響應(yīng)面法優(yōu)化超臨界抗溶劑法制備姜黃素-PLGA復(fù)合顆粒

忻 娜，F(xiàn)atemeh ZABIHI，賈競夫，姜麗萍，趙亞平,*

（1.上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，上海 200240；2.西安航天復(fù)合材料研究所，陜西 西安 710025）

響應(yīng)面法優(yōu)化超臨界抗溶劑法制備姜黃素-PLGA復(fù)合顆粒

忻 娜1，F(xiàn)atemeh ZABIHI1，賈競夫1，姜麗萍2，趙亞平1,*

（1.上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，上海 200240；2.西安航天復(fù)合材料研究所，陜西 西安 710025）

采用超臨界二氧化碳抗溶劑法制備聚乳酸-羥基乙酸共聚物（curcumin-encapsulated poly (lactic-co-glycolic acid)，PLGA）包埋姜黃素的納米顆粒。以姜黃素包埋率為優(yōu)化指標，利用響應(yīng)面試驗設(shè)計方法，系統(tǒng)考察芯材比、PLGA溶液流速、超聲功率3 個因素對PLGA包埋姜黃素的影響。結(jié)果表明：當PLGA與姜黃素質(zhì)量比3∶1、PLGA溶液流速1.8 mL/min、超聲功率180 W時，包埋率達到93.89%。姜黃素-PLGA顆粒平均粒徑為90 nm，粒徑分布窄。

姜黃素；超臨界二氧化碳；聚乳酸-羥基乙酸共聚物；包埋率；納米顆粒；響應(yīng)面法

姜黃素是從姜科植物姜黃等的根莖中提取得到的活性成分，具有抗炎、抗氧化、調(diào)節(jié)免疫、保護內(nèi)臟、抗纖維化、抗癌等作用，可用于健康食品和藥品的活性成分[1-8]。但姜黃素水溶性低，吸收差，而且見光易分解，影響了其生物利用度[9]。聚乳酸-羥基乙酸共聚物（curcumin encapsulates poly (lactic-co-glycolic acid)，PLGA）是生物可降解高分子聚合物，具有良好的生物相容性，已用于制備藥物的緩釋材料[10]。采用PLGA包埋姜黃素，可以提高其生物利用度，并防止姜黃素的分解[11-17]。但是，目前制備PLGA包埋姜黃素的方法存在包埋率低、收率低、溶劑殘留高等缺點。超臨界CO2抗溶劑法是一種制備超細粒子的有效方法，因為操作條件溫和，產(chǎn)品中殘留溶劑低，非常適于活性物超細顆粒的制備[18-25]。抗溶劑，即對某種溶液體系中的溶質(zhì)溶解度很低，而對溶劑溶解度很高的物質(zhì)，加入體系后會改變?nèi)軇θ苜|(zhì)的溶解度，導(dǎo)致溶質(zhì)析出。為此，本研究以PLGA和姜黃素分別作為壁材和芯材，采用超臨界CO2抗溶劑法制備姜黃素-PLGA復(fù)合納米顆粒，考察PLGA溶液流速、超聲功率和PLGA與姜黃素質(zhì)量比對包埋率的影響，采用響應(yīng)面分析法獲得了最高包埋率的工藝條件，對其光照穩(wěn)定性進行了研究。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

姜黃素（純度＞99%） 國藥集團化學(xué)試劑有限公司；聚乳酸羥基乙酸共聚物（LA/GA=75/25，純度＞99%，特性黏度0.5 dL/g） 山東醫(yī)療器械研究所；二氧化碳（純度＞99%） 上海交通大學(xué)氣體供應(yīng)站；乙醇、二氯甲烷、乙酸乙酯均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

SP-756型紫外-可見分光光度計 上海光譜儀器有限公司；Spectrum100傅里葉變換紅外光譜儀美國珀金埃爾默股份有限公司；D/max-220/PCXX射線衍射儀 日本理學(xué)株式會社；Hitachi S-3400型掃描電子顯微鏡 日立集團株式會社；ZS-90型納米粒度儀 英國馬爾文儀器公司。

1.3 方法

1.3.1 復(fù)合物制備工藝路線

實驗裝置如圖1所示。主要由超臨界二氧化碳輸送系統(tǒng)、溶液注入系統(tǒng)和配有超聲波裝置的高壓沉淀釜組成。在實驗時，設(shè)置好沉淀釜反應(yīng)溫度，并將8 mL姜黃素乙醇溶液（5 g/L）放入其中，然后用高壓泵將CO2打入沉淀釜中，在設(shè)定的溫度和壓強下，溶液中姜黃素快速析出形成顆粒，打開超聲裝置，使姜黃素更為均勻地分布在釜中；待姜黃素完全析出后，用高壓泵將PLGA二氯甲烷溶液打入沉淀釜中，此時，以姜黃素為成核中心，PLGA快速在其表面析出，形成包覆物。當PLGA溶液打入結(jié)束后，繼續(xù)打入CO210 min，將殘留溶劑帶出釜內(nèi)，在實驗過程中，釜內(nèi)CO2與溶劑物質(zhì)的量比值為120。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the apparatus used to prepare curcumin-loaded PLGA nanoparticles

