雏鸡用水凝胶药物载体的研制

2022-10-20孙媛媛梁春彩张海龙刘聚祥

中国畜牧兽医 2022年10期

孙媛媛，梁春彩，张海龙，刘聚祥

(河北农业大学动物医学院，保定 071000)

在养鸡业生产中，雏鸡从孵化场到饲养场需要经历较长时间的运输过程，在此期间雏鸡不能采食和饮水，这种运输应激会对它们的健康和生长性能产生不利的影响[1]。最好的方式就是让其在运输过程中尽量维持采食和饮水，以保证它们能持续生长发育。高吸水凝胶含有大量水分，既可以作为储水材料，也可以作为药物、营养物质的载体，雏鸡用水凝胶主要用于运输过程中为雏鸡补充水分和营养物质，是一种加水搅拌即用型高吸水凝胶。使用时可将凝胶撒在运输箱内，供雏鸡自由采食。

“凝胶”这一称呼是19世纪后期由胶体化学创始人Grahan首次提出，现代的凝胶相关研究则开始于水凝胶领域中的明胶。水凝胶是一种以水为分散介质，在水中溶胀但不溶解的多孔交联聚合物[2]。水凝胶中亲水基团如-OH、-CONH-、-CONH2和-COOH的存在可以使水分牢牢地吸附在凝胶的三维网状中，使其有较强的吸水保水性能，吸收大量液体呈凝胶态，即使在一定的压力下也不容易失去水分并保持自身形态[3-5]。水凝胶作为一种新型的载体，因其具有保水性、生物相容性和制备工艺简单等优点，近年来在农业、医药和化工等领域引起广泛的关注[6-7]。

聚丙烯酸钠高吸水树脂(sodium polyacrylate super absorbent polymer,SAP)是通过聚合反应的方法制成的具有三维网络的高分子聚合物，因其具有亲水基团和多孔结构，可吸收大量水分子而呈凝胶状，同时其本身的交联网状结构及氢键作用限制了它的无限膨胀，因其吸水量大、保水性强、安全无毒，在各个领域具有广泛的用途，成为人类生活和国民经济中不可缺少的材料，市场前景广阔[8-10]。麦芽糊精(maltodextrin,MD)是以淀粉或淀粉质为原料，经酶法低度水解、精制、喷雾干燥制成的不含游离淀粉的淀粉衍生物，是一种介于淀粉和淀粉糖之间的多糖类低转化产品，也是一种营养性多糖，可在体内降解。麦芽糊精溶解速度快，含有众多羟基，水溶性好，能提高亲水性胶体的分散性能[11-12]。瓜尔豆胶(guar gum,GG)也称瓜尔胶，是从瓜尔豆的胚乳中分离得到的一种非离子型多糖化合物，价格低廉，在自然界广泛存在。瓜尔豆胶分子结构为直线型，主键为(1，4)-β-D-甘露糖单元，侧键由单个的α-D-半乳糖以(1，6)键与主键相连[13]，为天然高分子多糖类亲水性胶体，常作为食品添加剂使用，具有食用安全性，在水中也有较好的溶解性，可以赋予水溶液和其他悬浮液较高的黏性，还可与多糖类物质发生凝胶化或协同增黏作用。本研究将该3种物质作为基质进行水凝胶配方的筛选及优化，并对其结构、理化性质进行表征分析，以期为家禽生产提供一种使用便捷、价格低廉的水凝胶药物载体。

1 材料与方法

1.1 材料

聚丙烯酸钠高吸水树脂(批号：TK301)购自任丘市泉兴化工有限公司；麦芽糊精(批号：607L021)购自北京索莱宝科技有限公司；瓜尔胶(批号：J19 N10R103261)购自上海源叶科技生物有限公司。

电子天平(ME204E)购自赛多利斯科学仪器有限公司；超纯水仪(SMART-P)购自上海康雷分析仪器有限公司；电热鼓风干燥箱(GZX-9146MBE)购自上海博讯实业有限公司医疗设备厂；冷冻干燥机(LGJ-18)购自北京松源华兴科技发展有限公司；差示扫描量热仪(DSC3)购自梅特勒-托利多公司；冷场发射Regulus8100扫描电子显微镜购自Hitachi公司；Alpha红外光谱仪购自Bruker公司。

