老鹳草微胶囊复合织物的制备及其药物释放机制

李孟轩， 王 瑞， 刘 星， 丁艳然(1.天津工业大学 纺织学院， 天津 300387； 2.天津工业大学 先进纺织复合材料教育部重点实验室， 天津 300387)

微胶囊是一种能够包覆和保护某些物质的具有核壳结构的半透性或密封性的微米级“容器”[1]，其直径一般为 1～1 000 μm。在药物缓释方面，微胶囊既可作为药物载体单独使用[2-3]，也可通过后整理与纺织材料相结合制成一些具有抗菌和保健功能的纺织复合材料使用。根据壁材、芯材的特性，药物芯材的缓释机制可分为扩散控制、溶蚀控制、溶胀控制和渗透压控制4种类型[4]。对于大多数微胶囊来说，药物芯材的释放不一定只遵循单一的缓释机制，还可能是由几种释放机制共同控制进行的。Korsmeyer等[5]在Zero-order模型、First-order模型和Higuchi模型的基础[6]上建立了Korsmeyer-Peppas经验模型[7]，可通过释放参数n的取值来判别微胶囊中药物的释放机制：当n≤0.45时，药物释放以菲克扩散为主；当0.450.89时，则以溶蚀为主。

老鹳草(GWM)是我国药典收载的一种中草药，具有抗炎、镇痛、抗病毒等多种功效,常被制作成精油、软膏和药浴包等外用制剂用于治疗风湿痹痛，筋骨麻木，具有很好的治疗效果[8]，但此类制剂在使用中存在的施用不便，容易污染衣物的问题，限制了老鹳草的应用范围。目前，国内外研究者对老鹳草的提取方法、化学成分和各成分的药理作用进行了较为深入的研究[9-10]，但对于老鹳草缓释制剂的研究并不多见。

针对上述问题，本文研究设计并制备了一种新型的药物缓释纺织复合材料。采用界面聚合法以聚乙烯醇(PVA)为壁材，以老鹳草提取物为芯材制备缓释微胶囊，再以水性聚氨酯(PU)为涂层剂通过干法涂层制成。通过对其缓释性的测试和评价，探讨了药物芯材的缓释机制。该复合材料在受到汗液浸润的条件下即可实现药物的释放，可作为纺织服装产品的内衬使用，在穿着过程中实现药物的缓慢释放，有效避免多次用药和污染衣物。

1 实验部分

1.1 材料与设备

实验材料：聚乙烯醇(PVA，分析纯，相对分子质量为 1 788±50，成都市科龙化工试剂厂)，戊二醛(25%，天津市大茂化学试剂厂)，Span-80(化学纯，上海审宇医药化工有限公司)，盐酸(36%，西安化学试剂厂)，氢氧化钠(分析纯，天津市风船化学试剂科技有限公司)，正己烷(分析纯，天津市致远化学试剂有限公司)，老鹳草提取物(10∶1，西安润雪生物科技有限公司)，水性聚氨酯乳液(PU，PU-2891，广州誉恒环保材料有限公司)，乳化剂辛烷基苯酚-10(OP-10化学纯，天津市致远化学试剂有限公司)，磷酸盐缓冲溶液(PBS，pH=6.86，上海虹北试剂有限公司)。

实验设备：S4800型场发射扫描电子显微镜(日本日立公司)，TENSOR37型傅里叶红外光谱仪(德国布鲁克公司)，STA 449F3型热重分析仪(德国耐驰公司)，UV2401PC型紫外-可见分光光度仪(日本岛津公司)。

1.2 老鹳草微胶囊的制备

将质量分数为5%的老鹳草提取物水溶液3 g与质量分数为4%的聚乙烯醇水溶液3 g混合后加入盛有60 mL正己烷的锥形瓶中，同时加入0.3 g乳化剂Span-80。随后在40 ℃水浴中以500 r/min磁力搅拌20 min。然后，升温至60 ℃，逐滴加入2.5 mL经盐酸酸化的质量分数为25%的戊二醛溶液，在500 r/min 磁力搅拌条件下继续反应60 min。反应结束后以质量分数为5%的氢氧化钠溶液和盐酸调整反应体系pH值至7得到微胶囊悬浮液。微胶囊悬浮液经过抽滤，蒸馏水洗涤，室温干燥24 h即可得到老鹳草微胶囊。

