用共轭亚油酸构筑层状液晶的药物传递系统

樊 晔,李 倩,方 云,夏咏梅

(江南大学化学与材料工程学院,合成与生物胶体教育部重点实验室,无锡 214122)

溶致液晶是表面活性剂水溶液浓度增大时形成的一类有序自组装体,分为六角相、层状相和立方相.目前,溶致液晶广泛应用于纳米材料制备[1～5]、日用化学品[6,7]、三次采油[8]及药物载体[9～15]等领域.溶致液晶用作药物传递系统(DDS)不仅具有高载药量和高生物利用率等优点而且具有缓/控释功能,其中层状液晶的结构与细胞膜骨架磷脂双分子层结构较相似,具有更好的膜通透性,已用于经皮给药系统[9～11]及黏膜给药系统[12～15]等.已有研究表明溶致液晶材料多为一些无毒低刺激的非离子表面活性剂,如辛基酚聚氧乙烯醚(TX-100)[16,17]、脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO)系列[18,19]、卵磷脂[20]或单油酸甘油酯[12,21,22]等,而脂肪酸通常只作为溶致液晶的油相[23]或助表面活性剂[24,25],很少以其为主构筑溶致液晶并用于DDS的研究.

脂肪酸作为生物质小分子原料,具有来源广泛、价格低廉、环境和生物相容性好等优点; 调整pH即可调节水溶液中羧酸及其共轭碱的比例,表现出良好的自组装活性和形貌多样性; 构筑层状液晶可以显示其在DDS中的应用潜能.共轭亚油酸(CLA)存在于自然界中,并可通过来源丰富的亚油酸半合成转化,具有一定的抗氧化性和抗癌性等[26,27].在本课题组前期研究[28～30]基础上,本文将通过调节水相中CLA与其钠盐(SCL)的比例,借助偏光织构并辅以目测确定CLA/SCL/H2O三元体系中层状液晶相区; 利用偏光显微镜、小角X射线散射仪和旋转流变仪综合考察了层状液晶相中含水量、CLA/SCL比例及温度变化对层状液晶结构及流变性的影响; 并以层状液晶作为亲水性药物5-氟尿嘧啶及亲油性药物姜黄素的DDS,考察了其体外释药性能.该研究对利用脂肪酸构筑层状液晶具有理论指导意义,对探索其DDS应用具有实用价值.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

CLA(纯度≥95%),大连医诺生物有限公司; SCL,自制; 5-氟尿嘧啶(5-FU)、姜黄素和其它试剂均为分析纯,国药集团化学试剂有限公司; 超纯水(电阻率为18.2 MΩ·cm),自制.

Axio Imager A2POL型热台偏光显微镜(德国Carl Zeiss AG公司); CP70ME型超速离心机(日本Hitachi公司; SAXSpoint2.0型小角X射线散射仪(SAXS,奥地利Anton Paar公司); DHR-3型旋转流变仪(美国Waters公司); SHZ-B型水浴恒温振荡器(上海博迅医疗生物仪器股份有限公司); TU-1950型双光束紫外-可见分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司); 透析袋(截留分子量3500,上海源叶生物科技有限公司).

1.2 CLA/SCL/H2O三元体系的偏光纹理测定

在25 ℃下,将CLA与SCL按不同质量比混合均匀,在磁力搅拌下逐渐加入水相中,静置自组装48 h后于20～40 ℃温度范围内用热台偏光显微镜观察载玻片和盖玻片间样品的偏光纹理并摄影; 目测观察样品的外观及黏稠度,两者结合确定层状液晶相区.

1.3 层状液晶的稳定性

以100000 r/min的转速对层状液晶区内选定的实验点离心10 min,根据分相情况及偏光纹理判断实验点是否为单相体系.

1.4 SAXS测定

在25 ℃下对样品进行SAXS测试,铜靶,波长0.1542 nm,测试电压50 kV; 根据所得散射矢量比(q1∶,q2∶,q3)判断样品的液晶类型,并计算层间距(d).

