壳聚糖基温敏型水凝胶颗粒的制备及其缓释性能

翟 晓 毓, 王 碧 瑶, 李 沅, 谭 凤 芝, 刘 兆 丽

( 大连工业大学 轻工与化学工程学院, 辽宁 大连 116034 )

0 引 言

壳聚糖基温敏型水凝胶主要由大分子主链、亲水基团和疏水基团组成,能够在外界环境温度改变时根据刺激做出不同的应答,因具有良好的生物相容性、低细胞毒性和可被生物降解等优点,常作为药物缓释体,被广泛应用于生物医学领域与日化领域[1]。Constantin等[2]将羟甲基丙烯酰胺与N-异丙基丙烯酰胺复合凝胶物理嵌入壳聚糖微球,得到可以智能响应的壳聚糖水凝胶微球,实现对负载药品水杨酸的缓释,在人体温度37 ℃时24 h持续释放药品量90%以上,证明了壳聚糖温敏型水凝胶用于药品缓释具有较好的发展前景。以水凝胶微球为载体,不仅可以提高体系稳定性,减少副作用,改善药物释放[3],同时可以减少药品在储存、运输过程中的流失,避免原料间的相互反应。

烟酰胺是烟酸的酰胺化合物,具有一定抗氧化性,可以加速皮肤细胞代谢,促进角质层的修复减缓黑色素向皮肤角质层的运转等,具有美白祛斑以及防晒的作用[4]。因此,近年来烟酰胺已成为日化行业热门原料[5]。Camillo等[6]通过真皮试验,证明烟酰胺可以通过减少ROS的释放来提高皮肤的抗氧化性,进而延缓细胞衰老,减少紫外线对皮肤的损害。

本研究以壳聚糖为原料,以β-甘油磷酸二钠为温敏剂,戊二醛为交联剂,利用乳化-化学交联法[7]制得可在人体温度37 ℃时做出智能响应的壳聚糖温敏型水凝胶颗粒,并将其用于负载药品烟酰胺,通过凝胶结构的药物扩散作用释放烟酰胺,从而达到药品缓释的效果。

1 试 验

1.1 材 料

壳聚糖(CS,脱乙酰度≥95%,黏度100～200 mPa·s)、β-甘油磷酸二钠水合物(β-GP,98%)、戊二醛溶液(GL,体积分数50%),上海麦克林生化科技有限公司;烟酰胺(NI),帝斯曼(中国)有限公司;液体石蜡,天津市光复科技发展有限公司;吐温80,化学纯,上海沪试实验室器材股份有限公司;司班80,化学纯,上海麦克林生化科技有限公司;乙酸、异丙醇,分析纯,天津市科密欧化学试剂有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 负载烟酰胺的壳聚糖基温敏型水凝胶颗粒的制备

称取一定量壳聚糖溶解于1%的乙酸水溶液中,搅拌至壳聚糖完全溶解。称取β-GP溶于去离子水制成1%的β-GP溶液,将壳聚糖溶液与β-GP溶液按比例混合并加入少量烟酰胺,搅拌均匀制为水相(凝胶前体液);取一定体积液体石蜡与乳化剂吐温80、司班80混合作为油相。37 ℃下将水相与油相混合,搅拌乳化后加入一定质量分数(水相占比)的戊二醛溶液,持续搅拌30 min进行交联反应,得到产物壳聚糖温敏型水凝胶颗粒(CS-β-GP)。用异丙醇与去离子水清洗产物表面残留油相,收集洗涤液用于烟酰胺包埋率的测定,同时收集清洗干净的产品颗粒。

1.2.2 水凝胶温度敏感性的测定

将配制的CS与β-GP混合的水相溶液即凝胶前体液置于样品管中,并置于37 ℃的烘箱中,24 h后观察凝胶前体液是否发生凝胶化[8]。

1.2.3 凝胶颗粒对烟酰胺包埋率的测定

取收集的凝胶颗粒洗涤液,利用紫外分光光度计检测洗涤液中烟酰胺吸光度,并通过烟酰胺标准曲线测定和计算未被包埋的烟酰胺含量。

凝胶颗粒对烟酰胺的包埋率计算公式:

