壳聚糖改性蒙脱石作为药物控释载体的研究

2020-07-15葛莹莹经梦丽

硅酸盐通报 2020年6期

彭琪，葛莹莹，陈琳，经梦丽

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

0 引言

蒙脱石(Montmorillonite，MMT)是矿物材料膨润土的重要组成部分[1]，在膨润土中所占比例最高，可达90%以上，但由于膨润土的产地不同，蒙脱石所占的比例也不尽相同，并且所含杂质也各种各样。将蒙脱石提纯后其外观通常为白色粉末，有时候也会是浅黄色或浅绿色的粉末，无味无毒且有滑腻感[2]。蒙脱石化学成分稳定、结构特殊，由两层硅氧四面体[SiO2]和一层铝氧八面体[AlO2(OH)4]构成，是比较典型的2∶1型层状硅酸盐，在晶体层间含有Ca2+、Mg2+等阳离子，可以和外部的无机或有机阳离子进行交换[3]。此外，蒙脱石不仅能吸附并抑制消化道内的细菌和病毒，而且能增强消化道的黏膜防御功能[4]。蒙脱石不仅具有良好的吸附和阳离子交换能力，而且安全无毒，这些特征使它在医药方面得到广泛的应用[5]。

壳聚糖(Chitosan，CS)又称为几丁质或脱乙酰壳多糖，是一种天然高分子碱性多糖，是甲壳素的脱乙酰产物[6]。壳聚糖分子中存在氨基、羟基以及一些N-乙酰氨基，表现出较为活泼的化学性质[7]。酸性条件下分子中氨基和质子结合使自身带有正电荷，因此，壳聚糖是天然多糖中少见的带正电荷的高分子。由于壳聚糖具有优良的生物相容性，并且其降解时只能被结肠菌群所产生的特有糖苷酶系所降解，被研究者广泛用于口服结肠靶向给药系统的研究[8-9]。

5-氟尿嘧啶(5-Fluorouracil,5-FU)，分子式为C4H3FN2O2，是一种抗代谢肿瘤药物，常作为临床抗癌药物用于结肠癌、直肠癌、胃癌、乳腺癌、头颈部癌等多种肿瘤的治疗[10]。但是5-氟尿嘧啶的毒副作用比较强，在使用的过程中有强烈的胃肠道反应，会干扰胃肠的正常功能。

本文首先对钙基蒙脱石进行钠化处理，然后采用壳聚糖对钠基蒙脱石进行有机化改性，制备出壳聚糖改性蒙脱石(CS-MMT)，通过XRD、FT-IR等表征手段对其进行分析。以5-FU为模型药物，制备出载药复合物5-FU/CS-MMT，考察其载药量及其在人工模拟胃液、小肠液和结肠液中的释药情况。

1 实验

1.1 试剂和仪器

实验试剂为壳聚糖(脱乙酰度≥95%，粘度40～50 mPa·s)、钠基蒙脱石(由信阳市方浩实业有限公司生产的膨润土原矿提纯后制得)、5-氟脲嘧啶(阿拉丁公司)、氯化钠、95%乙醇、盐酸、冰乙酸、甲醛、氯化铵、异丙醇、酚酞、硝酸银。试剂均为分析纯，水为二次蒸馏水。

实验仪器采用FA2004型电子天平(上海越平科学仪器有限公司)，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)，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)，TGL-16G型离心机(上海安亭科学仪器厂)，SHZ-D(Ⅲ)型循环水式真空泵(巩义市予华仪器有限责任公司)，DZF-6020型真空干燥(上海比朗仪器有限公司)，SX-5-12型箱式电阻炉(天津市泰斯特仪器有限公司)，Rigaku-Mini Flex600型X射线衍射仪(日本理学株式会社)，TENSOR-27型傅立叶变换红外光谱仪(德国布鲁克公司)，HITACHI-U3900H紫外分光光度计(上海百贺仪器科技有限公司)。

1.2 壳聚糖改性蒙脱石的制备及表征

将采自信阳市方浩实业有限公司的膨润土采用静沉降法进行提纯，把提纯后的沉淀加入一定量1 mol/L NaCl溶液中，于65 ℃下搅拌、离心。多次水洗沉淀，将沉淀真空干燥，研磨，过200目筛备用。

取少量以上制得的MMT，测定其阳离子交换容量(Cation Exchange Capacity,CEC)[11]。将CS分别按照MMT的0.5倍、1.0倍、1.5倍和2.0倍CEC的用量，和MMT一起加入到2%HAc溶液中，于60 ℃搅拌反应6 h，离心，洗涤沉淀至中性，干燥过夜，研磨，制得0.5 CEC、1.0 CEC、1.5 CEC和2.0 CEC CS-MMT。

采用高温灼烧法，测定CS-MMT系列复合物的有机化程度[12]。

使用X射线衍射仪(Rigaku-Mini Flex 600型)进行X射线衍射分析(XRD)，分析条件为：管电压40 kV，管电流15 mA，扫描范围3°～40°，扫描速度5°/min；使用傅立叶变换红外光谱仪(TENSOR-27型)进行红外光谱分析(FT-IR)。

1.3 标准曲线的制作和有机改性蒙脱石的载药量分析

称取一定量5-FU，溶解于0.1 mol/L HCl溶液中并于100 mL容量瓶中定容。分别移取2 mL、4 mL、6 mL、8 mL、10 mL、12 mL以上溶液于100 mL容量瓶中，用0.1 mol/L的HCl溶液定容。以0.1 mol/L的HCl溶液作为空白试样，在265 nm处测吸光度，制作标准曲线。

