木薯淀粉水凝胶负载姜黄素及缓释性能研究

高凤苑，关欣，韩良亮，覃秀英，韦东来，蓝平，廖安平

(广西民族大学 化学化工学院，广西多糖材料及改性重点实验室，广西高校化学与 生物转化过程新技术重点实验室，广西 南宁，530006)

姜黄素又称姜黄色素，是常用的天然黄色色素，有特殊芳香味道。大量文献记载，姜黄素具有多种药理作用，尤其在抗动脉硬化、抗炎、抗氧化、抗肿瘤等方面具有广阔的应用前景[1]。但姜黄素水溶性低，稳定性差，经胃肠吸收率较低，代谢快[2]，所以限制了其在体内的应用。因此，合适的姜黄素载体是提高其生物利用率的重要手段，新型姜黄素缓释载体的研究逐渐受到重视，所涉及领域也日益广泛[3]。

水凝胶作为药物载体应用已经趋于广泛，且具有良好缓释效果。近年来，有关对姜黄素复合水凝胶的研究越来越受到重视[4]。水凝胶是高度溶胀、亲水、三维聚合物网络结构，由于存在交联，纠缠或结晶区[1]，能吸收大量水而不溶于水。通过天然材料聚合形成的水凝胶具有生物相容性和可生物降解，是用于药物生物材料传递系统非常重要的性质，越来越受到研究人员的关注。水凝胶网络之间存在大量空隙，姜黄素分子可以连接在网络里，使释放能力持续而高效。利用水凝胶对温度、pH敏感的特性，可以将姜黄素运载到癌细胞等靶位点，起到定向治疗疾病的作用。NAMDARI等[5]制备了姜黄素负载水凝胶复合物用于心力衰竭大鼠模型2周，结果显示效果良好，且此载体未发现明显毒副作用。还有学者通过简单混合和原味聚合制作出一种改良蜂蜜-姜黄素水凝胶复合海绵载体，具有良好的液体吸收能力和缓释作用，且对糖尿病、足溃疡有明显适用性[6]。

木薯淀粉是一种高度可溶胀的、pH响应和生物相容性聚合物，可用于将药物输送到体内。木薯淀粉是丰富的天然聚合物，由于其来源丰富、成本低廉、无毒无害、生物降解等天然的特性，在各领域得到一定应用[7]。由木薯淀粉制备的水凝胶亲水性大，水溶胀度高，且三维网状结构利于药物输送，所以本实验采用木薯淀粉接枝丙烯酰胺制备水凝胶用于负载姜黄素，且具有良好的药物缓释效果。木薯淀粉水凝胶已成为较被重视的药物载体，也能提高木薯淀粉及水凝胶的应用价值。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

木薯淀粉，工业级，广西武鸣安宁淀粉有限公司；丙烯酰胺(AM)，化学纯，国药集团化学试剂有限公司；N,N-亚甲基双丙烯酰胺(NMBA)，分析纯，阿达玛斯；过硫酸钾(KPS)，分析纯，广东市金华大化学试剂有限公司；无水乙醇，分析纯，成都市科隆化学品有限公司；姜黄素，分析纯，麦克林；氘代试剂，分析纯，上海玉博生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

JHS恒速数显控制器，杭州仪表电机有限公司；DF-101S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；DGG-9070AD电热恒温鼓风干燥箱，上海齐欣科学仪器有限公司；FD-1000冷冻干燥机，埃朗科技国际贸易有限公司；分析天平(BSA224S/0.000 1g)，赛多利斯科学仪器(北京)有限公司；MAGNA-1R550傅里叶变换红外光谱仪，美国Thermo公司；TG-DSC同步热分析仪(STA449F3)，德国耐驰仪器制造有限公司；TQ2-312台式全温振荡器，上海精宏实验设备有限公司；Cary100紫外-可见分光光度计，Agilent Technologies。