E=(m0-m1)/m0

式中:E为对烟酰胺的包埋率;m0为烟酰胺的添加量,g;m1为未被包埋的烟酰胺量,g。

1.2.4 凝胶颗粒吸水溶胀率的测定

取一定质量的凝胶颗粒置于一定量的清水中,在37 ℃下浸泡,24 h后取出样品吸干表面水分称重,得到凝胶颗粒吸水溶胀后的质量。

凝胶颗粒吸水溶胀率计算公式:

S=(m2-m1)/m1

式中:S凝胶颗粒吸水溶胀率;m1为最初凝胶颗粒质量,g;m2为溶胀后凝胶质量,g。

1.2.5 凝胶颗粒缓释性能测定

取定量样品置于100 mL去离子水中,置于37 ℃条件下进行药品缓释试验,在相同的时间间隔,取3 mL上清液并补充同体积的清水,利用紫外分光光度计检测清液中烟酰胺的含量。

1.3 凝胶颗粒的形貌和结构表征

用场发射扫描电镜观察CS-β-GP的微观形貌,加速电压为5 kV;利用溴化钾压片法,用红外光谱仪对戊二醛、CS、β-GP与CS-β-GP进行扫描,波数范围400～4 500 cm-1。

2 结果与讨论

2.1 水相、油相配比对凝胶颗粒的影响

为优化制备过程的水相、油相体积比,分别在水相与油相体积比为1∶3、1∶4、1∶5时制备壳聚糖温敏型水凝胶颗粒,分别检测不同水相、油相体积比时样品颗粒对烟酰胺的包埋率以及吸水溶胀率,所得结果见表1。由表1可知,壳聚糖与戊二醛的质量分数一定,当水相与油相的体积比分别为1∶3、1∶4、1∶5时,药品包埋率随着油相体积占比的增大而小幅度增大,溶胀率随油相体积占比的增大而急剧减小。这是由于随着油相体积占比的增大,乳化过程中水相与油相更易分散成液滴,且产生的液滴体积更小,即经过交联生成的水凝胶颗粒体积变小,使凝胶颗粒表面结构致密,内部自由空间减小,凝胶吸水溶胀过程被抑制[9]。因此后续实验过程水相与油相体积比选择1∶4。

2.2 水凝胶的温度敏感特性

在低温时CS分子可与水分子之间形成氢键,避免其自身分子链上的自由氨基与羟基产生氢键,使CS分子间保持规整排序,无法彼此互相缠绕。如图1(a)所示,当凝胶前体溶液处于室温时,体系呈透明液体状[10];凝胶前体液在37 ℃烘箱放置24 h后,随着温度的上升,CS分子与水分子间的氢键发生断裂,且由于β-GP的加入改变了CS分子间的静电力,CS上的疏水键与氢键间的引力大于分子链间的静电力,导致CS分子链上部分片段发生物理结合,溶液凝固发生凝胶化[11](图1(b)),证明CS与β-GP混合体系水凝胶具有温度敏感性。

2.3 温敏型壳聚糖水凝胶颗粒外观表征

交联剂戊二醛在水相中质量分数为1.250%、CS质量分数不同时水凝胶颗粒形貌如图2所示,即在戊二醛质量分数一定的前提下,当CS质量分数为1.5%时,凝胶颗粒表面粗糙、有褶皱,整体形貌呈无规则状,随着CS质量分数的增大,凝胶颗粒变为表面光滑的规则球状。这是由于随着CS含量的增加,CS分子链上可与戊二醛及β-甘油磷酸二钠发生交联反应的自由氨基数量增加,分子间交联程度更加紧密,使凝胶颗粒表面结构更加稳固,形状更加规整。

