季铵盐改性蒙脱石对五氟尿嘧啶的吸附和释药性能

彭 琪，葛莹莹，王帆帆

(1.信阳师范学院 化学化工学院，河南 信阳 464000；2.信阳市中心医院 药剂科，河南 信阳 464000)

0 引言

5-氟尿嘧啶 (5-fluorouracil，简称5-FU) 具有较强的广谱抗癌作用[1,2]，在临床上被用于治疗结肠癌等疾病[3].然而由于5-FU具有较大的毒副作用，且排泄过快，口服后会在胃中大量释放，对胃肠道造成较大伤害，这使其在临床上的长期应用受到很大限制[4].

蒙脱石(montmorillonite，简称MMT)是自然界中膨润土的主体矿物成分，是由两层硅氧四面体[SiO4]中间夹一层铝氧八面体[AlO2(OH)4]构成的二比一型层状硅酸盐[5,6].由于蒙脱石具有独特的片层结构、适宜的离子交换容量，因此被广泛应用于材料、矿物、环境、医学等各大研究领域[7].由于钠基蒙脱石在各方面的性能均优于钙基蒙脱石，因此在实验中常把钙基蒙脱石钠化为钠基蒙脱石.本实验中所用的钠基蒙脱石为白色粉末状固体，由产自河南信阳的钙基膨润土原矿进行钠化改性得来.钠基蒙脱石安全无毒，口服后可与黏蛋白结合，增强黏膜的屏蔽效应，缓解片剂的突释现象，减少对胃肠道的不良反应，临床上可直接作为治疗胃溃疡、胃病的止泻药[8-10].

海藻酸钠(Sodium Alginate，简称SA)是一种白色或淡黄色的粉末，能与很多二价金属离子发生快速的离子交换反应，生成海藻酸盐凝胶，具有pH敏感性，该凝胶在酸性环境中几乎不溶胀[11]，但是在弱碱性环境中可以溶胀并逐渐溶解，这有利于包裹在其内部的药物释放出来.

本文拟制备一种具有pH敏感性且可针对结肠部位靶向释放的口服控释药物体系，使药物在通过胃和小肠时被保护而不释放，当到达结肠部位时发生溶胀并实现药物的靶向释放.利用离子交换原理将MMT通过CTAC有机化改性制备出CMMT，提高蒙脱石载药量的同时减少对胃肠道的刺激，以5-FU为模型药物，用SA包载载药有机改性蒙脱石，制备出载药凝胶球SA/CMMT/5-FU，考察其载药量并最终实现针对结肠部位的靶向释放.

1 实验部分

1.1 实验试剂和仪器

钠基蒙脱石，由产自河南信阳的膨润土原矿制得；十六烷基三甲基氯化铵、海藻酸钠、一水合柠檬酸、磷酸氢二钠、五氟尿嘧啶、氢氧化钠，分析纯；实验用水为二次蒸馏水.

智能磁力加热搅拌器，巩义市予华仪器有限责任公司；DHG-9023A型电热恒温鼓风干燥箱，深圳市赛亚泰科仪器设备有限公司；FA2004型电子天平，上海越平科学仪器有限公司；SHZ-D(Ⅲ)型循环水式真空泵，巩义市予华仪器有限责任公司；DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器，巩义市予华仪器有限责任公司；DZF-6020型真空干燥箱，上海比朗仪器有限公司；TGL-16G型离心机，上海安亭科学仪器厂；HITACHI-U3900H型紫外分光光度计，日本.

1.2 季铵盐有机改性蒙脱石(CMMT)的制备

MMT原矿来自于河南信阳方浩实业有限公司，利用静沉降法提纯蒙脱石原土，提纯后将沉淀加入适量1 mol/L NaCl溶液中，在65 ℃下磁力搅拌1 h，在4000 r/min下离心.水洗沉淀数次，除去Cl-，在105 ℃下真空干燥过夜后研磨，过200目筛备用.

测定所得钠基蒙脱石的阳离子交换容量(Cation Exchange Capacity, CEC)[9].将CTAC按照所得MMT的2.5倍CEC的用量加入MMT中，在80 ℃搅拌2 h后，快速离心收集沉淀，在50 ℃下干燥沉淀10 h，研磨后收集备用，并命名为CMMT.

