半纤维素基阿维菌素载药微囊的制备及性能

2020-08-17张林雅薛伟顾丽敏

化工进展 2020年8期

张林雅，薛伟，顾丽敏

（河北科技大学化学与制药工程学院，河北石家庄050018）

在人类赖以生存的大自然中，植物木质纤维素是自然界中极为丰富的植物资源，植物木质纤维素主要由3 种成分组成，即木质素、纤维素和半纤维素。其中的半纤维素为无定形物质，聚合度低、吸水易润胀，组成半纤维素的结构单元主要有D-木糖基、D-甘露糖基、D-葡萄糖基、D-半乳糖基和D-阿拉伯糖基等[1-3]。半纤维素的聚合度一般为150～200，糖单元中除了葡萄糖分子，还可能有木糖、半乳糖、甘露糖、阿拉伯糖、葡萄糖醛酸和半乳糖醛酸等多种混杂形式存在[4]。这种多类型支链和不定形结构以及不同类型的多官能团，如醛基、羟基、羰基、甲氧基、醚键等，赋予了不同半纤维素复杂的化学结构和性质，同时拓展了不同半纤维素的应用空间[5]。半纤维素作为一种富饶的天然可降解植物资源，近年来，有关其改性及功能化的应用研究不断深入及拓展，成为可再生资源在绿色化工方面的一个重要方向[6-8]。

载药微囊是选择一定的基体为壁材，使药物在体系内维持一定的浓度，并且达到有效释放[9]。载药微囊具有保护药物、减少用药次数、延长持效期、提高药物利用率、减少环境污染等优点，在医药行业中已有非常广泛的应用[10-13]。载药微囊的制备方法包括界面聚合法[14]、原位聚合法[15-16]和凝聚法等[17-18]。其中原位聚合法较为简单易行，具有载药量高、成球性好、成本低、粒径和壁厚可控等优点。王镭等[19]以原位聚合法制备了脲醛树脂毒死蜱微囊，壳芯比为0.94，反应温度为40℃，制得的微囊载药量可达67.66%。彭涛[20]采用原位聚合法制备脲醛树脂环氧树脂微囊，芯壁比为1.2∶1，pH 为3.0，反应温度为70℃，载药量为62%，粒径分布较均匀，平均粒径约160μm。

阿维菌素是一种高毒性的十六元大环内酯类化合物，在国内外广泛应用于寄生虫、线虫和体外寄生虫的治疗，具有广谱高效、持效期长、安全性好等特点[21]。其缺点是光解性强、容易失效，而目前市面上广泛采用是阿维菌素乳油剂型，内含大量有机溶剂，对环境污染造成了极大影响[22]。将半纤维素作为微囊原料，制备半纤维素基阿维菌素载药微囊，可赋予载药微囊优异的降解性和生物相容性，达到环境友好和高效持久的目的，在药物载体和绿色化工领域具有非常重要的应用研究价值。

本研究以黏胶生产废液中提取的半纤维素、甲醛和尿素为原料，通过原位聚合法制备出半纤维素基阿维菌素载药微囊（HDCM），包覆过程如图1所示。探讨制备条件对HDCM 载药量的影响，利用电子显微镜、红外光谱、激光粒度分析仪分析表征HDCM 的分子结构和微观形貌，考察HDCM 的热降解和储存稳定性能，并研究其释放动力学，确定释放性能。

1 实验部分

1.1 主要试剂

半纤维素（HC，木糖75%～83%，甘露糖10%～12%，葡萄糖6%～11%，半乳糖0.9%～1.4%，葡萄糖酸醛＜0.8%），工业品，唐山三友集团；无水氯化锂（LiCl）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、聚乙烯醇（PVA）、间二苯酚、尿素、甲醛、乙腈、丙酮、甲醇、辛基苯酚聚氧乙烯醚（OP-10），化学纯，石家庄市现代试剂公司；阿维菌素原药，工业品，石家庄威远生物化工有限公司。

