茶树精油壳聚糖复合材料的缓释行为研究*

葛　彦，葛明桥

(1. 江南大学 生态纺织教育部重点实验室，江苏 无锡 214122;

2. 南通大学 纺织服装学院，江苏 南通 226019)



茶树精油壳聚糖复合材料的缓释行为研究*

葛彦1,2，葛明桥1

(1. 江南大学 生态纺织教育部重点实验室，江苏 无锡 214122;

2. 南通大学 纺织服装学院，江苏 南通 226019)

摘要：以茶树精油、壳聚糖为主材，利用风干法、冻干法制备4种茶树精油壳聚糖复合材料，并测定材料中松油烯-4-醇的体外释放，运用改良的溶胀控释动力学模型对材料释放行为进行拟合和分析，探讨了茶树精油脂质体壳聚糖冻干材料的释放机理。结果表明，改良的溶胀控释模型能较好地描述茶树精油壳聚糖复合材料中的松油烯-4-醇体外释放行为，R2在0.9584～0.9976之间。茶树精油的分布和结合方式会对模型的拟合产生偏差。松油烯-4-醇在脂质体壳层上的分配效应控制茶树精油脂质体壳聚糖冻干材料的释药，导致松油烯-4-醇匀速、缓慢的扩散过程。

关键词：茶树精油；壳聚糖；复合材料；缓释；松油烯-4-醇

0引言

茶树精油是一种天然抑菌成分，浓度越高，抑菌效果越显著[1]。同时茶树精油组分受到光、温度、空气的作用极易挥发和氧化[2]，有报道支持这些氧化产物对人体皮肤有致敏性[3-4]。壳聚糖是一种重要的高分子基材，具有良好的生物相容性、生态相容性、广谱抗菌性、促进伤口愈合等功效，被广泛应用于食品科学、农业、医药和纺织行业中[5-7]。因此，理想的茶树精油壳聚糖复合材料不仅能够很好地包封住茶树精油组分，还能够提供容纳组织液的丰富孔道以及捕获致病微生物的致密网状结构。

本文以茶树精油、壳聚糖为主材，运用不同制备方法获得4种茶树精油壳聚糖复合材料，对材料中松油烯-4-醇的体外释放进行了比较分析，运用释放动力学模型探讨了茶树精油脂质体壳聚糖冻干材料的缓释机理。

1实验

1.1主要实验材料与试剂

茶树精油，TTO，南宁创新医药科技有限公司，松油烯-4-醇含量为46.96%；壳聚糖，CS，平均分子量为500 kDa，脱乙酰度80%；正十二烷、松油烯-4-醇，GC，梯希爱(上海)化成工业发展有限公司；大豆卵磷脂、胆固醇、乙酸、吐温-80等其它试剂为分析纯，购自于国药集团化学试剂有限公司。

1.2主要实验仪器

THZ-C型空气恒温振荡器，太仓市实验设备厂；ZXRD-7230型全自动鼓风干燥箱，上海智城分析仪器制造有限公司；2.5 L冷冻干燥机，美国Labconco公司；GC-2014C型气相色谱仪，日本岛津公司。

1.3茶树精油壳聚糖复合材料的制备

1.3.1茶树精油壳聚糖风干膜(A)

准确称取0.6 g壳聚糖溶于30 mL乙酸溶液(2%(体积分数))中，搅拌均匀后加入0.12 mL甘油，形成壳聚糖乙酸溶液。取0.12 mL吐温-80与0.15 mL茶树精油混合均匀，加入到壳聚糖乙酸溶液中，高速均质后静置脱泡即得铸膜液；将铸膜液倒入9 cm培养皿中，在烘箱中室温风干，即得茶树精油壳聚糖风干膜。

1.3.2茶树精油壳聚糖冻干材料(B)

将1.3.1的铸膜液倒入9 cm培养皿中，放入真空冷冻干燥箱中，-5 ℃预冻6 h，然后以10 ℃/h的速率降温至-55 ℃，维持30 min，再降温至-80 ℃，维持1 h，再升温至-55 ℃，同时真空度维持在1.2 Pa以下，冷冻干燥72 h，即得茶树精油壳聚糖冻干材料。

