pH/盐双敏感型聚离子液体凝胶的制备及对环丙沙星的控制释放*

赵亚梅，刘星悦，李泽城，曹婷婷，杨 靖，丁思奇

(1. 西安工程大学 环境与化学工程学院，西安 710600；2. 西安工程大学 城市规划与工程学院， 西安 710600)

0 引 言

人体组织器官中的pH、离子强度、磁场等差异大，药物分子在人体的释放与输送过程中会遇到许多障碍，这极大地降低了治疗效果[1-2]。与现有的颗粒载体[3]、聚合物凝胶[4]和脂质[5]等药物载体相比，智能响应凝胶能对pH值、光、温度等周围环境的细微改变做出相应响应[6-10]，具有独特的理化性质，如优异的生物相容性，高吸水性，可调节的孔隙率[11-13]，对药物的释放速度和释放位置有一定调控能力，有望成为良好的药物受控释放基质。pH/盐双敏感型聚离子液体凝胶兼具聚离子液体和智能响应凝胶特征，如具有带正电荷的化学基团[14-16]，对微生物具有良好的抗菌性[17-18]，能根据体内各个器官所处环境的酸碱性和离子强度差异来调节药物的释放，使药物在特定时间和部位释放[19-21]，减少不良反应并增加药物的预期效果。因此，pH/盐双敏感型聚离子液体凝胶在高性能药物输送系统中有潜在的应用价值。

本文基于离子液体型单体结构设计，制备了系列pH/盐双敏新型聚咪唑类离子液体凝胶PCnvimBr，探讨离子液体型单体的侧链链长微增长对PCnvimBr凝胶的溶胀性能、pH、盐刺激响应行为影响，在此基础上，研究了pH/盐双敏型PCnvimBr凝胶对肠道抗菌药物的控制释放行为。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

N-乙烯基咪唑，溴乙烷，溴丁烷，溴己烷，对苯二酚，偶氮二异丁腈(AIBN)，乙腈，乙酸乙酯，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)，无水甲醇与无水乙醇均为分析纯，在所有实验中均使用超纯水。

DZF-6020AB真空干燥箱，DF101S集热式恒温加热磁力搅拌器，SH2-88A恒温振荡器，FD-1冷冻干燥机，FlexSEM1000扫描电镜，Nicolet 5700傅立叶变换红外光谱仪(KBr压片)，XRD-MiniFlex600X-射线衍射仪，TGA/SD TA85型热重分析仪，日本岛津UV2450紫外-可见分光光度计。

1.2 PCnvimBr凝胶的合成

称取一定量N-乙烯基咪唑于三口烧瓶中，氮气保护条件下，加入不同烷基链长的溴化物，再加0.1 g对苯二酚阻聚剂，70 ℃回流搅拌20 h，得到三种咪唑类离子液体，产物经乙腈和乙酸乙酯溶解沉淀后，60 ℃真空干燥12 h。然后，称取一定量中间产物离子液体单体和交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺，溶于甲醇和乙醇各2.5 mL的混合溶剂中，搅拌均匀，再加偶氮二异丁腈使其溶解，通N210 min后密封体系，70 ℃恒温油浴反应4 h，得到聚咪唑类离子液体凝胶(PCnvimBr，n=2,4,6)。产物浸入乙醇并定时换至溶液澄清后，再浸入超纯水以除去未反应的单体及剩余的交联剂和引发剂。

1.3 PCnvimBr凝胶溶胀性能的测定

取一定量干凝胶置于超纯水中，隔一段时间后，测试凝胶的质量。将浸泡前后凝胶的质量代入公式，计算其溶胀率(SR)。溶胀率计算公式如(1)式：

溶胀率=(mt-md)/md×100%

(1)