1.3 复合织物的制备

称取1.0 g老鹳草微胶囊放入烧杯中，加入0.05 g乳化剂OP-10。向烧杯中加入PU与蒸馏水等质量混合的黏合剂，配制成微胶囊质量分数为2%的涂层整理液。采用干法涂层的方式将整理液涂覆到纯棉针织物上，在50 ℃预烘2 min，80 ℃焙烘5 min制成复合织物。

1.4 老鹳草微胶囊及复合织物的测试与表征

1.4.1形貌与粒径分析

使用导电胶将所制备的老鹳草微胶囊黏附于载物台上，表面喷金处理后，使用S-4800型场发射扫描电子显微镜进行观察，并使用Nanomeasurer粒径分析软件对老鹳草微胶囊SEM照片进行粒径标定与测量，统计微胶囊粒径分布并求得数均粒径，样本容量为300。

使用导电胶将所制备的复合织物样本黏贴于载物台上，表面喷金处理后，使用S-4800型场发射扫描电子显微镜进行观察。

1.4.2红外光谱表征

为验证微胶囊的包覆效果，分别将老鹳草提取物、空白微胶囊和老鹳草微胶囊与溴化钾混合压片后使用TENSOR37型傅里叶红外光谱仪在4 000～500 cm-1范围内进行光谱扫描。

1.4.3热重分析

为探究老鹳草微胶囊在整理过程中可耐受的最高温度，使用STA 449F3型热重分析仪对老鹳草提取物、老鹳草微胶囊进行热失重测试。测温区间为40～600 ℃，升温速率为10 ℃/min，气氛为N2，流速为50 mL/min。

1.4.4载药率测试

取一定量的老鹳草微胶囊，使用玛瑙研钵研磨20 min后，加入10 mL PBS溶解，定容至25 mL。经超声20 min后，离心，取上清液使用紫外-可见分光光度仪在310.5 nm处测定吸光度。根据前期试验测定的吸光度-浓度标准曲线计算试样中老鹳草提取物浓度c(式(1))。根据式(2)计算老鹳草微胶囊载药率P。

c=2.36x+0.03 (R2=0.999 3)

(1)

(2)

式中：c为老鹳草提取物浓度，mg/mL；x为吸光度；P为载药率，%；V为溶出液体积，mL；m为老鹳草微胶囊干态质量，mg。

1.4.5缓释性能测试及缓释模型拟合

将2 mg老鹳草微胶囊样本加入到20 mL PBS中，在36 ℃水浴、100 r/min搅拌速度的条件下进行溶出。在溶出过程中按一定的时间取样，在1～12 h内取样间隔为1 h，在12～24 h内取样时间间隔为3 h。每次取样量为5 mL，取样完毕后向溶出体系中补充等体积PBS。使用紫外-可见分光光度仪测试各样本在310.5 nm处的吸光度。各点的累积释放量Mt按式(3)计算。各取样时间点的累积释放度Ft按式(4)计算。使用Korsmeyer-Peppas模型对释放度曲线进行非线性拟合，求得其释放参数，并根据释放参数取值判别其缓释机制。

(3)

(4)

式中：Mt为t时刻老鹳草提取物累积释放量，mg；V1为溶出液总体积，mL；V2为取样体积，mL；cn为第n次取样后溶出液中药物浓度，mg/mL；Ft为t时刻的累积释放度，%；P为老鹳草微胶囊载药率，%；m为老鹳草微胶囊质量，mg；F为累积释放度%。

1.4.6复合织物缓释性能测试

取一定量复合织物按1.4.5节所述方式，以PBS为溶出介质进行24 h释放实验，并计算各时间点复合织物中药物的释放度。复合织物的载药率按照下式计算：

(5)

式中：Pt为复合织物的载药率，%；mw为涂层后复合织物的湿态质量，g；m0为涂层前织物的质量，g；P为微胶囊载药率，%；cm为涂层剂中微胶囊的含量，%；md为涂层后复合织物的干态质量，g。

2 结果与讨论

2.1 老鹳草微胶囊的形貌与粒径分析

老鹳草微胶囊的外观形貌如图1所示。由图1(a)可看出完整的微胶囊表面光滑致密，呈球形，黏连较少。由图2(b)可看出，老鹳草微胶囊具有明显的核-壳结构，囊壁较薄。

图1 老鹳草微胶囊SEM形貌图(×2 000)Fig.1 SEM images of GWM microcapsule (× 2 000). (a) Intact microcapsules; (b) Broken microcapsule