1.3.3茶树精油脂质体壳聚糖风干膜(C)

采用薄膜水化法制备含有1%(体积分数)茶树精油的脂质体悬液，获得的脂质体松油烯-4-醇包封率为97.81%[8]。

准确称取0.6 g壳聚糖溶于15 mL乙酸溶液(2%(体积分数))中，搅拌均匀后加入0.12 mL甘油，形成壳聚糖乙酸溶液。取15 mL茶树精油脂质体悬液加入该壳聚糖乙酸溶液中，高速均质后静置脱泡即得铸膜液；将铸膜液倒入9 cm培养皿中，在烘箱中室温风干，即得茶树精油脂质体壳聚糖风干膜。

1.3.4茶树精油脂质体壳聚糖冻干材料(D)

将1.3.3的铸膜液倒入9 cm培养皿中，按照1.3.2冻干程序冻干，即得茶树精油脂质体壳聚糖冻干材料。

1.4茶树精油壳聚糖复合材料中总松油烯-4-醇的含量测定

将茶树精油壳聚糖复合材料称重后分别置于具塞锥形瓶中，加入50 mL无水乙醇，振荡12 h，通过气相色谱法测定乙醇中的松油烯-4-醇含量[8]，计算复合材料中总松油烯-4-醇含量。

1.5茶树精油壳聚糖复合材料的松油烯-4-醇体外释放测定

将茶树精油壳聚糖复合材料剪成直径2 cm的圆片，称重后分别置于具塞锥形瓶中，加入100 mL，12 mmol/L pH值为7.2 PBS缓冲液，置于空气恒温振荡器中，37 ℃，振荡频率150 r/min，设定2，4，8，12，24，48，72，120和168 h取样，通过气相色谱法检测松油烯-4-醇的含量。松油烯-4-醇累积释药率根据累积释药百分率式(1)计算

(1)

其中，CTR为累积松油烯-4-醇体外释放率；cT为测得的PBS中松油烯-4-醇浓度，g/mL；V为PBS溶液的体积，mL；wT为复合材料中松油烯-4-醇的质量浓度，g/g；m为样品的质量，g。

2结果与讨论

2.1材料中松油烯-4-醇的释放行为

测定茶树精油壳聚糖复合材料的释放行为，结果如图1所示。

图1　茶树精油壳聚糖复合材料的松油烯-4-醇释放

Fig 1 Terpinen-4-ol release of tea tree oil/chitosan composites

由图1可知，茶树精油壳聚糖复合材料的累积释药率基本随着时间的增加而增大，表明在整个释药过程中，复合材料中的松油烯-4-醇都有释放。其中，B材料释药速率最大。其主要原因是由于缺乏脂质体包封，整个材料中的松油烯-4-醇处于完全游离的状态。与其它复合材料相比，它具有更高的游离松油烯-4-醇浓度和较大的孔隙率。由缓释药物扩散机理可知，当多孔材料表面浓度与介质浓度之间存在松油烯-4-醇浓度梯度时，有利于松油烯-4-醇扩散到介质中去，并且当浓度梯度增大时，扩散速度会加快，而当孔隙率较大时，扩散系数也增大，导致扩散速率进一步增大。因此，B材料初始释药速率最大，在4 h内即释放完全。

A材料由于其孔隙率小于B材料，因此松油烯-4-醇的扩散速率减小。但是,随着材料在PBS中不断地溶胀，孔隙率也在不断地增大。在2～4 h时，由于A材料的松油烯-4-醇浓度梯度大于B材料，而它们经过2 h的溶胀具有相似的孔隙率和扩散系数，根据Fick定律，此时的A材料释药速率要超过B材料。8 h，A材料的松油烯-4-醇也释放完全。