1.5 流变性测定

1.6 体外释药

采用透析法考察负载5-FU层状液晶的体外释放.将3 mg 5-FU与1 g层状液晶材料在磁力搅拌下进行简单混合,静置48 h后获得负载5-FU层状液晶.称取定量载药液晶于透析袋中,密封置于pH=7.4的磷酸盐缓冲液中,在37 ℃下以80 r/min的速率在水浴恒温振荡器中振荡,定时从缓冲介质中取样5 mL并补加5 mL新鲜介质.用紫外-可见分光光度计测定样品于266 nm处的吸光度,计算体外释药实验中5-FU的累计释放率(CR).在负载姜黄素层状液晶的体外释药过程中,为了有利于释出的油溶性药物姜黄素稳定在缓冲介质中,溶出介质选用pH=7.4含30%(体积分数)乙醇的磷酸盐缓冲液,测定波长为430 nm,其它过程与5-FU相同.

2 结果与讨论

2.1 用偏光织构判别三元相图中层状液晶相区

Fig.1 Phase diagram of CLA/SCL/H2O system at 25 ℃(A),textures of the lamellar liquid crystals(Lα) obtained by polarizing microscopy before(B) and after(C) ultracentrifugation

在25 ℃下用偏光显微镜初步判断CLA/SCL/H2O三元体系的层状液晶相区,结果见图1(A),其中偏光纹理显示出油纹状织构的Lα区为层状液晶相区,目测显示中等黏度; 实验点a1,a2至a3表示固定CLA/SCL比例而增加水含量,实验点b1,b2至b3表示固定水含量而增加CLA/SCL比例.由图1(B)可见,6个实验点明显的油纹状织构初步表明皆为层状液晶[9,23,24]; 由图1(C)可见,经超速离心处理后样品并无明显分层现象,其偏光纹理照片仍保持明显的十字花和油纹状织构,可以确认为层状液晶,排除了为SCL层状液晶稳定的CLA/H2O型乳状液的可能性.以这6个实验点为代表研究不同因素对层状液晶的结构、流变性以及体外释药性能的影响.

2.2 层状液晶的相参数

Fig.2 SAXS patterns of Lα at 25 ℃ corresponding to different water contents(a1—a3)(A) and CLA contents(b1—b3)(B)

Table 1 Compositions and the related Lα parameters obtained by SAXS

2.3 层状液晶的流变性

Fig.3 Viscosity(η) vs. shear of the a series(A) and the b series(B) at 25 ℃

图3给出了流变曲线,可见6个实验点的黏度随着剪切速率的增大而不断降低,是典型的切稀流体,这可能缘于层状液晶层间在剪切下滑移导致黏度下降.由图3(A)可见,含水量增加导致剪切黏度略微减小,这是由于d值增大使层间更易滑移; 图3(B)进一步表明CLA含量增加导致剪切黏度有所降低,也与d值增大有关.层状液晶用于DDS时会受到外界的挤压和振荡,从而引起流变性乃至液晶稳定性改变.上述实验结果表明该层状液晶不因剪切而发生相转变,因此具有一定的抗剪切能力,组成在一定范围内变化也不会显著影响其抗剪切能力,推断其作为DDS可较长时间稳定,有利于药物缓释.

动态流变性可以反映振荡对层状液晶结构的影响.固定频率为1 Hz,以实验点a1和b1为例进行应力(σ)扫描,得到G′,G″和复合模量(G*)与σ的关系,由图4(A)和(C)可知,G′和G″不随应力变化的区域为线性黏弹区,而后接近临界应力(σc)时G′减小而G″增加,大于σc后2个模量均迅速下降.由图4(B)和(D)的G*-σ关系获得6个实验点的σc值列于表2,可以看出,σc值随含水量增加而不断减小,说明层状液晶结构变得更为松散而不稳定;σc值随CLA含量增加也有类似规律.

Fig.4 Linear viscoelastic region and critical stress of Lα at 25 ℃(A) Stress sweep of a1 at 1 Hz; (B) complex modulus(G*) vs.shear stress(σ) of the a series; (C) stress sweep of b1 at 1 Hz; (D) complex modulus(G*) vs.shear stress(σ) of the b series.