1.2 水凝胶制备

分别取一定量的聚丙烯酸钠高吸水树脂、瓜尔胶和麦芽糊精，搅拌混匀，在烧杯中加入适量水，用玻璃棒边搅拌边加入混合粉末，直至粉末充分吸收水分。

1.3 响应面法优化试验

根据前期预试验及单因素试验结果，确定以聚丙烯酸钠高吸水树脂、瓜尔胶、麦芽糊精的添加量为影响因子，以水凝胶的感官评分为响应值，进行三因素三水平的响应面试验设计，采用Design-Expert 10.0统计软件中的Box-Behnken法[14]对其进行响应面回归分析，考察高吸水树脂、麦芽糊精、瓜尔胶不同组合的感官评分，从而筛选出最佳组方。试验因素水平和感官评分标准见表1、2。

表1 响应面分析因素水平Table 1 Factor level of response surface analysis %

表2 水凝胶感官评分标准[15-16]Table 2 Sensory evaluation criteria for hydrogel[15-16]

1.4 表征分析

1.4.1 扫描电子显微镜(SEM)观察将制备好的样品先进行低温冷冻，然后放置在冷冻干燥机中干燥脱水48 h。使用冷场发射Regulus8100扫描电子显微镜对处理后的溶胀高吸水树脂和水凝胶样品进行分析，将块状样品粘到导电胶上，喷金后测试，观察样品形貌。

1.4.2 红外光谱(FTIR)分析使用Alpha红外光谱仪对高吸水树脂、麦芽糊精、瓜尔胶、物理混合物和冷冻干燥后的水凝胶样品进行分析。准确称取样品1 mg，将样品与无水溴化钾(1∶100，W/W)进行充分研磨混合，压缩成薄片后放置在红外光谱仪上进行分析。波数分辨率为0.1 cm-1，光谱扫描范围为500～4 000 cm-1。

1.4.3 差示量热扫描(DSC)分析使用差示扫描量热仪对GG、MD、SAP、物理混合物和冷冻干燥后的水凝胶样品进行分析，将样品称取适量后放入坩埚，盖上坩埚盖，测试时1个空坩埚作对照，1个装样品。工作条件：N2流速50 mL/min，温度25～350 ℃，升温速率10 ℃/min。

1.5 数据处理

所有试验数据均平行测定3次，基础数据采用Excel处理，响应面试验由Design-Expert 10.0软件进行设计分析，采用Origin 2017软件作图。

2 结果

2.1 水凝胶配方的优化

2.1.1 模型建立以单因素试验为基础，根据Box-Behnken设计原理，以高吸水树脂、麦芽糊精、瓜尔胶添加量为影响因素，以水凝胶的感官评分为响应值，设计了17组分析试验，感官评分为67.2～96.1(表3)。根据Design-Expert 10.0软件，对表3结果进行回归拟合分析，最终得到以感官评分(Y)为响应值的二次回归方程：Y=94.88+3.27A+1.70B+1.55C―1.42AB―1.98AC―2.43BC―10.58A2―11.33B2―7.93C2。

表3 响应面优化试验结果Table 3 Test results of response surface optimization

续表

表4 响应面试验结果方差分析表Table 4 Anova table of response surface test results

2.1.3 响应面图分析应用Design-Expert软件对试验结果进行分析，得到相应的二维等高线图和三维响应面图，结果见图1～3。响应面坡度越陡、等高线越接近椭圆且越稀疏，代表两两因素交互作用对响应值的影响越显著，响应值的改变越敏感。由图1～3可知，BC的曲面拱形较为陡峭，等高线为椭圆形且相对稀疏，其次是AC，而AB的曲面拱形不明显，等高线趋于圆形且相对密集。说明麦芽糊精和瓜尔胶添加量的交互作用对感官评分干扰最大，高吸水树脂和麦芽糊精添加量的交互作用对感官评分的干扰最小。该结果与表3中的回归分析结果相吻合。

2.1.4 优化配方与试验验证结果根据软件分析模型可以得出水凝胶的最佳配方为：4%高吸水树脂、10%麦芽糊精、1.5%瓜尔胶，余量为水；最佳感官评分为95.2。在此条件下，平行进行3次验证性试验，所得感官评分分别为94.5、93.8和94.8，平均值94.4。说明该模型可靠，预测性良好。

图1 高吸水树脂和麦芽糊精对水凝胶感官评分的二维等高线图(A)和三维响应面图(B)Fig.1 2D comtour plots (A) and 3D response surface plots (B) of super absorbent polymer and maltodextrin on sensory score of hydrogel

