pH 敏感性离子凝胶/静电纺丝复合材料的制备及应用

范云凯，马莹莹，张昕昀，李秀霞

（渤海大学食品科学与工程学院，生鲜农产品贮藏加工及安全控制技术国家地方联合工程研究中心，辽宁锦州 121013）

pH 敏感性是指材料的结构会随环境酸碱性而变化，通常含有羧基、氨基和磺酸基等可解离的基团，解离程度随着环境pH 值的变化而改变，失去或得到质子，内外离子浓度发生改变。天然高分子聚电解质可作质子的供体或受体，在不同pH 值条件下聚电解质的带电情况不同，分子间的氢键和静电作用发生改变，影响分子链的伸展状态，从而导致其结构的改变[1-2]。具有酸性羧基基团的阴离子聚合物（如聚丙烯酸、聚谷氨酸等），在碱性条件下，侧基去质子化而呈亲水性，适合于肠道内营养功效组分或药物的控制释放，而阳离子聚合物（如壳聚糖和纤维素等） 在酸性条件下获得质子形成阳离子基团，在溶液pH 值继续升高至7.0 左右时，除了羧基进一步电离，静电排斥作用增强外，阳离子型材料中的碱性基团去质子化，使得阴离子和阳离子间的静电引力减弱，分子链更加舒展，微粒溶胀加剧，活性成分快速释放[3]。因此，筛选合适的离子型材料，可使阴阳离子聚合物间通过电荷作用发生交联，凝胶化形成纳米颗粒，利用该种材料在不同pH 值条件下收缩性和膨胀性，可实现生物活性成分的肠道定向释放。在这一方向上，医学方面的研究较多，利用材料在较低pH 值下保持稳定，在较高pH 值下释放药物，常用作口服药物的控制释放，而在食品的应用方面还处于初步阶段。

1 常见的pH 敏感性材料

1.1 壳聚糖

壳聚糖是一种阳离子聚合物，分子中含有大量氨基和羟基，张欣等人[4]采用离子凝胶法制备了壳聚糖- 三聚磷酸钠纳米颗粒，用于包封布洛芬，所得载药微胶囊表现出良好的pH 敏感性。王宏丽等人[5]制备了海藻酸钠和壳聚糖凝胶，实现了药物在不同pH 值条件下的被动靶向释放，但其负载能力有限。姜雪[6]采用离子凝胶法通过自组装制备了pH 敏感性药物载体，为后续在胃里而不释放在肠道里的释放药物的负载奠定了基础。Lucinda-Silva R M 等人[7]将海藻酸盐和壳聚糖通过凝胶的方式包埋氟羟氢化泼尼松，观察所制成的药物在模拟胃肠道环境中的变化。而通过静电纺丝技术制备食品和药物缓释载体在材料选择上具有很大的灵活性，且利用聚合物载体的生物可降解性可以延缓药物在生物体内的作用时间，增加负载量。

1.2 丙烯酸树脂

（聚甲基丙烯酸- 聚乙基丙烯酸酯） 共聚物被广泛用于胃肠道pH 依赖性药物释放壁材[8]。L100-55 型丙烯酸树脂在pH 值5.5 以上溶解[9]，Lee S H 等人[10]开发一种pH 敏感性纳米复合材料，首先通过带负电的氨基碱性硅铝酸镁和带正电的牛血清蛋白（BSA）自组装获得络合物AC-BSA，络合物干燥之后加入到壳聚糖溶液中，形成包被糖基壳聚糖的复合物GACBSA，最后加入到L100-55 型丙烯酸树脂（pH 值5.5以上溶解） 中形成EGAC-BSA 纳米复合材料，在pH值1.2 条件下，AC-BSA 在2 h 内实现快速释放药物，而EGAC-BSA 表现出缓慢的药物释放，EGAC-BSA 的pH 依赖性药物释放特性可以有效保护BSA 免受胃中酸性环境的侵害，并将大部分BSA 输送到肠道中。pH 依赖性的包衣层可以减少药物在酸性条件下的过早释放，保护蛋白质不被酶解；也可能是因为EGAC- BSA 在肠内溶出肠包衣层后转化为阳离子GAC- BSA，通过静电相互作用与带负电的肠黏膜之间黏附在黏膜表面，便于细胞摄取增加药物在胃肠道中的停留时间。Surya R 等人[11]制备了一种新型聚丙烯酰胺接枝丁二醇壳聚糖/ 膨润土（AAm-g-NB/SC） 的pH 敏感复合材料，作为紫杉醇控释的载体。在pH 值7.4 时紫杉醇的释放量达到了最大值，在16 h 内，pH 值1.2 时约15.6%的紫杉醇释放，而在pH 值7.4 时约有82.5%的紫杉醇被释放。模拟胃和肠道的pH 值，在溶液pH 值分别为1.2，6.8和7.4条件下，复合材料的溶胀动力学试验结果表明，在酸性条件下羧基大部分以质子化的形式出现，当pH值接近中性条件下时，脱质子的羧酸盐阴离子的存在导致复合材料发生溶胀。因此，该复合材料的溶胀基本发生于环境pH 值大于其pKa 情况下，在碱性条件下，羧酸脱质子与亲水官能团之间的静电作用减弱，导致膨胀，被包埋的物质分子释放到溶剂介质中。