在2 h内，D材料约3%的游离松油烯-4-醇突释之后，进入匀速释药期，由于脂质体膜对茶树精油的包封，松油烯-4-醇的释放速率很慢。尽管壳聚糖冻干材料的孔隙率较大，具有较大的扩散系数，但是由于松油烯-4-醇在脂质体外层的分配系数也很大，因此松油烯-4-醇浓度梯度较小，使得释药速率被控制得较低。松油烯-4-醇的释放速率大约为0.04%/h，经1周的释放，材料中仅有10%左右的松油烯-4-醇被释放到PBS中。

C材料的表现介于A材料与D材料之间。由于采用风干干燥的方式，致使较大的茶树精油脂质体受到一定程度的破坏，茶树精油游离出来结合到壳聚糖网络中，而较小的茶树精油脂质体仍然保存较好。材料中茶树精油的结合方式比较复杂，这样导致了C材料的释药速率介于A材料与D材料之间。

2.2茶树精油壳聚糖复合材料的释放动力学表征

药物释放动力学是表征载体药物释放有效性的重要特征之一，良好的数据相关性可以很好地解释药物在载体中的释放机制。根据溶胀控释的移动前沿理论和能量定律，Korsmeyer等建立的一个简便的半经验方程式(2)来描述溶胀控释系统中的药物释放[9]

(2)

通过引入延迟时间的概念，Kim、Fassihi和Ford等将Korsmeyer的半经验方程进行了修正[10-12]。在经过估算突释效应后，修正后的方程如式(3)

(3)

式中，tlag表示药物释放时滞；b为在突释效应时所释放的药物总量。

利用式(3)对茶树精油壳聚糖复合材料的松油烯-4-醇体外释放行为进行拟合，拟合效果如图2所示，拟合参数如表1所示。

其中，仅有C的R2值稍低，其它材料拟合度均达到0.99以上。与之前的分析一致，C材料中茶树精油的分布与结合情况较为复杂，因此方程的拟合度较差。A、B、C3种材料的n均小于0.45，说明复合材料的释药受Fick扩散的控制，但是D材料，0.45

图2　茶树精油壳聚糖复合材料改良后溶胀控释模型拟合

茶树精油壳聚糖复合材料释放动力学方程参数ktlagnbR2A93.52.000.01621.93×10-110.9945B26.42.000.011672.40.9976C55.52.000.1321.65×10-120.9584D0.1082.000.8093.140.9945

从表1还可以看出，4种材料的药物释放时滞相同，即溶剂浸润材料的时间相同，说明药物释放时滞只与基材的量有关。

考察4种材料的突释效应，发现风干膜由于存在溶剂浸润、壳聚糖分子舒展、膨胀过程，突释效应并不十分明显。而冻干膜由于存在冰升华后留下的大量孔洞，因此，壳聚糖分子舒展、膨胀过程不明显，能引起突释效应。直接证据就是D材料突释效应为3.14%，与脂质体中未包封的松油烯-4-醇所占百分比接近。而B材料由于没有脂质体的包封，茶树精油大部分以游离的状态存在于材料孔壁上，突释效应达到72.4%。

2.3茶树精油脂质体壳聚糖冻干材料的松油烯-4-醇体外释放机理

D材料中松油烯-4-醇的浓度分布如图3所示。根据材料的结构特征和松油烯-4-醇的浓度分布可以将松油烯-4-醇的释放模型分为两个阶段：第1阶段，材料表层及孔隙中的游离松油烯-4-醇大量溶出，扩散推动力Δc为cb-c，此过程是突释阶段，由液膜扩散控制；第2阶段，壳聚糖材料孔隙表面脂质体及脂质体中的松油烯-4-醇，在材料内部与主流体相之间的浓度梯度作用下向材料表层扩散，扩散推动力Δc为cr-cb。

图3茶树精油脂质体壳聚糖冻干材料内外的松油烯-4-醇浓度分布

Fig 3 The distribution of terpinen-4-ol concentration inside and outside tea tree oil/chitosan freeze-drying composite