1.3 方法

1.3.1 木薯淀粉水凝胶的制备

称取1 g木薯淀粉于100 mL蒸馏水中，温度为75 ℃水浴糊化30 min至糊化完全，加入5 g丙烯酰胺于混合物中，用磁力搅拌器以75 ℃的温度继续搅拌20 min，再加入0.06 gN,N-亚甲基双丙烯酰胺，加5 mL蒸馏水稀释，最后将0.03 g过硫酸铵溶于5 mL蒸馏水中，加入后继续以75 ℃温度磁力搅拌10 min。搅拌结束后，75 ℃水浴中静置10 min成均匀胶状，将胶状物倒入100 mL乙醇中，保持2 min，倾倒出乙醇，再加入100 mL新鲜乙醇，保持24 h以完成脱水，将脱水后的凝胶在50 ℃烘箱中干燥24 h，烘干后用蒸馏水浸泡24 h，再次烘干，备用[8]。

1.3.2 木薯淀粉水凝胶红外性能表征

取1～2 mg已完全干燥的水凝胶样品，与50～100 mg干燥的KBr粉末混合，置于玛瑙研钵中充分研磨，将研磨好的混合物粉末放入压模中，在10 kPa的压力下压制成透明薄片，放入红外光谱仪进行测试，在4 000～500 cm-1波长范围内，扫描。

1.3.3 木薯淀粉水凝胶核磁共振性能表征

取6～10 mg溶胀后的水凝胶样品，溶于氘代试剂中，放入核磁共振仪中进行测试。

1.3.4 木薯淀粉水凝胶X射线衍射性能表征

将完全冷冻干燥的水凝胶研磨成粉末，压片后置于XRD中扫描得到XRD图。

1.3.5 木薯淀粉水凝胶机械性能测试

取小块定型的水凝胶，在蒸馏水中浸泡达到溶胀平衡后，进行拉伸、压缩、打结实验。

1.3.6 姜黄素载药性能的测定

1.3.6.1 姜黄素及PBS缓冲液最大吸收波长的测定

将姜黄素在无水乙醇中配制成一定浓度溶液，在波长200～800 nm范围内，用紫外-可见分光光度计进行全波长扫描，由紫外吸收光谱图选择乙醇溶液中姜黄素的检测波长。

配制pH值为7.4的PBS磷酸盐缓冲液，即为人体组织液及血液的模拟系统。将姜黄素在上述缓冲液(含0.5% 吐温-80)中配制成一定浓度溶液，在波长200～800 nm，进行全波长扫描，以选择PBS磷酸盐缓冲液中姜黄素的检测波长。

1.3.6.2 姜黄素标准曲线的测定

准确称取25 mg姜黄素，用无水乙醇溶解后，将姜黄素的乙醇溶液移到250 mL容量瓶中，再用无水乙醇进行定容，得到100 μg/mL的储备液。精密移取2、3、4、5、6 mL 100 μg/mL的储备液，将其分别移到100 mL的容量瓶中，用无水乙醇进行定容，即制成2～6 μg/mL系列标准溶液。用无水己醇做空白对照液，分别在427 nm处测定其吸光度。以浓度(C，μg/mL)为横坐标，吸光度(A)为纵坐标，绘制标准曲线。

1.3.6.3 PBS缓冲液标准曲线的测定

精密称取25 mg姜黄素，用乙醇溶解，转移到250 mL容量瓶中，用1.3.6.1 PBS缓冲液定容，得到100 μg/mL的药物溶液，精密移取2、3、4、5、6 mL的药物溶液到100 mL容量瓶，以PBS缓冲液(pH=7.4，含0.5 %吐温-80)定容，即制得浓度为2～6 μg/mL系列标准溶液。用PBS缓冲液做空白对照，分别在427 nm处测定其吸光度。以浓度(C，μg/mL)为横坐标，吸光度(A)为纵坐标，绘制标准曲线。

1.3.6.4 载药性能的影响因素考察

采用吸附法测定姜黄素溶液吸附前后在427 nm处的吸光度。木薯淀粉水凝胶对姜黄素药液的载药量按式(1)、(2)计算，对其进行各因素载药性能影响研究。

(1)