1.3 聚氨基酸

聚氨基酸含有羧基和氨基，在体内可降解为氨基酸，安全且生物相容性好，常用作药物载体。Muriel Mundo J L 等人[12]将γ - 聚谷氨酸溶液逐渐加入到ε - 聚赖氨酸溶液中，形成聚电解质复合物，随着γ - 聚谷氨酸溶液增加浊度、粒径变大，当混合物的pH 值为8～12 时，溶液透明，这是因为2 种聚电解质此时都带负电存在静电斥力抑制形成聚合物，混合物的pH 值在5～8 浊度较高，这是因为两者之间存在强静电吸引，pH 值在3～4 浊度较低，没有形成较大的聚合物。Németh C 等人[13]制备了一种用于包被维B12能快速溶解的阳离子型聚天冬酰胺纤维，以乙醇作为溶剂，采用聚合物质量分数为20%～30%的聚天冬氨酸乙醇溶液进行纺丝，82%的聚合物溶胀，同时90%的维生素释放，在pH 值6.8 条件下，82%的聚合物溶胀，90%的维B12释放。Ma J 等人[14]将聚苯丙氨酸（PPhe） 与聚赖氨酸（PLL） 结合，形成了一种新型的两亲性阳离子嵌段共聚物——聚赖氨酸-β - 聚苯丙氨酸（PLL-β-PPhe），并在水溶液中自组装成胶束，通过临界胶束浓度、粒径、共聚焦激光扫描显微镜等方法验证了胶束的稳定性。然后用聚谷氨酸屏蔽了聚赖氨酸- β - 聚苯丙氨酸胶束的正电荷，降低了细胞毒性，药物释放研究表明，聚赖氨酸- β - 聚苯丙氨酸胶束对pH 值敏感，在pH 值7.4，6.8 和5.0 时，释放的阿霉素分别达到53.0%，65.0%和72.0%。Wang Y 等人[15]利用带有正负电荷的聚赖氨酸和聚谷氨酸之间的静电相互作用形成了共聚物混合物，自组装成聚离子胶束（PCM），此种聚离子胶束在pH 值6.8 时解离更快。

2 离子凝胶/静电纺丝技术

2.1 离子凝胶技术

离子凝胶法是指离子可与带相反电荷的大分子物质发生静电吸附作用，其中离子作为交联剂交联大分子，机理是阳离子聚合物的氨基在酸性条件下经过质子化形成阳离子的NH3+，与阴离子通过电荷作用发生交联，凝胶化形成纳米粒子，利用凝胶法可包埋生物活性成分[6-7]。

