紫胶树脂铵盐为壁材的微胶囊制备及性能研究

陈奇，张弘，孙彦琳，郑华，张雯雯，李凯，徐涓，李坤

(1.中国林业科学研究院资源昆虫研究所，云南 昆明 650224；2.河北化工医药职业技术学院 化学与环境工程系，河北 石家庄 050026；3.昆明理工大学 化学工程学院，云南 昆明 650500)

紫胶是一种珍贵的昆虫基天然树脂混合物[1-3]，主要由紫胶树脂、紫胶蜡和紫胶红色素组成[4]。紫胶树脂具有良好的成膜、抗盐雾、抗盐渍等特性，广泛应用在食品、医药、化妆品等领域[5-7]。紫胶树脂作为药物包衣早有报道[8]，但随着合成聚合物材料的迅猛发展，紫胶树脂这一传统用途正在被逐渐替代[9]。溶剂限制是造成这一现状的原因之一，紫胶树脂通常只能溶解在少数有机溶剂中，有机溶剂的使用不仅受到毒理性限制，且干燥困难，膜厚难以有效控制，易造成产品间性能差异，不够稳定[10]。以水替代有机溶剂是紫胶树脂应用的理想介质，因此，亲水性改性始终是紫胶树脂的研究热点之一[11-13]。由于紫胶树脂结构中含有游离羧基，采用强碱将紫胶树脂离子化是增强其亲水性的最简便、有效的方式，已有学者进行过探索[14]，作者亦进行过类似尝试，并取得了良好的效果[15]。然而，以紫胶树脂盐为包衣材料的相关性质和性能研究还未见报道，在前期研究基础上，进一步开展了以紫胶树脂铵盐为壁材的微胶囊制备方法和性质的研究，以期为紫胶树脂在亲水性被膜材料中的应用提供参考和依据。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

颗粒紫胶，昆明西莱克生物科技有限公司；异丙醇、石油醚、浓硫酸、无水乙醇、液体石蜡均为分析纯；红霉素，分析标准品(纯度>98%)；胃蛋白酶(猪胃源≥3 000 U)；胰蛋白酶(牛胰腺源，≥4 500 U)；紫胶树脂。

TP-214型电子天平；Purelab Ultra超纯水仪；C-MAG HS 7 加热磁力搅拌器；HH-8数显恒温水浴锅；CPC-505电导率仪；DSX-90数显搅拌机；HG101-2A电热鼓风干燥箱；Tensor-27傅里叶红外光谱仪；DSC200F3差示量热扫描仪；T25 digital高速剪切乳化机；DU800紫外分光光度计。

1.2 实验方法

1.2.1 紫胶树脂盐的制备方法 紫胶树脂参照文献[16]中的方法进行提纯、精制。紫胶树脂钠盐的制备按照文献[14]中方法进行，紫胶树脂铵盐的制备方法按照文献[15]中方法进行。

1.2.2 红霉素-紫胶树脂铵盐微胶囊制备 红霉素微胶囊参照文献[17]中乳化-固化法进行。将适量红霉素分散于50 mL浓度10%(w/w)的紫胶树脂铵盐溶液中，3 000 r/min高速分散10 min。量取150 mL液体石蜡，加入少量span-80作为乳化剂，在50 ℃恒温水浴下搅拌20 min，直至乳化剂完全溶解。将红霉素紫胶树脂铵盐溶液一次性倒入液体石蜡中，以10 000 r/min高速剪切乳化20 min。在机械搅拌下，加入0.2 mol/L硫酸50 mL，固化 15 min。将其放入5 ℃的冰水中，当体系温度降至10 ℃以下时，加入75 mL 异丙醇，搅拌脱水2 h，同时可部分去除微胶囊表面的红霉素。脱水结束后进行抽滤，先用石油醚对溶液进行稀释，待液体石蜡抽干后，先后用石油醚和去离子水多次洗涤，去除少量残留石蜡和硫酸，得到褐色粉末状固体微球，即为包裹红霉素的微胶囊。