(2)

式中:C0表示姜黄素初始药液浓度，mg/L；Ct表示姜黄素t时刻的药液浓度，mg/L；Ce表示姜黄素平衡药液浓度，mg/L；Qt表示t时刻的载药量，mg/g；Qe表示平衡载药量，mg/g；V表示姜黄素药液体积，L；m表示加入木薯淀粉水凝胶的量，g。

1.3.6.5 姜黄素释药性能的考察

将纯姜黄素与最佳条件下负载于水凝胶中的姜黄素作为对照，分别置于含有10 mL PBS缓冲液的洗净的透析袋中，透析外液为500 mL PBS缓冲液，37℃恒温振荡，设定振荡时间分别为0.5、1、2、3、5、8、10、12、24、36、48、72 h后，分别取10 mL样品液于比色皿中，随后补充10 mL新PBS缓冲液，保持缓冲体系稳定[9]。在最大吸收波长处测吸光度，带入标准曲线方程计算药物浓度，计算累积释药百分率并作累积释药曲线。

2 结果与讨论

2.1 红外图谱分析

木薯淀粉水凝胶红外图谱如图1所示。

图1 木薯淀粉水凝胶红外图谱Fig.1 Infrared map of tapioca starch hydrogel

由图1可知，原淀粉在3 432 cm-1，1 640 cm-1，1 380 cm-1，1 157 cm-1，1 006 cm-1处有强吸收峰，其中3 432 cm-1处为葡萄糖单元中-OH的伸缩振动吸收峰[10]，1 640 cm-1处为羰基C=O吸收峰，1 380 cm-1处为C—C的弯曲振动吸收峰，1 157 cm-1处为淀粉中糖苷键C—O—C的特征吸收峰[11]，1 006 cm-1为骨架振动峰。水凝胶除了有原淀粉本身的吸收峰外， 3 429 cm-1附近峰变宽是存在N—H对称和不对称宽峰，1 678 cm-1附近出现C—N链的伸缩振动峰，是酰胺特征峰[12]，说明丙烯酰胺成功嫁接到淀粉骨架上。

2.2 核磁共振图谱分析

木薯淀粉水凝胶核磁图谱如图2所示。

图2 木薯淀粉水凝胶核磁共振图谱Fig.2 Nuclear magnetic resonance spectroscopy of tapioca starch hydrogel

由图2可知，δ=1.27～1.80 ppm是丙烯酰胺中亚甲基上氢的位移[13]，δ=5.00～6.50 ppm是丙烯酰胺特征基团酰胺基团上氢的位移。核磁谱图证明丙烯酰胺已经成功接枝。

2.3 X射线衍射图谱分析

木薯淀粉水凝胶X射线衍射图谱如图3所示。

图3 木薯淀粉和水凝胶XRD图Fig.3 XRD pattern of cassava starch and hydrogel

原淀粉XRD衍射图约在15°、17°、18°、23°附近有衍射峰，这是多结晶区域，水凝胶的XRD衍射图在20°左右，结晶进一步减少，分子间氢键被破坏，说明木薯淀粉发生反应成水凝胶后改变了原有的结晶。淀粉分子链上具有很多羟基，亲水性很强，但是淀粉颗粒不溶于水，这是因为羟基之间通过氢键结合，颗粒中水分也参与形成氢键的缘故。淀粉颗粒内部有结晶和无定形区域，后者具有较高的渗透性，化学反应主要是发生在这个区域，反应后的水凝胶主要为无定形，渗透性升高，溶胀性能良好[7]。

2.4 木薯淀粉水凝胶机械性能分析

水凝胶作为药物输送系统需要足够的机械强度，这样才可以承受器官收缩期间的压力并延长药物在人体内滞留时间，具有较小机械强度的水凝胶可能经过器官收缩导致碎裂[14]。传统有机交联的水凝胶力学性质差，在较小外力或形变作用下易碎，本实验使用丙烯酰胺接枝木薯淀粉制备的水凝胶，由图4可知，木薯淀粉水凝胶能够拉伸至原来的5倍甚至更长长度都不断裂，用手指充分压缩后能够迅速回弹，恢复原有形状并且还能够保持凝胶体完整，能够在进行打结时凝胶样品不发生破坏，表现出优异的机械性质[15]。