1.3 载药蒙脱石凝胶球的制备

1.3.1 载药改性蒙脱石复合物的制备

称取适量有机改性蒙脱石(CMMT)于圆底烧瓶中，加入少量蒸馏水，在40 ℃充分分散，加入一定量的五氟尿嘧啶粉末，在80 ℃下搅拌2 h.待反应结束后，离心收集上清液，用紫外可见分光光度计于265 nm处测定上清液中5-FU的浓度，将沉淀取出干燥、研磨，得到载药复合物(5-FU/CMMT).

1.3.2 载药改性蒙脱石凝胶球的制备

配制适当浓度的SA溶液，加入一定量上述制备出的 5-FU/CMMT载药复合物，室温下搅拌5 h，形成均匀的悬浮液.将上述悬浮液用0.6 mm内径的针头滴加入一定浓度的CaCl2溶液中，形成球状凝胶球，约30 min后过滤出凝胶球，将其洗涤3次后置于50 ℃下进行真空干燥、称重，即得载药凝胶球(5-FU/CMMT/SA).用紫外可见分光光度法在265 nm处测定滤液中的5-FU的浓度，计算出5-FU/CMMT/SA载药凝胶球中5-FU的载药量.采用类似的方法制备出海藻酸钠载药凝胶球(SA/5-FU)和载药蒙脱石凝胶球(SA/MMT/5-FU).

用S4800型冷场发射扫描电子显微镜观察并比较SA/5-FU、SA/MMT/5-FU和SA/CMMT/5-FU三种载药凝胶球的形貌，测试前样品经喷铂处理.

1.4 体外药物释放实验

分别称取一定量的5-FU/SA、5-FU/MMT/SA和5-FU/CMMT/SA三种载药凝胶球于处理过的透析袋中，加入预热的pH 1.5、6.8或7.4的人工模拟胃液、小肠液或结肠液，将透析袋密封后置于锥形瓶中，把锥形瓶固定于恒温水浴振荡器中，在37℃下进行药物的体外释放实验.在适当的时间取样，同时补充等量的新鲜释放介质.用紫外可见分光光度计测定样品在265 nm处的吸光度，通过计算得出释放介质中5-FU的浓度和累积释放率.

2 结果与讨论

2.1 载药凝胶球的载药量测定

根据实验数据，计算并比较5-FU/SA、5-FU/MMT/SA和5-FU/CMMT/SA三种载药凝胶球的载药量，结果如下：三种凝胶球的载药量分别为0.3084 g/g、0.3358 g/g和0.6827 g/g.其中，5-FU/CMMT/SA的载药量较5-FU/MMT/SA明显增加，这主要是因为CMMT结构上的十六烷基是疏水性基团，而五氟尿嘧啶也具有疏水性，由相似相容原理可知，MMT用CTAC进行改性后更容易吸附5-FU.

2.2 三种载药凝胶球的SEM分析

图1为三种载药凝胶球的SEM图.从图1可以看出，SA/5-FU凝胶球表面塌陷，这是由于干燥时凝胶球失水所致.SA/MMT/5-FU凝胶球的表面较SA/MMT更为不平整，这是由于蒙脱石的加入增加了凝胶球的致密度.在SA/CMMT/5-FU凝胶球的SEM图中，改性蒙脱石的层状距离更大，其阻隔性使得凝胶球表面发生严重塌陷，因此其表面最粗糙.

图1 三种载药凝胶球的SEM图Fig. 1 SEM images of three kinds of drug-loaded gel beadsa.SA/5-FU；b.SA/MMT/5-FU；c.SA/CMMT/5-FU

2.3 三种载药凝胶球的体外释放实验

通过5-FU/SA、5-FU/MMT/SA和5-FU/CMMT/SA三种凝胶球在人工模拟胃液(pH 1.5)、小肠液(pH 6.8)和结肠液(pH 7.4)中的释放实验，测定并比较在不同取样时间下从载药凝胶球中释放出的5-FU浓度，并计算出累计释药率，结果见图2.