称取适量MMT和CS-MMT，分别加入水，搅拌至分散均匀。分别加入一定量 5-FU，在80 ℃下搅拌反应2 h，离心收集上清液，在265 nm波长处测定其吸光度，根据标准曲线计算出上清液中药物含量。沉淀物在80 ℃真空干燥10 h，研磨后即得5-FU/CS-MMT和5-FU/MMT载药复合物[13-14]。

1.4 载药复合物在体外人工模拟体液内的释放

分别称取适量的5-FU/CS-MMT和5-FU/MMT置于锥形瓶中，并加入pH值为1.5的人工胃液，摇匀。将锥形瓶置于水浴恒温振荡器中震荡，30 min后第一次取液，同时向锥形瓶内补充同体积的新鲜人工胃液。将离心后所得上清液在265 nm处用紫外分光光度计测吸光度，接着依次以1 h为间隔取液，同样补充新鲜的人工胃液，将溶液离心后，将上清液在265 nm处用紫外分光光度计测量，记录数据。

将pH值为1.5的人工胃液换成pH值为6.8的人工小肠液和pH值为7.4的人工结肠液，重复上述操作。

2 结果与讨论

2.1 CS-MMT和MMT的分析表征

采用氯化铵-50%乙醇法[15]，测得MMT的含量为95.7%，阳离子交换容量为71.5 mmol/100 g；采用高温灼烧法，测得0.5 CEC、1.0 CEC、1.5 CEC和2.0 CEC CS-MMT的有机化程度分别为17.17%、28.66%、28.85%和28.91%，结果表明，随着壳聚糖含量的增大，改性蒙脱石的有机化程度不断增加；但1.0 CEC后再增大改性剂用量，改性蒙脱石有机化程度增加并不明显。

2.2 FT-IR分析

图1是MMT、CS及1.0 CEC CS/MMT的FT-IR谱。图中MMT的特征峰有3 601 cm-1处自由羟基-OH的伸缩振动峰，和915～1 100 cm-1处-SiO的伸缩振动峰。3 309 cm-1处是-NH2的伸缩振动峰，2 864 cm-1处是-CH2的伸缩振动峰，1 628 cm-1处是-CONH-的弯曲振动峰，1 570 cm-1处是-NH的振动吸收峰，这是CS的系列特征吸收峰。对比CS-MMT与CS、MMT的红外谱图发现，插层复合物的红外光谱图中既有MMT在3 601 cm-1处的-OH伸缩振动和1 010 cm-1处的-SiO伸缩振动峰，又有CS的众多特征吸收峰，并且复合物中MMT在3 455 cm-1处-OH的伸缩振动峰变宽，这表明MMT上的羟基与CS上的氨基形成了氢键，该结果显示CS已经插入了钠基蒙脱石的片层间或者吸附在其表面。

图1 MMT、1.0 CEC CS-MMT和CS的FT-IR谱
Fig.1 FT-IR spectra of MMT, 1.0 CEC CS-MMT and CS

图2 MMT和1.0 CEC CS/MMT的XRD谱
Fig.2 XRD patterns of MMT and 1.0 CEC CS/MMT

2.3 XRD分析

图2为MMT和1.0 CEC CS/MMT的XRD谱。根据d(001)峰的值，可以计算出蒙脱石的层间距。从图可知，钠基蒙脱石的层间距离不到1.2 nm，而对于1.0 CEC的CS-MMT，层间距的值为1.300 nm。由层间距的变化可以看出，壳聚糖的加入增大了蒙脱石的层间距，这表明壳聚糖已经成功插入到蒙脱石层间。因此，在后续实验中，CS-MMT的最佳比例为1.0倍CEC。

2.4 5-FU标准曲线的制作和载药量分析

将5-FU配制成不同浓度的溶液，在265 nm处测定其吸光度，所得结果如表1所示。并依据此做出5-FU的标准曲线，结果见图3。

表1 5-FU标准曲线的测定Table 1 Standard curve for determination of 5-FU

图3 5-FU的标准曲线Fig.3 Standard curve of 5-FU

采用紫外可见分光光度法，在265 nm处测定溶液上清液中5-FU的含量。根据图3中5-FU的标准曲线，计算上清液中5-FU的浓度[16]。计算结果表明，1.0 CEC CS-MMT对5-FU的吸附率为62.22%，载药量达到393 mg/g；而在相同条件下，MMT对5-FU的吸附率为43.50%，载药量为239 mg/g。

2.5 体外释放实验

图4是5-FU/CS-MMT和5-FU/MMT在体外人工模拟体液中的累积释药情况，实验结果表明，5-FU/CS-MMT在pH值分别为1.5、6.8、7.4的人工胃液、人工小肠液以及人工结肠液中释放，受pH的影响比较显著。其中在pH值为7.4的人工结肠液中释放的最快最多，在pH值为6.8的人工小肠液中的释放量次之，在pH值为1.5的人工胃液中的释放量最少，所以从中可以看出在中性和弱酸性条件下5-FU/CS-MMT中的5-氟尿嘧啶可以更多地释放出来。而5-FU/MMT在人工模拟体液中的释放情况与5-FU/CS-MMT的释放情况相反，即5-FU/MMT在酸性较强的人工胃液中的释放情况最好，在人工结肠液中次之，在人工小肠液中的释放情况最差。相比较可知，5-FU/CS-MMT在人工模拟结肠液中的累积释药率最大，可达34.5%，并使药物的有效浓度长时间保持恒定，由此可知，CS-MMT有望做为一种载药量大、稳定性好的pH型口服结肠定位给药材料。