1.2.3 红霉素-紫胶树脂铵盐微胶囊载药率测定

1.2.3.1 红霉素乙醇溶液标准曲线的绘制[18]精确称量红霉素标准品100 mg，用约30 mL无水乙醇溶解在小烧杯中。倒入100 mL容量瓶中，用少量无水乙醇冲洗烧杯3次，洗液转入容量瓶中，无水乙醇定容，配制的红霉素无水乙醇溶液浓度为1 000 μg/mL。精密吸取红霉素无水乙醇溶液2，4，6，8，10，20 mL，分别放入100 mL容量瓶中，无水乙醇定容，得浓度分别为20，40，60，80，100，200 μg/mL的红霉素无水乙醇标准液。精密吸取标准液各5 mL，加入5 mL 75%硫酸，混匀显色，放置冷却至室温。用紫外分光光度计在200～800 nm进行全波长扫描，结果在482 nm处显示出明显的特征吸收峰(见图1)。以无水乙醇和硫酸的混合液为参比液，在482 nm波长处分别测定各溶液的吸光度值。以红霉素乙醇溶液的吸光度值为横坐标，以红霉素溶液浓度为纵坐标绘制标准曲线，见图2。进行线性拟合，得方程y=7.295 4x-0.330 8，拟合度R2=0.999 8，说明方程拟合度较高，能准确反映溶液中红霉素含量与吸光度值之间的关系。

图1 红霉素-75%硫酸显色后的全波长扫描图Fig.1 The full wavelength scanning image of erythromycincolored by 75% sulfuric acid solution

图2 红霉素在乙醇溶液中标准曲线Fig.2 The standard curve of erythromycin dissolved in ethanol

1.2.3.2 红霉素-紫胶树脂铵盐微胶囊载药率测定[19]精确称量红霉素-紫胶树脂铵盐微胶囊和未载药的紫胶树脂铵盐微球各0.5 g，分别放入烧杯中，将其溶解在50 mL无水乙醇中，密封、磁力搅拌、过夜。将溶液转移至100 mL容量瓶中，用无水乙醇冲洗烧杯3次，定容后准确移取上述溶液各10 mL，无水乙醇定容至100 mL。准确移取上述溶液5 mL，加入5 mL 75%硫酸，混匀显色，放置冷却至室温。以未载药的紫胶树脂铵盐微球无水乙醇溶液和硫酸的混合液为参比，在482 nm的波长处测定溶液的吸光度值。测得在482 nm处吸光度值为0.860 6，根据标准曲线计算得出0.5 g微胶囊中含有红霉素5.948 mg，载药率为1.19%。

1.3 红霉素-紫胶树脂铵盐微胶囊表征

1.3.1 SEM测定 取适量红霉素-紫胶树脂铵盐微胶囊样品，使其均匀铺展在1 cm×0.5 cm的导电胶上，喷金60 s。调整导电支架至适当位置，待真空度达标后，开始对焦成像并放大至所需倍数。

1.3.2 DSC曲线测定 取紫胶树脂、紫胶树脂铵盐和红霉素-紫胶树脂铵盐微胶囊各5～10 mg，放入铝制小坩埚中，封压放入DSC测量仪中。测量温度范围20～250 ℃，以10 ℃/min 升温速率加热。使用液氮为降温介质，加热过程均以高纯N2为吹扫气和保护气。

1.3.3 FTIR测定 将微胶囊样品、红霉素标准样品以及紫胶树脂铵盐样品分别与KBr混合，研磨成细粉，用油压机以10 MPa的压力进行压片，将压片放在样品架，扫描范围4 000～400 cm-1，分辨率为4 cm-1。

1.4 红霉素-紫胶树脂铵盐微胶囊在模拟人体胃、肠环境缓释性研究

1.4.1 模拟人体胃肠液配制[20]

1.4.1.1 模拟人工胃液配制 配制浓度1 mol/L 的稀盐酸。取16.4 mL盐酸，用去离子水稀释至800 mL，加入10 g 胃蛋白酶，混匀，用去离子水稀释定容至1 000 mL。