微胶囊的粒径分布如图2所示，从粒径分析结果可看出，微胶囊的粒径在12.1～39.0 μm之间，基本呈正态分布，平均粒径为23.9 μm，分布较窄。

图2 老鹳草微胶囊的粒径分布Fig.2 Particle size distribution of GWM microcapsules

2.2 红外光谱表征

老鹳草提取物、微胶囊和壁材的红外光谱测试结果如图3所示。

图3 老鹳草提取物、微胶囊和壁材的红外光谱图Fig.3 FTIR spectra of GWM extracts, GWM microcapsules and wall matrials

老鹳草提取物的红外光谱在 1 167.46、1 027.53 cm-1处出现C—O键伸缩振动峰，在767.14 cm-1处出现—OH弯曲振动峰，表明老鹳草提取物中可能存在多酚类物质[11]。在壁材红外图谱(图3(c))中：2 927.78 cm-1处出现的C—H伸缩振动峰是由聚乙烯醇碳链振动引起的；1 719.25 cm-1处出现的C—O键伸缩振动峰是由聚乙烯醇分子链中未参与交联反应的醇羟基振动产生的；在 1 144.38 cm-1处出现的C—O伸缩振动峰表明聚乙烯醇大分子与戊二醛发生交联反应形成囊壁[11]。老鹳草微胶囊的红外图谱(图3(b))中 1 144.38 cm-1和1 024.53 cm-1处出现的多酚类C—O伸缩振动峰，以及在2 928.87、1 732.96 cm-1处和 1 144.38 cm-1处出现的壁材特征峰，表明老鹳草提取物被成功包覆，也表明芯材和壁材并未发生化学反应[12]。

2.3 耐热性测试

热重分析测试结果如图4所示。可以看出：老鹳草提取物在加热到246 ℃时开始出现大幅度质量损失；而空白微胶囊在加热到322 ℃开始出现明显质量损失；老鹳草微胶囊在加热到325 ℃时才开始出现明显质量损失。相比老鹳草提取物，老鹳草微胶囊耐热性提高了约32.1%。空白微胶囊与老鹳草微胶囊相似的热力学曲线也能够表明老鹳草提取物被成功包覆。由图中还可看出，老鹳草微胶囊可在325 ℃以下保持稳定，这表明微胶囊可以在焙烘过程的高温[13-14]环境中对药物芯材起到很好的保护作用，避免药物流失。

图4 老鹳草提取物与老鹳草微胶囊热重分析曲线Fig.4 TG curves of GWM extracts and GWM microcapsules

2.4 载药和缓释效果分析

PVA壁材在吸附水蒸气后，会发生一定程度的溶胀，网状结构会变得较为松散，使得药物更容易释放出来，这种结构的变化会随着湿度的增大而愈加明显[15]。为快速测定老鹳草微胶囊的缓释性能，测试中使用PBS作为模拟汗液释放介质，在微胶囊被完全浸润的极限条件下进行累计释放度测试。

载药率是表征老鹳草微胶囊缓释性能的基础，老鹳草微胶囊的载药率是按1.4.4测试并按照式(2)计算的。经计算，老鹳草微胶囊的载药率约为33.0%，根据载药率计算得到的累积释放度曲线及其模型拟合曲线如图5所示。可以看出：微胶囊在完全浸润的条件下可实现超过24 h的持续释放；释放初期老鹳草微胶囊中药物有一定的“突释”现象[16]，释放较快，释放量较大，随着时间的推移，单位时间内的释放量趋于稳定，释放后期因为囊芯处药物的减少，单位时间内的释放量也逐渐减少。

图5 老鹳草微胶囊和复合织物的释放度曲线Fig.5 Release degree curves and fitting curves of GWM microcapsules and compound fabric