式中，mt表示t时刻湿凝胶的质量，md表示干凝胶的质量。

1.4 PCnvimBr凝胶的pH、盐敏感性以及溶胀可逆行为

将干凝胶切片后称重，分别置于不同pH值的溶液中(pH=3，4，5，6，6.8，7，7.4，8，9，10)，每隔一定时间取出称重，直到溶胀平衡，计算其平衡溶胀率来研究凝胶的pH敏感性。

常温下，将一定质量干凝胶分别浸入不同浓度NaCl溶液中(0.3，0.6，0.9，1.2，1.5 mol/L)，每隔一定时间取出称重，直到凝胶溶胀平衡，通过计算其溶胀率来研究盐敏感性。

常温下，将一定质量干凝胶交替浸入超纯水和0.15 mol/L NaCl溶液中，每隔一定时间取出称重，计算凝胶在不同时刻的溶胀率，研究凝胶在超纯水-盐溶液循环体系中的溶胀-收缩可逆行为。

1.5 PCnvimBr凝胶对环丙沙星的体外释放实验

采用扩散法将环丙沙星负载到PCnvimBr凝胶上，冷冻干燥备用。称3份载药干凝胶放入锥形瓶中，加入模拟人体肠胃pH环境的缓冲溶液(pH=1.2，6.8，7.4)，水浴恒温振荡测试。隔一定时间取样，再补充同体积模拟液，用紫外-可见光分光光度计在277 nm波长下检测并记录。根据标准曲线计算浓度，按(2)式计算环丙沙星累积释放率：

(2)

式中，Ve是取出的释放液体积，V0是释放介质的总体积，Cn是第n次取出的释放液中的环丙沙星的浓度，m是载药凝胶中环丙沙星的含量。

2 结果与讨论

2.1 PCnvimBr凝胶制备条件的优化

采用自由基聚合技术合成了PCnvimBr凝胶。改变交联剂和引发剂用量，所制备的PCnvimBr凝胶性能会发生改变，因此设计实验来确定凝胶制备的最优条件(表1)。

表1 PCnvimBr凝胶的合成及平衡溶胀率

PCnvimBr(n=2,4,6)凝胶的最佳交联剂用量均为离子液体单体质量的2%，最佳引发剂用量分别为离子液体单体质量的4%，5%和3%。当引发剂用量一定时，随着交联剂用量的增加，凝胶容易形成三维网络结构，平衡溶胀率升高；继续增加交联剂用量，交联密度过大，水很难进入凝胶内部，平衡溶胀率降低。此外，当交联剂用量一定时，增加引发剂用量，引发活性中心增多，溶胀能力提高；若继续增加引发剂用量，链终止反应加剧，单体间发生均聚反应的程度加大，导致平衡溶胀率降低。从表中也可以看出，随着PCnvimBr凝胶中烷基链增长，平衡溶胀率降低，是因为凝胶的溶胀能力与物质的结构及聚集状态有关，长烷基链可能会影响离子液体的双亲性和有序聚集状态，使形成凝胶的网络更紧实，分子难以进入凝胶内部。

2.2 PCnvimBr凝胶表征

2.2.1 FTIR光谱

将干凝胶样品研磨至粉末，KBr压片制样，用FTIR光谱仪进行表征。PCnvimBr凝胶的FTIR谱图见图1(a)，1 645 cm-1处出现N,N-亚甲基双丙烯酰胺上的C=O特征吸收峰，1 458 cm-1处是咪唑环C=N伸缩振动。与图1(b)离子液体型单体的FTIR谱图相比，图1(a)中1 650 cm-1处未出现碳碳双键C=C弯曲振动吸收峰，说明离子液体型单体发生了聚合。

图1 (a)PCnvimBr凝胶和(b)离子液体的红外光谱图Fig 1 Infrared spectrum of PCnvimBr gels and ionic liquids