海藻酸盐常用于制备水凝胶，但海藻酸盐凝胶网络结构多孔性强，包埋物扩散率高，限制了其应用。BušiA 等人[16]采用海藻酸钠和乳清蛋白作为基材，可可粉（CP） 和角豆荚（C） 辅助构建凝胶网络，多酚类物质的负载能力得到提高，而可可粉和角豆荚的加入则延长了多酚类物质和羟基肉桂酸的释放。Xiao J X 等人[17]报道了一种基于羧甲基壳聚糖- 阿拉伯胶凝胶的pH 依赖性肠道靶向递送材料，首先制备负载BSA 的羧甲基壳聚糖- 阿拉伯胶微胶囊，将牛血清蛋白水溶液与大豆油混合，然后加入阿拉伯胶溶液，再将此溶液与同体积的羧甲基壳聚糖混合，将溶液的pH 值调成3.0，4.5，6.0 悬浮液离心之后的沉淀浸入京尼平溶液中进行交联，收集微胶囊进行冷冻干燥，研究发现在胃、小肠和结肠模拟溶液中的BSA 的释放量依次增加，高pH 值可以增强该胶囊的胃肠道靶向递送效力。Dhanya George P 等人[18]利用L- 组氨酸偶联壳聚糖、纳米氧化锌颗粒和双醛纤维素制备功能化复合纳米水凝胶HIS-CHGZ，这种水凝胶被用于运载柚皮苷、槲皮素和姜黄素这3 种多酚，分析了该负载多酚的复合纳米水凝胶在不同条件下的释放性能，与壳聚糖- 纤维素水凝胶（CHG） 相比，纳米氧化锌显著提高了凝胶的溶胀能力，组氨酸的基团质子化使其在pH 值＞3 时溶胀，HIS- CHGZ 呈现出高孔隙的三维交联结构，结构更加稳定，且在高pH 值下溶胀率增加。Rakhshaei R 等人[19]引入石墨烯量子点（GQDs） 作为一种新型安全的羧甲基纤维素（CMC） 交联剂，用于制备可生物降解和生物相容性的水凝胶，采用铸型法制备CMC/GQDs 薄膜，结果表明纯CMC 水凝胶膜表面均匀，随着GQDs 含量的增加，膜的表面形貌变得粗糙，纳米复合材料表面有聚集的现象，低浓度CMC 基质中GQDs 的较好分散，可能是由于CMC 与GQDs 之间氢键作用的结果。溶胀研究显示，pH 值7.4 时纳米复合材料的溶胀率明显高于pH 值1.2 时，这表明制备的纳米复合材料具有较高的pH 敏感性。

影响离子化合物中芯材释放的因素主要有粒径大小、离子强度和溶液pH 值等，其中离子强度和介质溶液pH 值是重要的影响因素。Yamamoto Y 等人[20]研究了pH 敏感性离子复合物中索立芬的释放机理，索立芬与牛黄胆酸和卵磷脂聚合物发生相互作用，在酸性条件下，电离作用减弱，索立芬被解离并迅速释放出来，在磷酸盐缓冲液中阳离子渗透到基质中，取代药物缓慢释放，粒径的大小影响索立芬的释放，而释放介质中pH 值和阳离子浓度是最重要的影响因素。

2.2 静电纺丝技术

静电纺丝是一种通过静电作用力制备纳米纤维的技术，是通过施加电荷从聚合物溶液或熔融聚合物中拉出纤维的一种技术，电子纤维的直径从纳米级到微米级的变化是通过改变聚合物溶液性质或者是调节静电纺丝的参数来控制的。目前，用来制备控释体系的高分子载体主要包括两大类：①天然高分子物质。包括蛋白类物质（如海藻酸钠[21]、黄原胶[22]、明胶[23]、玉米醇溶蛋白[24]等） 和多糖类物质（如环糊精[25-26]、壳聚糖[27]、纤维素[28]等）。②合成的高分子物质。包括丙烯酸[29]、聚乳酸、聚乙烯醇[30]等。静电纺丝天然产物静电纺丝纳米纤维在食品工业中的应用，主要表现在作为包装材料对食品进行包装保护，以及作为载体材料对药物、蛋白质、益生菌等进行负载，对其活性进行保护及实现胃肠道的控制释放。此外，在食品检测等方面也有应用[31]。影响静电纺丝过程的因素主要有溶液性质、工艺参数、环境参数等，且这些因素之间彼此关联、相互影响[32-33]。溶液浓度对纳米纤维的直径和形貌有重要的影响。在静电纺丝的过程中，溶液浓度过低时，得到的纤维多为不连续的串珠状纤维；溶液浓度过高时，在针头尖端处的液滴因溶剂的快速挥发固化而堵塞针头，不能生成连续的纤维[34]。Wongsasulak S等人[35]制备玉米醇溶蛋白复合静电纺丝液，所用试剂有玉米醇溶蛋白、壳聚糖、聚环氧乙烷，同时还有生育酚，使用流变仪在控制剪切速率下表征静电纺丝溶液样品的流变性质，当生育酚添加到复合材料中后，大幅度增加了表观黏度和剪切增稠性能，但没有影响纤维的形态。