1.2 载药微囊的制备

1.2.1 阿维菌素乳液的制备

称取1g 阿维菌素原药加入到50mL 蒸馏水中，滴加0.06g 乳化剂OP-10，搅拌均匀，利用高速分散机乳化10min，得到阿维菌素乳液。

1.2.2 半纤维素载药微囊预聚体的制备

将1.0g LiCl 溶解于30mL DMF 中，加入1.0g HC 升高温度至85℃，抽真空使HC 完全溶解，然后分别加入25.0g 甲醛和8.0g 尿素，搅拌30min，随后加入0.5g PVA 和间二苯酚，待完全溶解后降至40℃，调节pH至9，反应1h制得预聚体。其中，PVA 与间二苯酚作为系统稳定剂防止微囊粘连聚沉在一起[23]。

1.2.3 载药微囊HDCM的制备

HDCM的制备如图2所示，将阿维菌素乳液与预聚体搅拌30min，混合均匀，体系温度升至65℃并调节pH 至3.5，反应3h 结束，体系降至室温，经离心、洗涤、烘干得微囊HDCM。

图2 载药微囊HDCM的制备

1.3 测试及表征

1.3.1 阿维菌素标准曲线建立

称取0.01g 阿维菌素原药溶于100mL 甲醇中，加入1000mL 蒸馏水稀释，超声分散10min，制备出100mg/L阿维菌素溶液，按照同样的方法分别制备1mg/L、5mg/L、10mg/L 和50mg/L 的阿维菌素溶液。以甲醇溶液作空白参照，利用紫外分光光度计对阿维菌素溶液在200～800nm 范围内进行全波段扫描，分别记录不同浓度的阿维菌素溶液在245nm处出现的吸光度数值[24]。阿维菌素的标准曲线和拟合方程如图3所示。

图3 阿维菌素的标准曲线

1.3.2 载药量测定

用电子天平精确称取m1=0.1g 的微囊，在研钵中充分磨碎，将磨碎的微囊加入到50mL 丙酮中浸泡并持续搅拌，使微囊的囊壁充分溶解，每隔24h过滤掉已溶解的囊壁并用丙酮多次洗涤，再倒入50mL 丙酮继续浸泡，重复上述操作两次，将3 次过滤得到的滤液进行干燥称重得m2，计算载药量X按式(1)计算[24]。

1.3.3 表征与形貌

利用溴化钾进行压片，采用Thermo Nicolet Nexus 670 红外光谱仪对HDCM 样品在频率区间500～4000cm-1的范围内进行扫描，得到HDCM的红外光谱图。称取0.1g HDCM 样品，将其分散于50mL 蒸馏水中，搅拌10min，得到HDCM 的分散液，吸取0.5mL分散液于表面皿上，利用100CX-2电子显微镜观察载药微囊的形貌。

1.3.4 粒径

将0.1g HDCM样品加入到50mL蒸馏水中，搅拌10min，得到均匀分散的HDCM溶液。设置激光粒度仪的折射率为1.33，超声时间60s，分散介质为水。样品池中滴加少量的HDCM分散液，采用WJL-602激光粒度分析仪测定其粒径以及粒度分布。

1.3.5 热失重（TGA）和恒温热稳定性

准确称取0.005g 载药微囊，采用STA 449C（NETZSCH）同步热分析仪测定热失重曲线，设置温度范围为0～300℃，升温速率为10℃/min。将0.05g样品置于55℃下测定恒温热稳定性，追踪测定样品质量的变化，时间间隔为2h，测量时间为10h。

1.3.6 储藏稳定性和释放动力学

称取0.1g HDCM 样品，分别以30mL 水、乙腈和乙腈水溶液为介质，常温搅拌均匀，采用TU-1810 紫外分光光度计测定样品在245nm 处的吸光度。释放动力学选取时间间隔为12h，测定介质中阿维菌素浓度的变化，计算累积释放量。储藏稳定性选取每隔7天测定水中阿维菌素浓度的变化，计算累积释放量。累积释放量的计算按式(2)进行[25]。