图2 高吸水树脂和瓜尔胶对水凝胶感官评分的二维等高线图(A)和三维响应面图(B)Fig.2 2D comtour plots (A) and 3D response surface plots (B) of super absorbent polymer and guar gum on sensory score of hydrogel

图3 麦芽糊精和瓜尔胶对水凝胶感官评分的二维等高线图(A)和三维响应面图(B)Fig.3 2D comtour plots (A) and 3D response surface plots (B) of maltodextrin and guar gum on sensory score of hydrogel

2.2 表征分析结果

2.2.1 水凝胶SEM结果溶胀状态下的高吸水树脂和水凝胶的SEM结果显示，二者都为多孔状结构，单独的高吸水树脂(A)呈薄、脆、结构不紧密且易脆碎，水凝胶(B)结构致密、空洞小且硬度较好(图4)。随着麦芽糊精和瓜尔胶的加入，它们不仅可以填充高吸水树脂之间的基质空间，使结构变厚，同时瓜尔胶和麦芽糊精含有大量羟基官能团，可以在复配体系中与树脂发生相互作用，形成相对封闭且紧密的网络结构。

图4 溶胀高吸水树脂(A)和水凝胶(B)扫描电镜照片Fig.4 SEM image of swelling of super absorbent polymer (A) and hydrogel (B)

2.2.2 FTIR分析结果通过红外光谱可以反映出水凝胶内部分子的相互作用。红外光谱结果见图5。由图5可知，高吸水树脂中，3 437 cm-1属于-OH伸缩振动峰，2 944 cm-1属于-CH伸缩振动吸收峰，1 714 cm-1为-COOH中C=O伸缩振动峰，1 571和1 407 cm-1为-COONa中C=O的反对称和对称伸缩振动峰，为高吸水树脂特征峰，510 cm-1属于Na-O的伸缩振动峰。相比于三者各自的红外光谱图，物理混合中未见高吸水树脂特征峰，明显可见麦芽糊精特征峰，而在凝胶中可以显示麦芽糊精和高吸水树脂特征峰，说明在小体积样品测试时，因为麦芽糊精的含量大，高吸水树脂特征峰被覆盖，而在制备凝胶的过程中，高吸水树脂吸水膨胀，在体系中占据较大体积，与麦芽糊精和瓜尔胶能够较均匀分布。水凝胶的红外光谱图未见新的峰出现，即未有新的基团产生。水凝胶在3 419 cm-1处有强吸收峰，相比于高吸水树脂(3 437 cm-1)、麦芽糊精(3 397 cm-1)和瓜尔胶(3 407 cm-1)来说居于三者之间，说明三者发生相互作用，有可能形成了分子间氢键。高吸水树脂中510 cm-1的Na-O峰在凝胶中消失，1 714 cm-1的峰向低波数(1 707 cm-1)移动，说明在形成凝胶的过程中Na+会脱离高吸水树脂结构，从而形成更多的羧基结构。

图5 水凝胶红外光谱图Fig.5 FTIR spectea of hydrogel

2.2.3 DSC分析结果水凝胶及各组分的DSC分析结果见图6。由图6可知，高吸水树脂在74和331 ℃左右有2个吸热峰，麦芽糊精也有2个吸热峰，分别在93.9和224 ℃左右，前一个吸热峰为失水峰，后一个吸热峰为麦芽糊精的熔点；瓜尔胶在84.8 ℃左右有吸热峰，为瓜尔胶的熔化温度。物理混合的DSC中大约可判断为麦芽糊精的DSC峰，与红外结果一样，DSC测试只取3～5 mg，只能测试出比例大的物质的峰，比例较小的物质峰因为含量太少被覆盖而未检测到。在水凝胶中2个吸热峰均向高温度方向移动，且复配体系的升温曲线在发生相转变时形成了宽峰，说明三者发生了相互作用，表现出了更好的热稳定性和相态稳定性。

图6 水凝胶差示扫描量热曲线Fig.6 DSC curves of hydrogel

3 讨论

该水凝胶制备方法简单，对设备要求不高，并且选取的3种基质均简单易得，价格便宜，是一种成本低、环境友好的载体。SAP是近年来兴起的一种高分子材料，其吸水倍率高、安全性能好、合成工艺简单。瓜尔胶和麦芽糊精水溶性好，在体内可降解，对畜禽无毒无害，在食品中已有较多的应用[17-18]，二者的加入可以提高SAP的生物降解性和生物相容性[19]。以此三者混合，加水制得的水凝胶可以在运输过程中给予雏鸡水分，同时还可以作为药物或营养添加剂的载体用于雏鸡，是一种较为新型的药物载体制剂。