1.4.1.2 模拟人工肠液配制 称取磷酸二氢钾6.8 g，溶解在500 mL去离子水中。用0.1 mol/L氢氧化钠溶液调节pH值至6.8。称取10 g胰蛋白酶，用去离子水溶解，倒入缓冲液中，用去离子水定容1 000 mL。

1.4.2 在模拟人体胃、肠环境缓释性实验 称取红霉素-紫胶树脂铵盐微胶囊0.5 g，分别加入100 mL模拟胃液和165 mL模拟肠液以及对照组去离子水中。模拟胃液组使用恒温摇床在37 ℃环境温度下以130 r/min恒温振荡70 min，以模拟人体胃环境蠕动；模拟肠液组使用恒温摇床在37 ℃环境温度下，以45 r/min恒温振荡120 min以模拟人体肠环境蠕动。做3组平行实验，取平均值。

每10 min抽取试验样品5 mL，用乙醇稀释至100 mL。取5 mL乙醇稀释液加入5 mL浓度75%的硫酸进行显色，用紫外分光光度计以相应模拟胃液或者模拟肠液以及去离子水作为背景，测定其在482 nm处的吸光度值，对照标准曲线测得红霉素释放量，绘制释放曲线。

2 结果与讨论

2.1 红霉素-紫胶树脂铵盐微胶囊表征

2.1.1 扫描电镜分析 由图3可知，红霉素-紫胶树脂铵盐微胶囊均为球形颗粒，粒径均匀，为6～10 μm，微球结构圆整；微胶囊外表面致密光滑，基本无凹陷。综上可知，微胶囊的结构较为完整，对芯材的包裹效果较为理想。

图3 红霉素-紫胶树脂铵盐微胶囊SEM成像Fig.3 SEM image of erythromycin-shellac ammoniumsalt microcapsules

2.1.2 DSC分析 紫胶树脂、紫胶树脂铵盐、红霉素-紫胶树脂铵盐微胶囊的DSC曲线见图4。

图4 红霉素-紫胶树脂铵盐微胶囊的DSC曲线Fig.4 DSC curves of erythromycin-shellac ammoniumsalt microcapsules

由图4可知，由于紫胶树脂组分较为复杂，紫胶树脂熔融曲线有明显的肩峰，且熔程较宽；因此为准确起见，均以熔融峰值温度进行比较。紫胶树脂、紫胶树脂铵盐、微胶囊熔融峰值温度分别为62.3，78.8，68.2 ℃，紫胶树脂铵盐明显高于紫胶树脂，这是由于成盐后紫胶树脂铵盐的结晶性明显增强，分子间排列更趋于有序，以离子键为代表的分子间作用力明显增强。而微胶囊的峰值温度在紫胶树脂与紫胶树脂铵盐之间，这是由于在以紫胶树脂铵盐制备红霉素微胶囊的过程中，硫酸加入时胶囊微球表面紫胶树脂铵盐迅速被酸化并析出，成为致密的紫胶树脂膜，从而对芯材形成质密的封装作用。因此，相对紫胶树脂铵盐，微胶囊表面膜层为紫胶树脂，故而其熔融温度相对紫胶树脂铵盐会有一定幅度降低，但就作为药用微胶囊壁材来看，68.2 ℃的熔融温度能够满足多数普通耐受环境和温度。

2.1.3 FTIR分析 见图5。

图5 红霉素-紫胶树脂铵盐微胶囊的FTIR谱图对比Fig.5 Comparison of FTIR spectrogram of erythromycin-shellacammonium salt microcapsulesA.红霉素；B.紫胶树脂；C.紫胶树脂铵盐；D.紫胶树脂铵盐微胶囊

2.2 红霉素-紫胶树脂铵盐微胶囊缓释性

由于人体胃环境为强酸性环境，pH值约为 1.0，以紫胶树脂铵盐为壁材的微胶囊遇酸表面可形成一层致密的紫胶树脂保护膜，保护芯材不被胃酸破坏或者可以控制一些对胃有刺激性的芯材在胃环境中的释放，这在一定程度上保持了微胶囊的疏水性；而在人体肠道内接近中性的环境下，微胶囊表面的紫胶树脂又容易发生溶胀，可促使微胶囊内部的紫胶树脂铵盐溶解，故紫胶树脂铵盐又使微胶囊保持了较好的亲水性。这种亲水-疏水作用是微胶囊壁材层层剥离，均匀释放的有力保障。