式中，Mt为t时间内阿维菌素的累积释放量，mg；Ct为t时刻测定的阿维菌素在释放介质中的浓度，mg/L；v为每次取出的释放介质体积，mL；V为释放介质的总体积，mL。

采用不同的释放模型方程拟合，释放模型方程如式(3)～式(6)所示[26-27]。

式中，Mt为t时刻的释放量；M∞为最终的恒定释放量， mg；k0、kH、km分别为Zero-order、Higuchi 和Makoid-Banakar 的模型系数，mg/h；k1为First-order模型系数，h-1；n为扩散指数。

2 结果与讨论

2.1 载药微囊HDCM的最佳制备条件

图4 制备条件对HDCM载药量的影响

芯壁质量比、pH 和温度对于载药微囊的载药量及粒径分布的影响如图4和图5所示，对粒径大小的影响如图6所示。当芯壁质量比较小时，不利于壁材完整包覆阿维菌素，HDCM 的载药量较低。随着壁材质量比例增大，载药量提高，同时HDCM的粒径逐渐变大。当芯壁质量比为1∶34时，微囊的载药量最大，粒径最小为38.2μm。但壁材含量过多时，容易造成壁材的彼此粘连，进而导致HDCM载药量的下降和粒径增大。酸性条件下有利于HDCM 的制备，当pH 较低时，预聚体发生聚合反应的速率较慢，载药量和粒径较小，而pH 较高时，易造成HDCM乳液的破乳絮凝，引起载药量下降。当pH=4 时，粒径最小为46.9μm。HDCM 载药量直接受制备温度的影响，当制备温度较低时，壁材预聚体的合成属于亲电取代反应，温度低导致电子云密度降低，不利于预聚体的形成，壁材聚合速度慢，载药量较小。而温度的上升可加快壁材聚合速度，提高载药量，但过高温度易引起HDCM乳液的破乳，同时诸多副反应发生造成壁材的相互团聚，引起载药量下降和粒径增加[28-29]。当反应温度为65℃时，微囊的载药量最大，粒径最小为38.8μm。探讨制备HDCM的适宜条件为芯壁质量比1∶34、pH=3.5、温度65℃左右，在此条件下HDCM的粒径较小，载药量可达到66.5%。

2.2 载药微囊HDCM的FTIR 表征

阿维菌素原药和HDCM 的红外谱图如图7 所示，阿维菌素表现出的特征峰包括3345cm-1处的—OH 吸收峰、1739cm-1处的—C==O 吸收峰、2953cm-1和1350cm-1处的—CH3和—CH 吸收峰、729cm-1和582cm-1处的苯环吸收峰、1152cm-1处的—C—O—C 吸收峰，而HDCM 在3318cm-1、1658cm-1和1553cm-1处出现新的特征吸收峰，归属于—NH—C==O 键，并且1152cm-1处—C—O—C 的吸收峰更加明显，表明完成了载药微囊的包覆过程。图6(b)中不同载药量载药微囊的红外谱图曲线高度重合，并且随载药量的增大，—NH—C==O 以及—C—O—C的特征吸收峰呈愈加明显的趋势。

图5 不同制备条件下HDCM的粒径分布

图6 不同的影响因素对HDCM粒径的影响

图7 阿维菌素、HDCM和不同载药量HDCM的FTIR谱图

2.3 载药微囊HDCM的形貌

载药量分别为19.4%和66.5%微囊的SEM图如图8所示。由图可知，低载药量微囊的包覆情况不理想，只有极少部分载药微囊出现，存在大量没有包覆的壁材或者包覆不完整的现象，粒径不均一并且出现微囊相互交联的状况。而高载药量的载药微囊分布均匀，分散性较好，包覆效果好且没有出现交联破囊的现象。