由于茶树精油各组分亲水性和疏水性的原因，使得它们在脂质体不同结构之间发生了不等分配(图4)。根据理想稀溶液的分配定律，有式(4)

(4)

式中，K为分配系数，松油烯-4-醇的辛醇-水分配系数对数值为3.26[2]，由此推测cmax为cr的1 800多倍。因此，通过脂质体包封以及吐温80亲水层[13]、壳聚糖包衣降低了松油烯-4-醇的浓度梯度，减弱了松油烯-4-醇向脂质体外的扩散速率。

图4　茶树精油脂质体的松油烯-4-醇浓度分布

Fig 4 The distribution of terpinen-4-ol concentration in tea tree oil liposomes

由于分配效应成为了D材料中松油烯-4-醇体外释放的主要限制步骤，因此，整个材料的松油烯-4-醇释放可以看作为脂质体中松油烯-4-醇的释放。采用扩散控释动力学模型中的球形储库型模型对材料进行模型拟合。

球形储库型模型可模拟为由一个包裹着药物储库核心的聚合物囊壳构成。它假设药物包载于一个球壳内，球壳外径为R，内径为Ri，药物扩散释放必须穿过厚度为(R-Ri)的聚合物球壳层[14]。当观测时间足够长(即t趋向于无穷大)，药物通过球壳的扩散速率(即释放速率)趋于恒定，得到式(5)

(5)

式中，D为扩散系数；Cmax为储库中药物的含量。由于药物在储库中的含量有限，对于不同的储库型制剂，理想状态的扩散释药只能在一定时间内发生；此外，药物的累积释放量也不可能随着时间的延长而无限增加。经式(5)进一步简化，得式(6)

(6)

将式(6)用于D材料松油烯-4-醇体外释放的模型拟合，取t∈[8,168]，得到拟合方程式

模型拟合度R2达到0.9987，说明球形储库型模型适用于D材料的松油烯-4-醇体外释放，在药物突释后该过程符合零级动力学过程。

3结论

(1)运用不同制备方法成功获得4种不同的茶树精油壳聚糖复合材料。在整个释药过程中，复合材料中的松油烯-4-醇都有释放，其累积释药率基本随着时间的增加而增大，其中，B材料释药速率最大，只有D材料保持匀速、缓慢释药。

(2)茶树精油壳聚糖复合材料可以用修正的Korsmeyer-Peppas模型进行描述，A、B、C材料的释药受Fick扩散的控制，但是D材料的释药属于非Fickian扩散或不规则扩散。D材料的松油烯-4-醇体外释放受分配效应控制。

(3)材料D突释效应小，释放速率慢。壳聚糖的吸附性与茶树精油脂质体的杀菌性能有机结合，有可能创造一种微环境，通过壳聚糖的网络及表面正电荷吸引、吸附、捕获微生物细胞，这些微生物细胞能与局部的含有高浓度茶树精油的脂质体发生融合、吞噬，破坏细胞膜，使细胞内物质变性，引起菌体死亡。杀菌的整个过程在材料内部完成，有助于提高材料D的杀菌效果和作用时间，避免杀菌剂与皮肤接触可能引起的过敏或炎症反应。

参考文献：

[1]CarsonCF,HammerKA,RileyTV.Melaleucaalternifolia(teatree)oil:areviewofantimicrobialandothermedicinalproperties[J].ClinMicrobiolRev, 2006, 19(1): 50-62.

[2]SherryM,CharcossetC,FessiH,etal.Essentialoilsencapsulatedinliposomes:areview[J].JLiposomeRes, 2013, 23(4): 268-275.

[3]HausenBM.Evaluationofthemaincontactallergensinoxidizedteatreeoil[J].Dermatitis:Contact,Atopic,Occupational,Drug, 2004, 15(4): 213-214.

[4]HausenBM,ReichlingJ,HarkenthalM.Degradationproductsofmonoterpenesarethesensitizingagentsinteatreeoil[J].AmericanJournalofContactDermatitis:OfficialJournaloftheAmericanContactDermatitisSociety, 1999, 10(2): 68-77.