同轴静电纺丝已广泛应用于控制纤维二级结构，用于包封药物或生物制剂，对于成功的同轴静电纺丝具有足够的流体性，通过“黏性”克服2 种溶液之间的界面张力的黏度。Yang J M等人[36]采用了改进的同轴纺丝可以平稳连续地运行，没有任何堵塞。与单流体静电纺丝工艺相比，得到的玉米醇溶蛋白纤维表面和横截面直径更小，体外溶出试验证明同轴工艺的纤维表现出更好的缓释曲线。同轴过程仅使用不可固定的乙酸作为鞘液，以防止喷丝头堵塞，用于平滑和连续的静电纺丝过程来生产纳米纤维具有更高的质量和更好的性能。工艺参数包括纺丝电压、接收距离、纺丝流速等。纺丝电压为静电纺丝提供了动力，是影响纤维形成的一个重要因素。环境参数包括温度和湿度2 个方面。

2.3 离子凝胶法和静电纺丝技术的结合

目前，制备食品包埋体系的微胶囊和微球等方法很多，但达到可控的纳米级别的难度较大，静电纺丝技术为制备稳定的纳米包埋体系提供了可能，将溶胶凝胶法与静电纺丝技术相结合是一种非常适合制备聚合物/纳米粒子复合纳米纤维的方法。一些学者在离子凝胶法和静电纺丝法相结合包埋活性成分方面进行了相关研究，Pirzada T 等人[37]通过混合正硅酸乙酯（TEOS） /乙醇溶胶凝胶和聚乙烯醇（PVA）溶液制备了直径小于150 nm，且形态无缺陷的SiO2/PVA 复合纳米纤维。Wen P 等人[27]首先采用离子凝胶法制备了负载牛血清白蛋白的壳聚糖纳米颗粒，又以海藻酸盐为壳层，负载牛血清白蛋白（BSA） 的壳聚糖纳米颗粒为核心层，制备了同轴纳米膜，所制备的纳米膜表面光滑，BSA 在纳米颗粒和纳米膜中的结构完整。体外释放结果显示，在前2 h 只有一小部分BSA 在模拟胃液中释放，这是因为海藻酸盐在酸性条件下不溶，保护了纤维膜的溶胀，当纳米膜转移到小肠液中后纳米膜的溶胀程度使BSA 释放增加，而在结肠液中有75%的BSA 释放，说明离子凝胶/静电纺丝纳米纤维膜是一种有前途的pH 值敏感的特异性运载材料。Wang P 等人[28]以乙基纤维素为外层材料，以负载姜黄素的明胶水凝胶为内层材料，采用连续静电纺丝法制备多层膜，结果表明连续电纺法在食品领域具有良好的生物活性包封和控释前景。Muriel Mundo J L 等人[12]使用γ - 聚谷氨酸阴离子聚合物和ε- 聚赖氨酸阳离子聚合物形成聚电解质复合物，研究结果表明阳离子聚合物和阴离子聚合物可用于组装静电配合物，可以用来封装保护生物活性物质，可能有助于设计有效的口服给药系统。Wen Y 等人[38]利用离子凝胶法将三聚磷酸盐（TPP） 溶液加入到已经与藻蓝素混合的壳聚糖溶液中，得到藻蓝素纳米粒子，将纳米粒子和聚乙烯醇组成芯材，海藻酸钠和聚氧乙烯（PEO） 组成壁材，将低聚半乳糖加入到芯材中，通过同轴静电纺丝得到负载藻蓝素的低聚糖纳米纤维膜，纤维均匀光滑，藻蓝素完全包被在纳米粒子中，随着pH 值升高，释放率增加，是有潜力的结肠靶向递送材料。

3 结语

人体消化道的pH 值由低到高逐渐增加，食品中的益生菌、多酚等功效成分在胃中容易受其酸性环境的影响而发生水解、变性等变化而活性降低或失去活性，开发一种在胃中不溶解而在小肠中溶解，并在结肠中充分膨胀的稳态化材料，对于降低食品营养和功效成分在胃中的首过效应、提高其消化利用率具有重要的意义。离子凝胶法是一种常用的制备pH 敏感型材料的方法，而静电纺丝技术则可制备一种形态好且高负载率的纳米纤维，常用于生物和医学材料领域，这2 种技术结合并应用于食品功效成分的稳态化技术中，有望在保持材料pH 敏感性的同时还能提高活性成分的负载率，有着良好的应用前景。