2.4 载药微囊HDCM的热分解性

阿维菌素原药和载药微囊HDCM 的热分解曲线如图9所示。从图中可以看出，阿维菌素原药的热分解主要分为3 个阶段：第一阶段在30～100℃，主要为溶剂挥发，质量损失在5%～10%；第二阶段在100～230℃，是阿维菌素末端羟基以及醚键的裂解阶段，损失质量为总质量的25%左右；第三阶段在230～300℃，是阿维菌素骨架断裂以及微囊炭化的阶段，损失质量为总质量的30%左右，该阶段的最大分解温度为261℃。HDCM 的热分解温度比阿维菌素原药有所提高，其最大分解温度为272℃，其主要原因是微囊囊壁形成积炭沉积在阿维菌素的表面，形成了一层隔绝氧气和传热的保护层，延缓了阿维菌素的进一步分解，宏观上表现为HDCM的热稳定性提高[30-31]。

2.5 载药微囊HDCM的恒温热稳定性

阿维菌素原药和HDCM 的恒温热稳定性对比如图10 所示，包覆后HDCM 的热稳定性明显优于阿维菌素，HDCM的热降解量要少于阿维菌素。阿维菌素原药的降解率在10h 后达到了12.1%，而载药量为66.5%的HDCM 降解率仅为5.2%。不同载药量的载药微囊在相同的温度下保持着类似的热稳定性，并且与之前的热降解性分析结果相符合。载药量的高低影响着降解量，载药量越高相对应的热降解量就越低。高载药量HDCM 的囊壁更加均匀，表现为其热降解量较小一些，恒温热稳定性有所提高，保护效果明显。

2.6 载药微囊HDCM的储存稳定性

不同温度下载药微囊HDCM 的储存稳定性对比如图11 所示，囊外浓度随储存时间及储存温度的增加呈缓慢增长趋势。HDCM交联网状的囊壁具有一定的韧性和强度，其药物释放性随着时间延长和温度升高逐渐表现出来。HDCM 在低温（0℃）的条件下28 天内没有明显变化，其囊外浓度仅从4.85mg/L增加到16.98mg/L，增长量仅为12.13mg/L，增长幅度较小。而在较高温度或较长时间之后，释放速度可迅速提高，温度为50℃时，其囊外浓度从10mg/L增长到32.5mg/L，增长明显，说明温度可以影响HDCM的药物可控性。

2.7 载药微囊HDCM的释放动力学

载药微囊HDCM 的释放动力学研究有助于深入了解HDCM的可控释放性。阿维菌素、HDCM在不同溶剂中的释放曲线图如图12 所示，其相关释放模型的动力学参数列于表1～表3 中。阿维菌素、HDCM在水中的累积释放率都呈现先快速增大然后缓慢增加的趋势。阿维菌素的累积释放率在12h之内即达到了83.8%，而HDCM 的累积释放率在24h之后才逐渐增大，12h 时其释放率仅为33.7%，表明HDCM 具有极好的缓释性能。表1 中，阿维菌素、HDCM在水中Makoid-Banakar模型的拟合参数R2分别为0.799 和0.723，较之其他模型更接近1，表明其释放过程更好地满足了Makoid-Banakar 模型机理。同理，表2 和表3 中，阿维菌素、HDCM在乙腈和乙腈水溶液中的Makoid-Banakar 模型拟合参数R2均达到0.9 以上，满足Makoid-Banakar 模型释放机理。

图8 不同载药量的HDCM的SEM图

图9 阿维菌素和HDCM的TGA/DTG曲线图

图10 不同载药量载药微囊HDCM的恒温热失重

在Makoid-Banakar 模型的释放机理中，当扩散指数n＜0.45 时，药物的释放机制为Fick 扩散；当0.45＜n＜0.89 时，药物的释放机制为non-Fick；当n＞0.89 时，药物的释放机制属于骨架溶蚀。表1～表3中的数据表明，阿维菌素和HDCM在水、乙腈和乙腈水溶液中，Makoid-Banakar模型的扩散指数均满足n＜0.45，其释放机理属于Fick扩散。阿维菌素从HDCM 中释放出来的速率主要受扩散速率的影响，随着外界温度、酸碱性、水流运动等环境因素的变化，HDCM的稳定性随之改变，进而引起水分进入HDCM 内部，阿维菌素从HDCM 内部释放出来[32-33]。