为判别不同释放阶段的释放模式，对不同释放时间段老鹳草微胶囊释放进行了模型拟合，拟合结果如表1所示。可以看出，微胶囊中药物的释放主要呈两相模式进行，在最初的3 h内药物释放较快，此时的释放参数为0.640，介于0.45～0.89之间，因此，释放主要通过非菲克扩散方式进行，这说明前3 h内老鹳草微胶囊中药物释放主要以浅表释放为主[17]。在储存于囊心处的药物通过囊壁向外扩散的同时，混入囊壁中的部分药物随着释放介质的不断浸润而逐渐释放出来。3 h以后微胶囊中药物进入缓释阶段，释放速率有所减缓，拟合模型中的释放参数为0.406，小于0.45，说明此时间段内药物的释放以菲克扩散为主，囊心处的药物被释放介质溶解后通过囊壁向外缓慢扩散。结合红外光谱和热重分析结果可以表明，老鹳草提取物被成功包覆在微胶囊中并具有较好的缓释能力。

表1 老鹳草微胶囊各释放阶段模型拟合结果Tab.1 Fitting results of GWM microcapsules in different periods

2.5 复合织物的形貌分析

复合织物的显微形貌如图6所示。可以看出，复合织物上附着有较多的微胶囊，分布较为均匀，从照片中能清晰地看出构成织物纱线的纤维结构。这是由于PU黏合剂对棉织物的浸润效果较好，部分黏合剂在整理过程中渗入纤维内部，所以，成膜较薄，在显微镜下可以清晰地看到织物和纱线的结构；但渗入纱线的黏合剂对纱线和织物内部结构影响较大，使整理后的织物柔软度和手感有所下降。

图6 复合织物的显微形貌照片(×200)Fig.6 SEM image of compound fabric(×200)

2.6 复合织物的载药和缓释效果分析

经计算，聚氨酯整理复合织物的载药率为0.35%。复合织物的累积释放度曲线和模型拟合曲线如图5所示，在24 h的强制释放时间内，药物释放超过70%，具有较明显的缓释效果。复合织物在相同释放时间内的药物释放度低于微胶囊中药物的释放度，这说明涂层整理后附着于微胶囊表面的PU黏合剂对微胶囊中药物的释放有一定的阻碍作用。

复合织物各阶段的Korsmeyer-Peppas模型拟合结果如表2所示。复合织物的释放模式与微胶囊相似，但浅表释放的时间较微胶囊更长，这说明PU黏合剂对老鹳草微胶囊也具有一定的渗透效果，渗入囊壁中的PU黏合剂阻塞了囊壁中的一些孔隙，使囊壁更加致密，不利于PBS的浸润，阻碍了浅表处的药物溶出，导致浅表释放时间延长。

表2 复合织物各释放阶段模型拟合结果Tab.2 Fitting results of compound fabric in different periods

3 结 论

1) 所制备的老鹳草微胶囊表面光滑，平均粒径为23.9 μm，且分布均匀。微胶囊的载药率为33.0%，在325 ℃以下保持热稳定，可用于后续与织物的涂层整理加工。此微胶囊具有较好的缓释性，在PBS模拟汗液中的释放遵循非菲克扩散规律。

2) 老鹳草微胶囊与织物复合后在PBS中的释放仍遵循非菲克扩散规律，但释放量有所减少，释放时间稍有延长。该微胶囊复合织物可以用于药物的承载和缓释。

FZXB

[1] 王瑞，陈旭，吴炳洋，等. 正二十烷/海藻酸钠微胶囊的锐孔凝固浴法制备[J]. 纺织学报, 2016, 37(7): 82-87.

WANG Rui，CHEN Xu，WU Bingyang，et al. Preparation of n-eicosane/sodium alginate phase change microcapsules by hole-coagulation bath [J]. Journal of Textile Research, 2016,37(7): 82-87.

[2] CHAKKARAPANI P, SUBBIAH L, PALANISAMY S, et al. Encapsulation of methotrexate loaded magnetic microcapsules for magnetic drug targeting and controlled drug release [J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2015, 380: 285-294.

[3] SHI F, ZHANG Y, YANG G, et al. Preparation of a micro/nanotechnology based multi-unit drug delivery system for a Chinese medicine Niuhuang Xingxiao Wan and assessment of its antitumor efficacy [J]. International Journal of Pharmaceutics, 2015, 492: 244-247.

[4] 许时婴，张晓鸣，夏书芹. 微胶囊技术:原理与应用[M]. 北京： 化学工业出版社, 2006: 170-175.

