40 ℃真空干燥24 h，制得复合微球。

1.4 复合微球的结构表征

采用溴化钾压片法制样，通过红外光谱仪对凹凸棒土、改性凹凸棒土和复合微球的结构进行表征；利用热重分析仪分析载药微球的热稳定性，升温范围为30～800 ℃，升温速率为20 ℃/min，氮气速率为50 mL/min；利用紫外-分光光度计测试微球中农药的含量。

1.5 性能测试

1.5.1 载药性能的测试 称取一定量（M0，mg）的复合微球粉末于100 mL容量瓶中，加入体积分数为50%的毒死蜱/乙醇溶液，在35 ℃下恒温水浴振荡48 h，然后移取上层清液并稀释至一定的倍数n，用紫外-分光光度计测定其吸光度，其载药量LC按式（1）计算。

LC=■×100% （1）

式中，c为紫外-分光光度计测定的质量浓度（mg/L）。

1.5.2 缓释性能的测试 称取一定量（M1，mg）载药微球于锥形瓶中，加入100 mL不同pH的50%乙醇水溶液，并将锥形瓶放于不同温度的恒温水浴中，间隔固定的时间（t），取出5 mL样品液，同时向锥形瓶中补充等体积介质，将5 mL样品液稀释到50 mL，用紫外分光光度计测定其吸光度，毒死蜱随时间的累积释放率为Ri，绘制t-Ri曲线作为毒死蜱的缓释动力学曲线，累积释放率Ri可按式（2）计算。

Ri=■（i=1）■+■（i=2，3，4…） （2）

式中，ρi为第i次移出液中毒死蜱的质量浓度（mg/L）。

2 结果与分析

2.1 FTIR分析结果

图1为HATP（a）、KH550-HATP（b）和载药微球（c）的FTIR图。由图1可见，谱线b在2 950、2 895 cm-1处出现了亚甲基的伸缩振动峰，在1 494 cm-1处出现了-NH3+的对称振动峰，以及在687 cm-1处出现了N-H键的弯曲振动峰[8，9]，说明硅烷偶联剂KH550已接枝到酸化凹凸棒土的表面。谱线c为载药复合微球，在1 550、1 410、830 cm-1处出现了毒死蜱的特征峰，分别属于吡啶环中C=N、芳香族中C-C以及P=S的吸收振动峰[10]，说明毒死蜱已经负载于复合微球中。

2.2 TG分析结果

图2为凹凸棒土ATP（b）、HATP（c）、KH550-HATP（a）和载药微球（d）的TG图。由图2可知，曲线a在100～450 ℃时的失重均低于曲线b和曲线c，这是由于100～450 ℃温度区间内b、c的失重均为凹凸棒内部水游离失重，KH550改性后，由于凹凸棒土表面有机官能团的疏水性，使得在产品干燥过程中结晶水更容易游离出，故而曲线a在100～450 ℃时的失重均低于曲线b和曲线c。随着温度的升高，a中有机官能团开始热分解，故而在800 ℃时，a失重要高于b和c，综上，KH550已被接枝于凹凸棒土表面。

2.3 载药性能分析结果

由表1可知，当KH550-HATP/海藻酸钠用量配比等于1时，复合微球的载药量最大，可达21.0%；当KH550-HATP/海藻酸钠用量配比小于1时，随着配比的增加，微球中海藻酸钠含量降低，干燥微球的吸水能力逐渐降低，微球交联成型过程中，药物渗透到外界交联剂溶液的速率较小，故载药量逐渐增大；当配比大于1时，海藻酸钠用量增多，故载药量减少。

2.4 缓释性能分析

2.4.1 海藻酸钠的添加量对缓释性能的影响 从图3可以看出，当毒死蜱∶KH550-HATP∶海藻酸钠的质量比为1.0∶1.0∶1.4时，复合微球的缓释性能相对最好。因为当海藻酸钠用量较多时，能够交联而形成更致密的三维网状结构，在后续药物释放过程中能缓解因溶蚀而产生的毒死蜱的释放。因此，当毒死蜱∶KH550-HATP∶海藻酸钠的质量比为1.0∶1.0∶1.4时，复合微球的缓释性能较好。

为了进一步探究不同海藻酸钠添加量的载药复合微球的药物释放性能，分别采用Zero-order、First-order和Higuchi对其释药数据进行拟合，结果见表2。从表2可以看出，该载药复合微球的释药曲线与Higuchi動力学模型的拟合度相对最高，说明其药物释放主要是以Fickian机理进行，扩散为主，溶蚀为辅。

2.4.2 NaCl浓度对缓释性能的影响 由图4可知，随着离子浓度由0增加至5.8%，药物的累积释放率由89%降低至34%，说明复合微球的缓释性能得到了改善。这是由于复合微球表面存在渗透压，离子浓度越大，渗透压越大，复合微球的溶胀加剧，微球粒径变大[11]，药物渗透并扩散到溶液中需要更多的时间，故其缓释性能提高。

2.4.3 温度对缓释性能的影响 图5为不同温度对复合微球缓释性能的影响。由图5可见，随着温度的升高，载药微球的缓释效果变差。这是由于温度越高，复合微球溶胀加剧而更易溶蚀，且药物的分子运动加剧，两种效果致使毒死蜱更容易扩散到复合微球的外部，从而导致其缓释性能变差。

2.4.4 pH对缓释性能的影响 图6为不同pH对复合微球缓释性能的影响。由图6可知，随着时间的延长，药物的累积释放率呈现先增大后趋于稳定的趋势，其缓释效果为随着pH的升高，复合微球的药物累积释放率逐渐增大。因为在酸性条件下，羧基的离子化遭到抑制，改性凹凸棒土中的氨基被质子化，凹凸棒土与海藻酸钠之间的静电作用增强，致使复合微球的结构变得更加致密，从而抑制了药物向缓释介质扩散，故其缓释性能得到提高。

3 小结

以毒死蜱为模型药物，KH550改性凹凸棒土为改性剂，制备了氨基化凹凸棒土/毒死蜱/海藻酸钠复合微球，其载药量最大为21.0%。而毒死蜱∶KH550∶HATP∶海藻酸钠的质量比为1.0∶1.0∶1.4时，复合微球的缓释性能相对最好。当NaCl离子浓度由0增加至5.8%，复合微球的药物累积释放率从89%降低至34%。此外，载药复合微球在释药过程中表现出对离子浓度、温度和pH有良好的响应。释药曲线符合Higuchi动力学模型，其药物释放主要是以Fickian机理進行，其有望应用于智能响应型微球中。

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