3.1 水凝胶处方优化

采用响应面优化法进行组方优化，成功制备了复配水凝胶。初筛处方比例时，遵循用量较少原则，在使用尽量少的基质、较多水的前提下选取合适的比例。根据临床需求，以均匀度、黏稠度和分散性为感官指标，应用响应面法进行优化，且当因素数和水平设置相同时，采取Box-Behhnken试验设计，相较于中心复合试验设计更为简单，试验更为稳定可靠。基于此，3个因素与响应值感官评分构成了可以直观地反映出两因素之间的交互作用程度的等高线图和响应面图。等高线的轮廓是表示2个因素的交互规律，等高线越密集的地方表示二者共同作用越显著。响应面的坡度能反映出各个因素的影响程度，越陡峭则响应值对因素的改变越敏感[20-21]。本试验中，随着三者添加量的增加，感官得分呈先增加后下降的趋势，说明这3个因素对响应值均有较为明显的影响，高吸水树脂影响最大，麦芽糊精次之，瓜尔胶影响最小；且两两因素交互作用显著，麦芽糊精瓜尔胶交互作用影响最大，高吸水树脂瓜尔胶次之，高吸水树脂麦芽糊精影响最小。

3.2 水凝胶表征分析

扫描电镜是一种介于透射电子显微镜和光学显微镜之间的观测方法，可以对物质的微观形貌进行表征[22]。蔡旭冉[23]研究发现，加入黄原胶可使羧甲基淀粉的结构更加致密，孔隙更小，排列更加均匀，促进了体系三维网络结构的形成。闫慧敏等[24]制备了明胶/海藻酸钠/沙蒿胶复合水凝胶，通过扫描电镜观察显示，未添加沙蒿胶的结构松散，孔径较大，加入后有明显的多孔结构，且连通性较好，是沙蒿胶大量的羟基形成氢键所致，增强了复合水凝胶的网络结构。姚雪等[25]制备了魔芋葡甘聚糖和丙烯酸互穿网络凝胶，通过扫描电镜可以看出魔芋葡甘聚糖有大而散的空洞，二者结合后则具有细小均匀的孔，结构更加稳定。本试验中，添加麦芽糊精和瓜尔胶对高吸水树脂的结构有填充作用，三者分子间相互缠绕发生相互作用使结构更加致密，孔隙更加稳定，与上述文献结果较为一致。这种结构提供了小分子进出的通道，有利于水分子的扩散，更重要的是，它可以提高凝胶在载药过程和药物释放过程中的均匀性和稳定性，为后续凝胶载药提供了一定的结构基础。

傅里叶红外光谱可以对分子的化学键和多糖结构的有机官能团组成和变化进行鉴定和分析[26]。刘鹏燕等[27]研究显示，K-卡拉胶和黄原胶复合凝胶的O-H伸缩振动峰居于二者中间，是因为2个卡拉胶分子之间O-H氢键弱化而卡拉胶分子与黄原胶分子之间O-H氢键增强所致。白长壮[28]制得了丙烯酰胺表面改性纤维素复合凝胶并通过红外光谱发现，纤维素和聚丙烯酰胺分子链之间可能形成了新的分子间氢键。本试验结果与上述研究较为相似，水凝胶光谱峰中未有新的化学基团出现，1 571和1 407 cm-1为树脂中-COONa的特征峰，这与马蕊等[29]关于聚丙烯酸钠高吸水树脂的红外光谱分析结果一致。900～1 300 cm-1之间的峰为瓜尔胶和麦芽糊精共有的多糖结构特征峰，凝胶的O-H的伸缩振动吸收峰也发生了偏移，居于三者中间，说明物质的分子内氢键可能减少，形成了分子间氢键，并发生了分子间缠绕，这与扫描电镜结果相吻合。

差示量热扫描可以测量和对比样品和参照物的热量差，从而反映物质吸热放热过程，也可以分析化合物的熔点[30]。魏玉等[31]研究结果显示，复配胶体系的差示量热扫描曲线在发生相转变时形成了宽峰，有别于单体胶的热学性质，推测κ-卡拉胶与魔芋胶发生了一定程度的交互作用。本试验差示量热扫描结果显示，水凝胶的熔点峰向温度高的方向移动并且在100 ℃左右形成了宽峰，这与魏玉等[31]研究结果相类似，说明本试验的三者也发生了相互作用，热稳定性增加。