1.3.2 單因素試驗

根據(jù)前期研究，固定溫度35 ℃、壓強9 MPa，研究PLGA與姜黃素質(zhì)量比、PLGA溶液流速和超聲功率對包埋率的影響，確定各因素的最佳范圍。

1.3.3 響應(yīng)面試驗

在單因素試驗基礎(chǔ)上，選取PLGA與姜黃素質(zhì)量比、PLGA溶液流速與超聲功率3 個因素作為響應(yīng)面試驗因素，以產(chǎn)品的包埋率為響應(yīng)值，進行三因素三水平的響應(yīng)面分析試驗，優(yōu)化工藝條件。

1.3.4 樣品分析及表征

1.3.4.1 姜黃素包埋率測定

乙醇能溶解姜黃素，而不溶解PLGA，因此用乙醇清洗附在樣品表面的姜黃素。取一定量的姜黃素微膠囊樣品于5 mL離心管中，加入乙醇，劇烈振蕩5 min，以10 000 r/min轉(zhuǎn)速離心，取上清液用紫外-可見分光光度計測定其吸光度，離心管里的樣品繼續(xù)以相同條件清洗，反復(fù)數(shù)次，直至洗出液中姜黃素含量減少趨勢明顯變緩，將每次上清液中測得的姜黃素合計為樣品中表面吸附的姜黃素量， 用乙酸乙酯溶解樣品得出樣品中剩余姜黃素量。姜黃素包埋率的計算公式如下所示：

1.3.4.2 掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）表征

將少量樣品分散在蒸餾水中，然后將分散液滴于載玻片上，待蒸餾水蒸發(fā)后，將載玻片用導(dǎo)電膠粘于電子顯微鏡SEM樣品臺表面，在真空狀態(tài)下噴金2 min，然后進行測試。

1.3.4.3 傅里葉變換紅外光譜 （Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR）分析

稱取樣品約1 mg，與100 mg溴化鉀碾磨混合均勻壓成薄片后，進行測試分析。

將樣品填滿樣品臺凹槽內(nèi)，置于X射線衍射儀進行掃描分析，掃描電壓40 kV，電流30 mA，掃描角度10°～60°，速率10°/min。

1.3.4.5 動態(tài)光散射分析

稱取樣品5 mg，用20 mL去離子水分散，超聲1 min，用納米粒度儀測定粒徑大小。

1.3.4.6 姜黃素-PLGA光照穩(wěn)定性分析

將未包埋的姜黃素原料（空白對照）與包埋的樣品放入離心管中，密封，自然光照射5 h，然后分別檢測兩個樣品中的姜黃素含量與初始含量之比。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

如圖2A所示，當PLGA溶液流速2.5 mL/min、超聲功率180 W時，芯材比對包埋率有顯著影響。PLGA與姜黃素質(zhì)量比增加，姜黃素包埋率相應(yīng)增加。這是由于原料中PLGA量增加，析出的PLGA量也相應(yīng)增加，有利于對姜黃素的包埋。

學(xué)校對教師的考核標準主要是學(xué)生的書面考試成績，而最快提高學(xué)生成績的方法，就是教師通過實驗的演示和講解，讓學(xué)生強行記憶、背誦考點。教師主動讓學(xué)生做實驗的機會很少，并且演示實驗的過程往往又被嚴重壓縮，導(dǎo)致了做實驗不如講實驗、背實驗，而實驗不像理論，必須通過明確的步驟演示才能得以實現(xiàn)，加深學(xué)生對理論的理解。

如圖2B所示，當芯材比2∶1、超聲功率180 W時，姜黃素包埋率隨著PLGA溶液流速的增加先增大后減少。這可能是因為隨著PLGA溶液流速的增加，溶液通過噴嘴進入釜內(nèi)時的剪切力增大，對二氧化碳體系的攪動越大，加快了溶劑與抗溶劑之間的傳質(zhì)速率，傳質(zhì)效果增強，PLGA顆粒瞬間成核的數(shù)量增加，包埋效果增強；但當流速大于2.5 mL/min并繼續(xù)增加時，生成的PLGA顆粒粒徑逐漸變小，包封能力有所下降，導(dǎo)致包埋率的降低。