图2 SA/5-FU、SA/MMT/5-FU和SA/CMMT/5-FU三种载药凝胶球在pH1.5、6.8、7.4下的释放曲线Fig. 2 The release curve of three kinds of drug-loaded gel beads (SA/5-FU、SA/MMT/5-FU and SA/CMMT/5-FU) at a pH value of 1.5，6.8 and 7.4

由图2可知，载药凝胶球的累积释放率与时间和底液的pH密切相关.当pH 1.5时，在8 h后，5-FU的释放速率逐渐稳定下来，且三种载药凝胶球的累计释放率都较低.当pH 6.8和pH 7.4时，在释放的前6 h，载药凝胶球中5-FU的累积释放率随时间的延长而增大，在6 h后，5-FU的释放速率就已经趋于平缓，累积释放率趋于一个恒定值.通过比较三种载药凝胶球在三种pH下的累积释放率，发现三种载药凝胶球中5-FU的释放都在pH 7.4时达到最大，而在pH 1.5时是最低的，这说明凝胶球中5-FU的释放主要受释放环境pH的影响.这主要是因为在pH 1.5下，海藻酸盐凝胶基本不溶胀而阻止了凝胶球中5-FU的释放；在pH 6.8和pH 7.4时，该海藻酸盐凝胶球逐渐发生溶胀并溶解，从而有利于5-FU的释放；尤其在pH 7.4时，因为SA的pH敏感性，SA/CMMT/5-FU的累计释放率可以达到最大.因此认为：5-FU在SA/MMT/5-FU和SA/CMMT/5-FU中的释放过程可分为2个阶段：第一阶段为初期，药物的释放速率相对较快，释放的可能是吸附在蒙脱石表面的5-FU，同时由于存在载药凝胶球和释放介质间的浓度梯度，导致蒙脱石表面的5-FU不断从凝胶球中扩散到溶液中.第二阶段是较缓慢的持续释放过程，此时释放的可能是插入到蒙脱石层间的5-FU[12].

根据文献[12]，在三种pH值下进行的释放实验，采用3个经典理论模型：一级动力学模型、Higuchi模型和Korsmeyer-Peppas模型来研究5-FU从三种载药凝胶球中释放的机理[13-17]，由拟合优度(R2)来判断曲线拟合情况，拟合结果见表1、表2、表3.根据拟合结果可知，在3种不同pH下，一级动力学方程模型的拟合结果最好，这说明一级动力学方程能更好地拟合和描述载药凝胶球中5-FU在不同pH下的释放规律，为药物释放的最佳模型.此外，在3种pH下，SA/5-FU、SA/MMT/5-FU和SA/CMMT/5-FU三种载药凝胶球采用Korsmeyer-Peppas模型拟合的释放指数都小于0.45[12]，这说明5-FU从载药凝胶球中的释放是基于Fickian扩散机理.

表1 SA/5-FU、SA/MMT/5-FU和SA/CMMT/5-FU三种载药凝胶球在pH 1.5下释放的不同动力学模型拟合结果Tab. 1 Fitting results of 5-FU release rate of three kinds of drug-loaded gel beads with three different kinetic models at a pH value of 1.5

表2 SA/5-FU、SA/MMT/5-FU和SA/CMMT/5-FU三种载药凝胶球在pH 6.8下释放的不同动力学模型拟合结果Tab. 2 Fitting results of 5-FU release rate of three kinds of drug-loaded gel beads with three different kinetic models at a pH value of 6.8

表3 SA/5-FU、SA/MMT/5-FU和SA/CMMT/5-FU三种载药凝胶球在pH 7.4下释放的不同动力学模型拟合结果Tab. 3 Fitting results of 5-FU release rate of three kinds of drug-loaded gel beads with three different kinetic models at a pH value of 7.4

由以上实验结论可知，相较于SA/5-FU和SA/MMT/5-FU，SA/CMMT/5-FU载药凝胶球中5-FU在人工模拟肠液中的累计释放率最大，可达到77.10%，并使药物的有效浓度长时间保持恒定，由此可见季铵盐改性蒙脱石有望作为一种载药量大、稳定性好的5-FU的结肠靶向控释载体材料.

3 结论

蒙脱石经过季铵化改性后对5-FU具有较高的吸附能力，其载药量可达0.6827 g/g.SA包载后的载药复合物的释放行为受释放介质pH 值的影响显著，SA/5-FU/CMMT在pH 7.4的人工模拟结肠液中时，5-FU的累积释放率最大，可达到77.10%，其次为 pH 6.8的，在pH 1.5时的结果最小.通过采用三种不同模型对释药过程进行拟合，结果表明一级动力学模型的拟合效果最好.SA/5-FU/CMMT在pH 1.5时的累积释药率低于SA/5-FU/MMT，而在pH 7.4时的释药率又显著高于SA/5-FU/MMT，这说明经过季铵盐改性的蒙脱石既能减轻5-FU对胃部的刺激和伤害，又可以在结肠部位有效靶向释放药物，因此有望用于临床上结肠癌靶向治疗的控释材料.