2.2.2 热重分析

PCnvimBr凝胶的TG-DTG曲线见图2，从图中可得出，失重过程具有50～195 ℃和275～400 ℃两个失重区域。50至195 ℃低温失重是因为凝胶网络吸附水的损失；275至400 ℃高温失重率较明显，约为85%，可能是由于离子液体碳链断裂、侧链咪唑环的分解以及交联剂降解引起的。PCnvimBr(n=2,4,6)最大失重温度分别为327.167，315.833和305.5 ℃(图2b)，具有良好的热稳定性，说明该类凝胶能在较宽的温度范围内使用。

图2 PCnvimBr凝胶的TG-DTG曲线Fig 2 TG-DTG curve of PCnvimBr gels

2.2.3 SEM表征

扫描电镜显微分析(SEM)是对交联凝胶表面拓扑和内部形态非常重要的表征技术。图3(a、b和c)分别为PCnvimBr(n=2,4,6)凝胶的三维结构，内部为深浅不一的交联网状孔洞结构，对载药及吸水溶胀释放药物起着重要作用。相比之下，PC2vimBr凝胶中相互连接的孔更多且密集，因为烷基侧链微增长对凝胶结构具有较强的调控作用，这与其溶胀性能的研究结果一致，即PC2vimBr凝胶更有利于药物的包覆与释放。

图3 PCnvimBr凝胶的扫描电镜图 (a) PC2vimBr, (b) PC4vimBr和(c) PC6vimBrFig 3 SEM image of PCnvimBr gels: (a) PC2vimBr; (b) PC4vimBr; (c) PC6vimBr

2.2.4 XRD分析

PCnvimBr凝胶的XRD分析谱图见图4，扫描范围3～90°，扫描速率8 °/min。PCnvimBr(n=2,4,6)凝胶的XRD谱图中均未出现强的衍射峰，而分别在2θ=23.46，24.02，23.94°出现了宽特征峰，表明该类凝胶属于无定型结构，其结晶性很弱，利于药物分子在凝胶内部穿梭。

图4 PCnvimBr凝胶的XRD谱图Fig 4 XRD spectrum of PCnvimBr gels

2.3 PCnvimBr凝胶的pH敏感性

pH敏感型凝胶通过体内各个器官环境存在的酸碱差异调节药物的释放，使药物在特定时间和部位释放。因此研究凝胶在不同pH值溶液中的溶胀性质尤为重要。

由图5可知，3种聚离子液体均具有良好的pH敏感性，相比之下，PC2vimBr凝胶的pH响应性最为敏感，与溶胀性和SEM测试结果一致。PCnvimBr凝胶在弱碱性介质中的平衡溶胀率高于酸性介质，且在pH=7.4条件下，凝胶平衡溶胀率最高，分别为1 422.3%，1 233.8%，257.9%。这是由于亲水基团质子化行为的影响。在酸性介质中，亲水基团质子化阻止了氢键的形成，凝胶处于收缩状态，平衡溶胀率低。随着pH值增加，亲水基团保持自由，凝胶开始溶胀，溶胀率升高。同时，高离子强度也会在一定程度上削弱氢键，降低凝胶网络内外渗透压差，即在pH=7.4的弱碱性环境下，PCnvimBr凝胶的刺激响应性最强，有望成为人体弱碱性器官药物递送的载体。

图5 PCnvimBr凝胶的平衡溶胀率与pH的关系Fig 5 The relationship between the equilibrium swelling rate of PCnvimBr gels and pH

2.4 PCnvimBr凝胶的盐敏感性

聚离子液体凝胶作为一种聚电解质，其溶胀性能不仅随外界pH的变化而变化，同时也受盐溶液浓度(离子强度)的影响。众所周知，人体的胃液和肠液中含有大量离子，因此研究凝胶在不同浓度盐溶液中的溶胀特性对于探讨其在药物递送系统领域的应用具有十分重要的意义。