如圖2C所示，當芯材比2∶1、PLGA溶液流速2.5 mL/min時，姜黃素包埋率隨著超聲功率的增加先增大后減少，這可能是因為超聲功率增加，溶劑與抗溶劑的傳質(zhì)速率及傳質(zhì)效果增強，PLGA顆粒瞬間成核的數(shù)量增加，包埋效果增強，但隨著超聲功率的進一步增加，生成的PLGA顆粒粒徑逐漸變小，包封能力有所下降，導(dǎo)致包埋率的降低。

圖2 芯材比（A）、PLGA溶液流速（B）和超聲功率（C）對姜黃素包埋率的影響Fig.2 Effect of PLGA/curcumin ratio, solution flow rateand ultrasonic power on the embedding rate of curcumin

2.2 響應(yīng)面試驗

在單因素試驗基礎(chǔ)上，選取PLGA與姜黃素質(zhì)量比、PLGA溶液流速與超聲功率3 個因素作為響應(yīng)面試驗因素，以產(chǎn)品的包埋率為響應(yīng)值，固定壓強9 MPa、溫度35 ℃，各個因素的水平選擇范圍為PLGA/姜黃素1∶1～3∶1、PLGA溶液流速1.5～3.5 mL/min，超聲功率120～240 W，響應(yīng)面各因素及水平如表1所示。

表1 響應(yīng)面試驗因素水平表Table 1 Factors and levels used in response surface design

利用Design-Expert 8.05軟件設(shè)計三因素三水平的響應(yīng)面試驗，響應(yīng)面試驗設(shè)計和結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面試驗設(shè)計方案及結(jié)果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

表3 響應(yīng)面二次模型回歸和方差分析Table 3 Variance analysis for the fitted regression equation

由表3可知，模型P值小于0.000 1，差異極顯著，即回歸效果極顯著。方程的決定系數(shù)R2=0.977 6，表明該模型擬合程度良好。條件參數(shù)交互作用對包埋率的影響如圖3所示，由圖3和表3可知，在所選取的3 個因素中，PLGA與姜黃素質(zhì)量比對包埋率的影響最大，超聲功率次之，溶液流速的影響最小。通過Design-Expert 8.05軟件擬合多元回歸方程如下所示：

根據(jù)回歸方程，由Design-Expert 8.05軟件模擬出試驗的最優(yōu)條件為：PLGA與姜黃素質(zhì)量比3∶1、PLGA溶液流速1.79 mL/min、超聲功率185.62 W，在此條件下，姜黃素包埋率可達95.13%?？紤]到實際操作性，將條件參數(shù)修正為PLGA與姜黃素質(zhì)量比3∶1、PLGA溶液流速1.8 mL/min、超聲功率180 W，在修正后的條件參數(shù)下進行驗證實驗，姜黃素的包埋率93.89%，與軟件優(yōu)化結(jié)果基本相符，故采用響應(yīng)面分析法優(yōu)化得到的條件參數(shù)準確可靠，具有較高實用價值。

圖3 條件參數(shù)交互作用對包埋率的影響Fig.3 Response surface plots for the interactive effects of three conditions on the embedding rate of curcumin

由表2可知，本實驗制備的姜黃素-PLGA納米粒包埋率普遍在80%以上，最優(yōu)條件下包埋率更是高達93.89%，這是由于本實驗建立的新工藝，先將姜黃素在沉淀釜中成核析出，并可作為PLGA的異相成核中心，在超聲波分散均勻高效傳質(zhì)的作用下，PLGA在姜黃素顆粒上析出并對其有效包埋從而獲得到高包埋率的結(jié)果。

2.3 姜黃素-PLGA復(fù)合顆粒形貌結(jié)構(gòu)特征

2.3.1 SEM及粒徑圖

圖4 姜黃素-PLGA復(fù)合顆粒SEM（A）和粒徑分布（B）圖Fig.4 Scanning electron microscopic (SEM) image and particle size distribution of curcumin-loaded PLGA nanoparticles

隨機選取表2中試驗1 2號獲得樣品（反應(yīng)條件為PLGA與姜黃素質(zhì)量比1∶1、PLGA溶液流速1.5 mL/min、超聲功率180 W）的SEM圖與粒徑大小分布圖如圖4所示。由圖4A可見，姜黃素-PLGA復(fù)合顆粒粒徑在50～100 nm之間，粒徑分布均勻，基本呈球形，顆粒之間稍有團聚。納米粒度分析儀對樣品的測試結(jié)果如圖4B所示，樣品的平均粒徑在90 nm左右，粒徑分布窄。2.3.2 FTIR特點