2.2.1 在模拟人体胃环境缓释性 由图6可知，在模拟人体胃环境中红霉素的释放量极低，在70 min的实验时间内，0.5 g微胶囊中红霉素的释放量为123.01 μg，释放率仅为2.07%。其原因是紫胶树脂铵盐-红霉素微胶囊在模拟胃酸的酸性环境中，在微胶囊表面形成了一层致密的紫胶树脂保护膜[15]，有效地阻碍了胃酸与微胶囊芯材的接触，从而达到保护芯材的作用。这说明在对酸敏感，遇酸易失活或对胃有刺激性的药物应用中，紫胶树脂铵盐是较好的壁材选择之一。

图6 红霉素-紫胶树脂铵盐微胶囊在模拟人体胃环境的累积释放曲线Fig.6 The accumulative release curve of erythromycin-shellacammonium salt microcapsules in the simulative stomach conditions

2.2.2 在模拟人体肠环境缓释性 在前期研究中，紫胶树脂铵盐表现出了在弱酸环境下较为良好的溶解溶胀性质[15]。使其在作为微胶囊壁材时，可以在人体肠环境中达到对药物的控释和缓释。图7a为红霉素-紫胶树脂铵盐微胶囊在模拟人体肠环境中的释放曲线。

图7 红霉素-紫胶树脂铵盐微胶囊在模拟人体肠环境中的累积释放曲线Fig.7 The accumulative release curve of the release curve oferythromycin-shellac ammonium salt microcapsules in thesimulative intestine conditions

由图7a可知，在溶解初期10 min内，紫胶树脂铵盐微胶囊显示出一个突释的过程，原因可能是部分粒径较小的微胶囊在pH 6.8环境下迅速溶蚀，导致其裹挟的红霉素快速释放至肠液中；而且微胶囊外表面积较内核有更大的体积，因此在初步溶蚀的过程中，其释放的红霉素更多，故在前10 min内体现出突释的假象；而后期则是胶囊的逐层溶蚀，释放特性更加线性、平稳，图7b，10～120 min内，红霉素累积释放量随时间变化的线性关系良好，R2=0.996 5。总体来看，在120 min内，红霉素释放量达到79.75%，没有药物突释点，而是随着溶解时间的增加，药物释放量显示出缓慢上升的趋势。这可能是由于在制备紫胶树脂铵盐时经过酸洗，表面形成了一层紫胶树脂膜，在弱酸性环境下紫胶树脂膜有轻微的溶胀，可以维持微胶囊的形态、结构不被破坏，使其不至于快速崩解，从而达到控制药物在微胶囊内部的扩散，随着表层紫胶树脂的溶胀，药物缓慢的释放到人体肠环境中，有利于人体对药物的吸收和长时间保持药效的作用。

3 结论

(1)通过乳化-固化法制备了紫胶树脂铵盐-红霉素微胶囊，结构圆整，呈现均匀的球状，粒径在6 μm左右，并且粒径分布相对均匀。

(2)微胶囊的壁材良好的保持了紫胶树脂铵盐的热性质。壁材紫胶树脂铵盐对红霉素芯材形成了良好的包覆，且芯材与壁材均未发生明显化学反应。

(3)红霉素药物浓度与其吸光度间的线性关系可表示为y=7.295 4x-0.330 8，微胶囊载药率1.19%。在模拟体胃环境中，70 min内，红霉素释放率仅为2.07%；模拟体肠环境中，微胶囊能够在10～120 min内实现红霉素药物的均匀释放，释药率达到79.75%。综上所述，紫胶树脂铵盐是一种性质良好、天然、无毒的药物肠包衣材料，具有作为天然药物包衣材料开发的良好潜力。