图4 水凝胶机械性能测定Fig.4 Determination of mechanical properties of hydrogel

2.5 木薯淀粉水凝胶载药性能分析

2.5.1 姜黄素及姜黄素-PBS缓冲液最大吸收波长测定

由图5、图6可知，姜黄素溶液以及姜黄素-PBS缓冲液在λ=427 nm处有最大吸收，由此可以确定姜黄素及PBS缓冲液的最大吸收波长为427 nm。

图5 姜黄素最大吸收波长图Fig.5 Maximum absorption wavelength of curcumin

图6 姜黄素-PBS缓冲液最大吸收波长图Fig.6 Maximum absorption wavelength of curcumin-PBS buffer

2.5.2 姜黄素标准曲线测定

将配制的2～6 μg/mL的姜黄素溶液，在427 nm处分别测定其吸光度，结果如图7所示。

图7 姜黄素标准曲线图Fig.7 Curcumin standard curve

姜黄素溶液在427 nm处的回归方程为A=0.148 39C+0.012 54(R2=0.999 8)，由标准曲线可知，姜黄素浓度在2～6 μg/mL线性关系良好。

2.5.3 姜黄素-PBS缓冲液标准曲线测定

将配制的2～6 μg/mL的姜黄素PBS缓冲液溶液，在427 nm处分别测定其吸光度，结果如图8所示，在427 nm处的回归方程为A=0.141 32C+0.018 55(R2=0.999 85)，由标准曲线可知，姜黄素PBS缓冲液的浓度在2～6 μg/mL线性关系良好(图8)。

图8 姜黄素-PBS缓冲液标准曲线图Fig.8 Curcumin-PBS buffer standard curve

2.5.4 各因素对木薯淀粉水凝胶载药性能的影响

2.5.4.1 时间对水凝胶载药性能的影响

称取0.1 g水凝胶，加入到500 mL 100 μg/mL的姜黄素药液中，置于转速120 r/min，35℃恒温摇床中振荡，吸附时间分别为0.25、0.5、1、2、4、6、8、10、12 h，每次取1 mL吸附后药液在25 mL容量瓶中用20%乙醇溶液定容，在紫外分光光度计中测其吸光度，计算其浓度及载药量。实验结果如图9所示。

图9 吸附时间对水凝胶载药量的影响Fig.9 Effect of time on hydrogel loading

由图9可知，初期水凝胶对药物快速吸附，0.5 h达到最大载药量，随后载药量开始降低，因为时间越长药液中的水分进入到水凝胶中，使得水凝胶溶胀，药液中乙醇浓度变大会使水凝胶脱水，姜黄素脱附，载药量降低[16]。

2.5.4.2 乙醇浓度对水凝胶载药性能的影响

称取0.1 g水凝胶，加入到500 mL 100 μg/mL的姜黄素药液中，置于转速120 r/min，35 ℃恒温摇床中振荡吸附0.5 h，每次取1 mL吸附后药液在25 mL容量瓶中分别用体积分数为15%、20%、30%、40%、50%的乙醇溶液定容，在紫外分光光度计中测其吸光度，计算其浓度及载药量。实验结果如图10所示。

图10 乙醇浓度对水凝胶载药量的影响Fig.10 Effect of ethanol concentration on hydrogel drμg loading

由图10可知，溶液中乙醇的体积分数对水凝胶负载姜黄素有较大的影响[17]。载药量随着乙醇体积分数呈现先增大后减小的趋势，当乙醇体积分数为20%时，达到最大载药量。乙醇体积分数较低时，姜黄素不能完全溶解，载药量较低；当乙醇体积分数超过20%后，载药量逐渐下降，这是由于溶液中乙醇浓度过高，会使溶胀的水凝胶失水缩小，吸附的药液流出，使载药量降低，所以以体积分数20%的乙醇水溶液配制姜黄素溶液效果最佳[18-19]。