圖5 FTIR圖Fig.5 FTIR images

姜黃素、PLGA原料和姜黃素-PLGA復(fù)合納米粒紅外光譜如圖5所示。由圖5A和5B可知，PLGA在3 100～2 800 cm-1和1 900～1 700 cm-1處有很強的紅外吸收峰，姜黃素在1 600～1 400 cm-1處有很強的吸收峰。但是姜黃素-PLGA復(fù)合顆粒（圖5C）在上述3 個區(qū)域均出現(xiàn)特征峰，并且峰形和峰位置沒有偏移，說明制備過程對姜黃素和PLGA結(jié)構(gòu)沒有產(chǎn)生明顯影響，同時，也說明姜黃素-PLGA復(fù)合納米粒的確由姜黃素和PLGA組成。

2.3.3 XRD分析

為了分析比較姜黃素在PLGA的分布形式，將姜黃素與PLGA進行常規(guī)的物理混合，分別測試了將姜黃素、PLGA、姜黃素/PLGA復(fù)合顆粒和姜黃素與PLGA物理混合的樣品的XRD。姜黃素（圖6A）在2θ為10°～30°有強的衍射峰，PLGA微球（圖6B）沒有特別明顯的衍射峰，只有一個寬峰。對比圖6C和圖6D則可以看出，姜黃素-PLGA復(fù)合納米粒與姜黃素和PLGA物理混合顆粒在10°～30°姜黃素的特征衍射峰都有所減弱，說明PLGA對姜黃素晶體的衍射存在一定的影響，制備的姜黃素-PLGA復(fù)合顆粒衍射峰的削弱比物理混合的要大很多，說明姜黃素被包埋在PLGA中。

圖6 XRD圖Fig.6 XRD images

2.3.4 樣品的耐光性

選取表2中試驗3號的樣品作為測試對象，并以姜黃素原料為對照，經(jīng)過5 h日光暴曬后，原料姜黃素含量降低為62%，而復(fù)合顆粒PLGA中姜黃素保留率為98%。說明PLGA包埋的姜黃素耐光性大大優(yōu)于姜黃素原料，包埋姜黃素對光照的抵抗能力增加，姜黃素不易被分解。

3 結(jié) 論

本實驗采用超臨界抗溶劑法成功制備了高包埋率的姜黃素-PLGA復(fù)合納米顆粒。研究了單因素對包埋率的影響，采用響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計法，以包埋率為優(yōu)化指標，系統(tǒng)考察PLGA與姜黃素質(zhì)量比、PLGA溶液流速、超聲功率對PLGA包埋姜黃素的影響。結(jié)果表明，在所選取的3 個因素中，PLGA與姜黃素質(zhì)量比對包埋率的影響最大，超聲功率次之，PLGA溶液流速的影響最小。當PLGA與姜黃素質(zhì)量比3∶1、PLGA溶液流速1.8 mL/min、超聲功率180 W時，包埋率達到最大值93.89%。所制備的姜黃素-PLGA復(fù)合納米粒平均粒徑為90 nm，粒徑均勻分布；相對于姜黃素原料，姜黃素-PLGA復(fù)合顆粒的耐光穩(wěn)定性大大提高。

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Optimizing Supercritical Anti-solvent Preparation of Curcumin-Loaded PLGA Nanoparticles by Response Surface Methodology

XIN Na1, Fatemeh ZABIHI1, JIA Jing-fu1, JIANG Li-ping2, ZHAO Ya-ping1,*
(1. School of Chemistry and Chemical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2. Xi’an Aerospace Composite Materials Institute, Xi’an 710025, China)

Curcumin-encapsulated poly (lactic-co-glycolic acid)(PLGA) nanoparticles was prepared using supercritical carbon dioxide antisolvent assisted with ultrasound and the preparation process was optimized by response surface methodology. The effects of the mass ratio of curcumin to PLGA, the flow rate of solution, and ultrasonic power on properties of curcumin-encapsulated PLGA nanoparticles were investigated. The optimal conditions were determined as follows: the mass ratio, 3:1; the flow rate, 1.8 mL/min; and the ultrasonic power, 180 W. Under these conditions, the embedding rate reached 93.89%, and the average particle size was about 90 nm with a narrow distribution.

curcumin; supercritical CO2; PLGA; embedding rate; nanoparticle; response surface methodology

10.7506/spkx1002-6630-201418001

2013-12-31

國家自然科學(xué)基金面上項目（20976103）；中國博士后科學(xué)基金項目（2013M541521）

忻娜（1989—），女，碩士研究生，研究方向為超臨界流體技術(shù)制備功能性食品。E-mail：xinna@sjtu.edu.cn

*通信作者：趙亞平（1962—），男，教授，博士，研究方向為超臨界流體技術(shù)中的化學(xué)化工過程、功能性食品。

E-mail：ypzhao@sjtu.edu.cn

O625.4

A

1002-6630（2014）18-0001-05