2.4 温敏型壳聚糖水凝胶颗粒结构表征

图3 CS、GL、β-GP与CS-β-GP的红外光谱图

2.5 凝胶颗粒对烟酰胺的包埋率、吸水溶胀率

图4为壳聚糖温敏型水凝胶颗粒对负载药品烟酰胺的包埋率及在37 ℃时24 h吸水溶胀率。由图4(a)可知,当戊二醛质量分数为1.125%、CS质量分数为1.5%时,烟酰胺的包埋率仅有78.2%;当戊二醛质量分数不变、CS质量分数为2.5%时,产品对烟酰胺的包埋率可达85.2%;当CS质量分数不变、戊二醛质量分数增大为1.375%时,烟酰胺的包埋率为87.5%。在CS质量分数或戊二醛质量分数一定的情况下,凝胶颗粒对药品烟酰胺的包埋率随着CS或戊二醛含量的增加而增大。这是由于随着CS或戊二醛含量的增加,CS分子上的自由氨基数量或戊二醛分子上可与CS进行交联的醛基数量增加,分子间的交联程度增大,可致凝胶颗粒表面网络结构更加紧密,药品烟酰胺在凝胶内外的渗透过程阻力变大,使药品在产品清洗过程中的流失量减小,所以凝胶颗粒对于烟酰胺的包埋率增大。

(a) 凝胶颗粒对烟酰胺的包埋性能

由图4(b)可知,戊二醛质量分数为1.125%、CS为1.5%时,凝胶颗粒的吸水溶胀率可达189%;当体系戊二醛质量分数不变、CS质量分数为2.5%时,凝胶颗粒的吸水溶胀率仅为152%;当CS质量分数不变、戊二醛质量分数增大为1.375%时,凝胶颗粒的吸水溶胀率为143%。在其他反应条件不变时,随着戊二醛或CS质量分数的增大,产品颗粒的吸水溶胀率均呈下降趋势。

这是由于反应交联密度变大,产品表面结构更加致密,水分子在凝胶内外的渗透阻力变大,导致凝胶颗粒的吸水溶胀性能变差。

2.6 凝胶颗粒对烟酰胺的缓释性能

水凝胶颗粒在37 ℃时对于烟酰胺的24 h缓释曲线如图5所示。当CS质量分数为1.5%、戊二醛的质量分数为1.125%时,烟酰胺的释放非常迅速,仅2 h便释放出包埋量的79.9%,最终在8 h停止释放,共释放药品包埋量的86.2%,缓释效果较差。这是由于CS与戊二醛含量过低,凝胶内部交联结构过于松散,无法缓慢释放药品。随着CS及戊二醛含量的增加,凝胶颗粒对烟酰胺的缓释作用逐渐增强,当CS质量分数为2.0%时,壳聚糖凝胶颗粒对烟酰胺的缓释控制性能最好,在戊二醛质量分数为1.250%时24 h可释放92.3%的烟酰胺。但随着CS及戊二醛含量的增加,凝胶颗粒对于烟酰胺的释放率再次减小,这是由于随着原料含量的增加,凝胶网络交联更加致密,药品渗透阻力增大。

(a) w(CS)=1.5%

3 结 论

以壳聚糖为原料,β-甘油磷酸二钠为温敏剂,戊二醛为交联剂,通过乳化-化学交联法制得的温敏型水凝胶颗粒具有良好的温度敏感性、吸水溶胀性以及良好的药品包埋性与缓释性。当水相与油相体积比1∶4、CS质量分数2.0%、戊二醛质量分数1.250%时,凝胶颗粒对烟酰胺的包埋率为91.9%,并在37 ℃条件下持续释放药品24 h,最终释放率为包埋量的92.3%,温度敏感响应的壳聚糖水凝胶对烟酰胺具有良好的缓释性。