應用響應曲面法優(yōu)化β-環(huán)糊精聚合物微球的合成工藝

楊 威， 李仲謹， 王 帆， 劉 艷， 安毅坤

(教育部輕化工助劑化學與技術重點實驗室， 陜西科技大學化學與化工學院， 陜西 西安 710021)

0 前 言

β-環(huán)糊精聚合物(β-cyclodextrin polymer,β-CDP)微球是近年來發(fā)展的一種無毒、生物相容性好的新型載體[1，2]，由β-環(huán)糊精(β-CD)與環(huán)氧氯丙烷(ECH)交聯(lián)而成，粒徑分布在較窄范圍內(nèi)，既保留了β-CD自身的分子結構特點，又具有空間三維網(wǎng)絡結構[3，5].響應曲面法(respons esurface methodology，RSM)是Box及其合作者[6，7]于20世紀50年代完善的一種通過對過程的回歸擬合，對響應曲面、等高線的繪制，對反應條件和加工工藝參數(shù)進行優(yōu)化的試驗統(tǒng)計方法，它囊括了試驗設計、建模、尋求最佳組合條件等眾多試驗和統(tǒng)計技術，目前已經(jīng)廣泛應用于食品、化學化工、生物技術等領域[8-9].評價β-CDP微球品質的主要指標有產(chǎn)率與平均粒徑，其影響因素很多，一些因素之間可能存在交互作用.基于此，作者運用RSM研究分析了交聯(lián)劑的用量、乳化劑的用量和乳化溫度對β-CDP微球品質的影響，并利用此法優(yōu)化了β-CDP微球的合成工藝.

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

β-環(huán)糊精(藥用，西安宏昌藥業(yè)有限責任公司)、煤油(市售，經(jīng)處理后使用)、氫氧化鈉、環(huán)氧氯丙烷、Span-80、Tween-20、鹽酸、無水乙醇、丙酮等均為分析純試劑，實驗用水為蒸餾水.

離心機(TDL-40B，上海安亭科學儀器廠)，偏光顯微鏡(BM-XP-59北京伯樂儀器有限公司)，激光粒度分布儀(BT-9300Z，丹東百特科技有限公司)，掃描電子顯微鏡(KYKY1000B，中科院儀器廠).

1.2 實驗方法

1.2.1β-CDP微球合成[10]

向帶有機械攪拌的三口瓶中加入6 gβ-CD和10 mL 40%(w/v)的氫氧化鈉溶液，使其完全溶解.在30 ℃、恒速攪拌(800 r/min)條件下緩慢滴加一定量的ECH，10 min滴完，使反應在該溫度下進行1.5 h.然后在高速攪拌下，加入一定量含有乳化劑(mSpan80∶mTween20=3∶1)的煤油，10 min后將攪拌速度降至800 r/min，升溫至反應溫度反應一定時間.反應結束后，靜置，傾去上層油相，將微球產(chǎn)品抽濾，并依次用稀鹽酸、乙醇、蒸餾水、丙酮充分洗滌，除去各種雜質.置于真空干燥箱于60 ℃下干燥至恒重，即得β-CDP球狀顆粒.

1.2.2 粒徑測定

表1 試驗因素水平及編碼

向激光粒度分布儀樣品槽中加入一定量的β-CDP微球直至遮光率為15%左右，檢測其粒徑分布.

1.2.3 響應曲面法優(yōu)化β-CDP微球的合成工藝

通過單因素試驗確定出交聯(lián)劑、乳化劑和乳化溫度對產(chǎn)率和粒徑有顯著影響，為了選擇最佳合成工藝，通過RSM，以產(chǎn)率和粒徑線性回歸的得分為響應值，設計三因素三水平的試驗方案，詳見表1.

表2 響應面分析方案及試驗結果

注:m(β-CD)=6 g,V(水相)=10 mL,V(油相)=60 mL.

2 實驗結果與討論

2.1 模型方程的建立與顯著性檢驗

以微球產(chǎn)率(Y1)和粒徑(Y2)為指標，綜合考慮各項指標的優(yōu)劣及重要程度排序，產(chǎn)率最高的記為10分，產(chǎn)率最低記為1分;粒徑最小的記為10分，粒徑最大的記為1分.按照比例關系計算出各自得分，然后把各組產(chǎn)率得分的1/2和粒徑得分的1/2相加，得出每號試驗結果的經(jīng)驗得分(Y0)，然后將其作為因變量，將各指標經(jīng)驗得分分別作為自變量Y1、Y2，用SPSS軟件求出綜合得分(Y)的回歸線性方程式：Y=0.175Y1-0.075Y2+4.145.再把各號試驗的指標實測值代入線性回歸方程式計算即得該號試驗結果的線性回歸綜合得分，以綜合得分為響應值，響應結果見表2.

表3 回歸分析結果

注：**顯著水平P<0.01.

表3為回歸分析結果表，回歸方程的各項方差分析結果表明，二次項有顯著性因素，即各試驗因子對響應值的影響不是簡單的線性關系.因此，該回歸方程可以較好地描述各因素與響應值之間的真實關系，可以利用該回歸方程來確定β-CDP微球最佳制備條件.

2.2 響應面的分析

根據(jù)回歸方程作出不同因子的響應面分析圖，圖1所示為交聯(lián)劑的質量、乳化劑的質量和乳化溫度3因素之一取零水平時其他2因素對于綜合得分的影響.通過觀察可以發(fā)現(xiàn)：在試驗范圍內(nèi)，β-CDP微球的綜合得分隨試驗因素的變化趨勢都是先增大后減小，且3個因素中對β-CDP微球的綜合得分影響最大的是乳化劑的質量，乳化溫度次之，交聯(lián)劑質量的影響最小.

圖1 綜合得分的響應曲面

為了進一步確證最佳點的值，對回歸方程取一階偏導等于零數(shù)并整理得：0.24-1.42x1-0.028x2-0.14x3=0；-0.089-0.028x1-2.54x2+0.15x3=0；-0.12-0.14x1+0.15x2-1.96x3=0，解得x1=0.177、x2=-0.042、x3=-0.077.代入變換公式即得交聯(lián)劑用量為7.43 g，乳化劑用量為0.79 g，乳化溫度為59.2 ℃，即在交聯(lián)劑用量為7.43 g，乳化劑用量為0.79 g，乳化溫度為59.2 ℃時，理論最佳得分為7.78.

圖2 β-CDP微球的粒徑分布圖

2.3 回歸模型的試驗驗證

按照最佳合成條件下進行驗證試驗，3次試驗的最終平均產(chǎn)率為70.63%，平均粒徑為117.9 μm，綜合得分7.69，試驗值模型的理論值相差1.54%，可見該模型可以較好的反映綜合得分與各影響因素的關系.

2.4 β-CDP微球的粒徑分布

圖3 β-CDP微球的掃描電鏡圖

經(jīng)激光粒度分布儀測得微球的中位徑(D50)為98.75 μm，D97為215.03 μm，平均粒徑為115.69 μm，β-CDP微球的粒徑分布范圍較窄，跨距為1.21，無雙峰現(xiàn)象，基本呈正態(tài)分布，粒徑分布如圖2所示.

2.5 β-CDP微球的SEM分析

圖3為β-CDP微球的掃描電鏡圖，對掃描電鏡圖片分析表明，β-CDP微球表面比較光滑圓整，而且放大2 000倍后仍呈較好的圓球形.

3 結束語

參考文獻

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