Table 2 Steady-state and dynamic rheologicalparameters of Lα at 25 ℃

Fig.5 Storage modulus(G′) and loss modulus(G″) as a function of ω for the a series(A) and the b series(B) at 25 ℃

图5给出了在线性黏弹区内层状液晶的G′和G″与角频率(ω)的关系.可以看出,在整个频率范围内,G′比G″约高1个数量级,且随着ω增加G′变化不大,而G″出现最小值,这是层状液晶较为典型的流变特征.将同一频率(ω=1 rad/s)下的模量值列于表2,可以看出,随含水量增加G′和G″值均减小,这是由于水含量增加会增大液晶层间距,层层相互作用变弱所致; CLA含量增加也会导致类似结果.通常层状液晶的动态流变性好表明弹性好及液晶界面膜稳定,由于该层状液晶具有良好的黏弹性,因此在DDS方面具有应用前景.

以实验点a1和b1为例研究温度对层状液晶的影响.当温度由25 ℃升至37 ℃时,从图6(A)和(C)可见,体系的黏度基本不变或稍有降低,从图6(B)和(D)可见,样品储能模量与损耗模量曲线的形状基本保持不变,表明该层状液晶不会因从室温升高到人体温度而被破坏,因而适用于DDS.

Fig.6 Effect of temperatures on steady-state and dynamic rheology(A) η vs. of a1; (B) G′ and G″ as a function of ω for a1; (C) η vs. of b1; (D) G′ and G″ as a function of ω for b1.

Fig.7 Cumulative release(CR) rate of 5-FU(A) and curcumin(B) in PBS solution at 37 ℃ and schematic illustration for drug release mechanism of lamellar liquid crystal DDS(C)

2.4 层状液晶的DDS行为

层状液晶负载药物的原理为简单增溶,只需与药物简单混合即可,比其它包埋方法简单; 既可负载亲水性药物也可负载亲油性药物[9～15,19～24],载药量高; 且其双分子层结构具有优秀的膜通透性.由于层状液晶是表面活性剂浓溶液,分为层内和层间结构,不存在稀溶液中胶束相以外的稀水相,故通过增溶的负载量近似为投药量.上述流变实验结果表明,CLA/SCL/H2O层状液晶具有良好的抗剪切能力及黏弹性,并且在一定温度范围内可保持自身结构及流变性基本不变,表明具有用于DDS的潜能.分别研究了用4种CLA/SCL/H2O层状液晶负载和缓释亲水性药物5-FU及亲油性药物姜黄素的性能.作为对照,图7(A)和(B)插图中给出了游离药物的释药曲线.图7(A)为2种含水量的负载5-FU层状液晶的缓释曲线,48 h内5-FU基本达到释药平衡; 自12 h后释药速度较为缓慢,且层状液晶水含量较低者(a1)释药速度更慢且更均一,表明层状液晶结构越紧致或层间距越小越有利于缓/控释亲水性药物.图7(B)为2种CLA含量的负载姜黄素层状液晶的缓释曲线,姜黄素在48 h内基本达到释药平衡,0～24 h时间内释药速度极为均一,且CLA含量变化对其影响不大.这是因为疏水性药物姜黄素自层状液晶层内释放,而5-FU自层间释放,因而层状液晶具有更好的缓/控释疏水性药物的能力.层状液晶对2种药物均有较好的缓释能力,其释药机理如图7(C)所示.

3 结 论

以CLA为分子砌块,与其钠盐SCL共同在水中构筑层状液晶体系,利用偏光显微镜并辅以目测初步确定了体系的层状液晶相,结果显示,易于获得较为宽阔的层状液晶相区.偏光显微镜、小角X射线散射仪和旋转流变仪获得的偏光织构、层间距等相参数、稳态和动态流变参数等表明,含水量和CLA含量增加均使层状液晶的黏度降低、层间距增加,储能模量和损耗模量减小,从而使层状液晶结构更为松散; 而实验温度变化对层状液晶流变性的影响不大.因此,该层状液晶具有良好的抗剪切能力和黏弹性,及良好的耐温变能力,具有用作DDS的潜能.采用透析研究了负载亲水性药物5-FU或亲油性药物姜黄素的层状液晶作为DDS的体外释药曲线,表明层状液晶对这2种药物均有良好的缓释能力,48 h内药物基本达到释药平衡.研究结果可为脂肪酸层状液晶的理论研究和开发实际应用提供参考.