2.5.4.3 温度对水凝胶载药性能的影响

称取0.1 g水凝胶，加入到500 mL 100 μg/mL的姜黄素药液中，置于转速120 r/min，温度分别为25、30、35、40、45 ℃恒温摇床中振荡吸附0.5 h，每次取1 mL吸附后药液在25 mL容量瓶中用20 %乙醇溶液定容，在紫外分光光度计中测其吸光度，计算其浓度及载药量。实验结果如图11所示。

图11 温度对水凝胶载药量的影响Fig.11 Effect of temperature on hydrogel loading

由图11可知，由于吸附时间较短，温度较低时，凝胶未能完全溶胀，不利于姜黄素的吸附，所以载药量较低，在35 ℃时，达到最大载药量，随着温度升高，姜黄素不稳定，降解速度加快，而且水凝胶的温度敏感特性使得高温时水凝胶急剧收缩[20]，药物脱附，所以水凝胶载药量变低。

2.5.4.4 药液初始浓度对水凝胶载药性能的影响

分别称取0.1 g水凝胶，加入到500 mL初始浓度为60、70、80、90、100、110 μg/mL的姜黄素药液，用20%乙醇溶解，置于转速120 r/min，35 ℃恒温摇床中振荡吸附0.5 h，每次取1 mL吸附后药液在25 mL容量瓶中分别用20%乙醇溶液定容，在紫外分光光度计中测其吸光度，计算其浓度及载药量。实验结果如图12所示。

图12 药液初始浓度对水凝胶载药量的影响Fig.12 Effect of initial concentration of drμg solution on drμg loading of hydrogel

由图12可知，随着姜黄素投药量的增加,水凝胶的载药量不断增加,药液初始浓度达到100 μg/mL时达到最大载药量，此时药液初始浓度达到饱和载药量，浓度继续增加，溶液过饱和，姜黄素溶解不完全使得载药量反而又呈下降趋势。所以水凝胶对姜黄素的有效吸附需要一个最佳的料药比，药液初始浓度过高会使其载药量降低[21]。

2.6 释药性能分析

由图13可知，纯姜黄素释药迅速，5 h时发生突释，释药率达到60%以上，8 h几乎释放完全，释药率达到99%以上。而负载于水凝胶中的姜黄素在介质中的释药过程分为3个阶段：(1)突释阶段。0～2 h药物释放非常迅速，这一阶段释放的主要是吸附在水凝胶表面的药物[22]。(2)缓慢释放阶段。2～48 h，释药曲线逐渐平稳，药物缓慢而均匀的释放入介质中，释药量逐渐增加。(3)平衡缓释阶段。48～72 h这一阶段水凝胶内的药物与水凝胶附近介质内的药物达到吸附-解吸平衡，随着介质内的药物向介质本体的扩散，以及水凝胶在介质中的溶胀、解体，有少量药物向外释放[23-24]，释放速率开始变缓。最终，水凝胶内仍保留一部分药物，直到72 h时累计释药量达到80%。与纯姜黄素对比，负载于水凝胶中的姜黄素释药呈规律性变化，所以采用水凝胶作为载体以达到药物缓释的效果[25]。

图13 水凝胶药物缓释效果图Fig.13 Hydrogel drμg sustained release effect diagram

3 结论

对水凝胶进行性能研究结果表明，木薯淀粉水凝胶具有良好的力学性能，机械强度良好，适合作为药物缓释的载体材料。通过对木薯淀粉水凝胶载药因素的考察，木薯淀粉水凝胶的载药性能良好，最佳载药条件为载药时间0.5 h，乙醇浓度为20%，温度为35 ℃，药液初始浓度100 μg/mL，载药量可达到100 mg/g。通过对比纯姜黄素发现，负载于水凝胶中的姜黄素具有药物缓释效果，且效果良好。该研究为淀粉水凝胶载药性能的研究提供一定的实验依据，提高了木薯淀粉的附加值。