PCnvimBr凝胶在不同浓度NaCl溶液(pH=7.4)中的平衡溶胀率如图6所示。与在超纯水中相比，凝胶在盐溶液中的平衡溶胀率降低。这是由于盐溶液中的离子强度比水中的高，凝胶内外渗透压差减小，使平衡溶胀率降低。盐溶液浓度由0.03 mol/L升高到0.15 mol/L，PCnvimBr(n=2,4,6)凝胶的平衡溶胀率分别降低了828.61%，711.961%，363.1%，可以看出三种凝胶均具有较强的盐敏感性，相比而言，PC2vimBr凝胶的盐收缩性最明显。这是因为盐溶液浓度升高后，抗衡阳离子与咪唑环之间的静电排斥作用占主导地位，且烷基侧链越长，静电排斥作用力越强，导致凝胶网络结构收缩，溶胀率降低。

图6 PCnvimBr凝胶的盐刺激响应曲线Fig 6 The salt stimulation response curve of PCnvimBr gels

2.5 PCnvimBr凝胶在水-盐循环体系中的溶胀可逆性

PCnvimBr凝胶不仅有良好的盐敏感性，而且在水-盐循环体系中的溶胀-收缩行为还具有可逆性。从图7可以看出，在超纯水和0.15 mol/L NaCl溶液循环体系中，PCnvimBr凝胶均具有良好的溶胀可逆性，且烷基侧链微增长对溶胀可逆性影响不大。PC2vimBr凝胶在超纯水中达到较高的平衡溶胀率，将其转移到0.15 mol/L NaCl的盐溶液中时，由于凝胶内的离子强度远远小于外部溶液离子强度，凝胶内外的渗透压差使其迅速收缩失水，溶胀率呈直线下降趋势，其失水量在1 h内降到37%。完成一个溶胀循环过程需要290 min，在两个溶胀循环后，凝胶仍然显示出对水-盐溶液体系交替变化的良好响应性，这表明溶胀过程没有破坏凝胶的内部网络，其三维的网状孔洞结构非常稳定。

图7 PCnvimBr凝胶在超纯水和盐溶液循环体系下的可逆溶胀-收缩曲线Fig 7 The reversible swelling-shrinkage curve of PCnvimBr under the circulation system of ultrapure water and salt solution

2.6 环丙沙星的体外控制释放研究

基于PCnvimBr凝胶载体在弱碱性条件下具有强pH刺激响应性，选择肠道杀菌药物环丙沙星(CIP)作为体外释药的模型药物，在不同人体模拟液下CIP的控制释放结果见图8。研究表明，在模拟肠液(pH=7.4)中，PCnvimBr(n=2,4,6)10 h的释放量分别为67.78%，47.882%和20.06%，可见PC2vimBr的缓释效果更好，因为长烷基链使交联紧密，分子难以进出凝胶内部，缓释效果变差。图8(c)表示PCnvimBr凝胶在模拟胃液(pH=1.2)中释放药物量整体较低，1 h内由于表面药物的释放，释药率约5%，因为在模拟胃液中的溶胀率较低，使释药非常缓慢。相比而言，PCnvimBr载药凝胶在pH=7.4的模拟肠液中累积释放率更高，表明凝胶中包覆的药物可以在弱碱性的大肠、结肠和直肠粘膜的基本环境中选择性释放。

图8 不同pH条件下环丙沙星的体外释放曲线 (a) pH=7.4; (b) pH=6.8和(c) pH=1.2Fig 8 In vitro release curves of ciprofloxacin under different pH conditions (a) pH=7.4; (b) pH=6.8; (c) pH=1.2

3 结 论

通过自由基聚合法成功制备了3种聚咪唑类离子液体凝胶(PCnvimBr，n=2,4,6)。PCnvimBr凝胶具有良好的pH/盐刺激双敏感性以及溶胀可逆性，相比之下，PC2vimBr凝胶在pH=7.4弱碱性条件下的刺激响应性最为明显。在体外控制释药实验中，PCnvimBr凝胶对环丙沙星表现出良好的缓释效果，此类凝胶有望作为一种新型的肠道杀菌类药物控制释放载体。