[5]DaiTH,TanakaM,HuangYY,etal.Chitosanpreparationsforwoundsandburns:antimicrobialandwound-healingeffects[J].ExpertRevAntiInfectTher, 2011, 9(7): 857-879.

[6]LimSH,HudsonSM.Reviewofchitosananditsderivativesasantimicrobialagentsandtheirusesastextilechemicals[J].JournalofMacromolecularScience,PartC:PolymerReviews, 2003, 43(2): 223-269.

[7]RinaudoM.Chitinandchitosan:propertiesandapplications[J].ProgPolymSci, 2006, 31(7): 603-632.

[8]GeY,GeM.Developmentofteatreeoil-loadedliposomalformulationusingresponsesurfacemethodology[J].JLiposomeRes, 2015,DOI: 10.3109/08982104.2014.987786.

[9]KorsmeyerRW,GurnyR,DoelkerE,etal.Mechanismsofsolutereleasefromporoushydrophilicpolymers[J].IntJPharm, 1983, 15(1): 25-35.

[10]FordJL,MitchellK,RoweP,etal.Mathematicalmodellingofdrugreleasefromhydroxypropylmethylcellulosematrices:effectoftemperature[J].IntJPharm, 1991, 71(1): 95-104.

[11]KimH,FassihiR.Applicationofabinarypolymersystemindrugreleaseratemodulation1.Characterizationofreleasemechanism[J].JPharmSci, 1997, 86(3): 316-322.

[12]KimH,FassihiR.Applicationofbinarypolymersystemindrugreleaseratemodulation2.Influenceofformulationvariablesandhydrodynamicconditionsonreleasekinetics[J].JPharmSci, 1997, 86(3): 323-328.

[13]TasiLM,LiuDZ,ChenWY.Microcalorimetricinvestigationoftheinteractionofpolysorbatesurfactantswithunilamellarphosphatidylcholinesliposomes[J].ColloidsSurfA, 2003, 213(1): 7-14.

[14]HarlandRS,DubernetC,BenotJP,etal.Amodelofdissolution-controlled,diffusionaldrugreleasefromnon-swellablepolymericmicrospheres[J].JControlRelease, 1988, 7(3): 207-215.

Sustained-release behavior of tea tree oil-chitosan composite materials

GE Yan1,2，GE Mingqiao1

(1. Key Laboratory of Eco-Textiles (Jiangnan University)，Ministry of Education，Wuxi 214122，China;2. School of Textile and Clothing，Nantong University，Nantong 226001，China)

Abstract:Four kinds of tea tree oil-chitosan composites were prepared using methods of air-drying and freeze-drying based on the main ingredients including tea tree oil and chitosan. We determined the release of terpinen-4-01 in vitro and used improved swelling controlled release kinetic models to fit and analyze the release behavior of materials in order to discuss the release mechanism of tea tree oil liposome/chitosan freeze-drying material. The results showed that improved swelling controlled release kinetic models could describe the release behavior of terpinen-4-01 in vitro from tea tree oil liposome/chitosan freeze-drying composite because R2 was between 0.9584 and 0.9976. The distribution and combination mode of tea tree oil with composites would produce bias in model fitting. Terpinen-4-01 release depended on the distribution effect of terpinen-4-01 in liposome shell of tea tree oil liposome/chitosan freeze-drying material, resulting in the uniform and slow diffusion process of terpinen-4-01.

Key words:tea tree oil; chitosan; composite material; sustained-release; terpinen-4-01

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.02.025

文献标识码：A

中图分类号：R318.08

作者简介：葛彦(1981-)，女，江苏南通人，在读博士，师承葛明桥教授，从事功能性材料制备研究。

基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2012AA030313); 教育部创新团队资助项目(IRT1135)；南通市科技计划资助项目(MS12015065)

文章编号：1001-9731(2016)02-02125-05

收到初稿日期：2015-05-05 收到修改稿日期：2015-09-15 通讯作者：葛明桥，E-mail：ge_mingqiao@126.com