XU Shiying, ZHANG Xiaoming, XIA Shuqin. Microcapsule Technology: Theory and Applica-tion [M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2006: 170-175.

[5] COSTA P. An alternative method to the evaluation of similarity factor in dissolution testing [J]. International Journal of Pharmaceutics, 2001, 220: 77-83.

[6] JAIN A, JAIN S K. In vitro release kinetics model fitting of liposomes: an insight [J]. Chemistry & Physics of Lipids, 2016, 201: 28-40.

[7] HUANBUTTA K, NERNPLOD T, AKKARA MONGK-OLPORN P, et al. Design of porous Eudragit® L beads for floating drug delivery by wax removal technique [J]. Asian Journal of Pharmaceutical Sciences, 2016, 12(3):227-234.

[8] 贺海波，熊超，郭力城，等. ITS2序列鉴定多基原药材老鹳草[J]. 中国药学杂志, 2015(17): 1505-1511.

HE Haibo, XIONG Chao, GUO Licheng, et al. Identification of Geranii herbae using ITS2 se-quence [J]. Chinese Journal of Pharmaceuticals, 2015(17): 1505-1511

[9] 周庆颂，孙若飞，李笑然，等. 不同产地老鹳草中有效成分的测定[J]. 华西药学杂志, 2015, 30(4): 465-468.

ZHOU Qingsong, SUN Ruofei, LI Xiaoran, et al. Determination of Components in Geranii Herba form the different origins [J]. West China Journal Pharmaceutical Sciences, 2015, 30(4):465-468.

[10] LIU D, MA Y, WANG Y, et al. One-step separation and purification of hydrolysable tannins from Geranium wilfordii Maxim by adsorption chromatography on cross-linked 12% agarose gel[J]. Journal of Separation Science, 2011, 34(9): 995-998.

[11] MANSUR H S, SADAHIRA C M, SOUZA A N, et al. FTIR spectroscopy characterization of poly (vinyl alcohol) hydrogel with different hydrolysis degree and chemically crosslinked with glutaraldehyde [J]. Materials Science and Engineering: C, 2008, 28(4): 539-548.

[12] HUANG Y, ZHANG H, WAN X, et al. Carbon nanotube enhanced double-walled phase-change microcapsules for thermal energy storage[J]. Journal of Materials Chemistry, 2017, 5(16): 7482-7493.

[13] 赵雪. 壳聚糖胍盐酸盐的制备及其在羊毛织物抗菌整理中的应用[J]. 纺织学报, 2015,36(4): 92-96.

ZHAO Xue. Preparation of chitosan guanidine hydrochloride and application thereof in antimicrobial finishing of wool fabric [J]. Journal of Textile Research, 2015,36(4):92-96.

[14] 黄益，王权威，孟一丁，等. 苎麻织物的柠檬酸/多元醇抗皱整理[J]. 纺织学报, 2017,38(5): 104-109.

HUANG Yi, WANG Quanwei, MENG Yiding, et al. Anit-crease finishing of ramie fabrics with citric acid polyol [J]. Journal of Textile Research, 2017,38(5):104-109.

[15] 陈默，王志伟，胡长鹰，等. 湿度对聚乙烯醇膜阻隔性能的影响[J]. 高分子材料科学与工程, 2009(8): 61-63.

CHEN Mo, WANG Zhiwei, HU Changying, et al. Effect of relative humidity on barrier properties of polyvinyl alcohol films [J]. Polymer Materials Science and Engineering, 2009(8): 61-63.

[16] 张维，李秋瑾，张健飞. 层层组装微胶囊的制备及其缓释性能[J]. 纺织学报, 2015,36(3): 58-62.

ZHANG Wei, LI Qiujin, ZHANG Jianfei, Preparation and controlled release of microcapsules via layer-by-layer assembly [J]. Journal of Textile Research, 2015,36(3): 58-62.

[17] 窦鹏，张华，张雯. 盐酸青藤碱聚乙烯醇微胶囊的制备及体外释放机制考察[J]. 中国实验方剂学杂志, 2012, 18(24): 49-52.

DOU Peng, ZHANG Hua, ZHANG Wen. Optimization of preparation technology and investigation of in virto release mechanism of sinomenine hydrocholoride-polyvinyl alcohol microcapsules [J]. Chinese Journal of Experimental Traditional Medical Formulae, 2012, 18(24): 49-52.