核桃殼活性炭的制備及其對煙酸緩釋性能的研究

李盛龍，謝學(xué)忠，邱彩英，周　穎，郭　嘉

(武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院 綠色化工過程教育部重點實驗室，湖北 武漢 430073)

活性炭具有較大的比表面積和發(fā)達的孔結(jié)構(gòu)，因而具有較強吸附能力，特別是生物質(zhì)制備的活性炭雜質(zhì)含量低、化學(xué)穩(wěn)定性好并有一定生物相容性，因而在醫(yī)療領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用[1-3]。例如，活性炭可直接口服用于體內(nèi)解毒，也可在透析時過濾凈化血液，還能作為一些緩釋藥物(如抗癌類藥)的載體[4]。

煙酸(C6H5NO2)，又稱尼克酸、維生素PP或B3，屬維生素B族，是一種水溶性維生素，也是人體所必需的13種維生素之一。煙酸不僅有利于心血管系統(tǒng)，能降低血壓，還能減輕胃腸功能障礙，維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育[5]。不過，煙酸半衰期非常短(45 min)，服用普通劑型的煙酸藥物會導(dǎo)致用藥頻繁，還會產(chǎn)生皮膚瘙癢、胃腸不適、肝功能減退和視覺障礙等副作用。緩釋型煙酸是一種很好的替代治療方案，可以減少頻繁服藥帶來的副作用，還能有效降低非致死性心臟事件再發(fā)的危險[6-7]。緩釋型煙酸的研究報道較少，更未見利用核桃殼制備活性炭并作為煙酸緩釋載體的報道。

本研究以核桃殼質(zhì)顆粒炭化料為原料，采用二氧化碳物理活化法制備核桃殼活性炭，并進行核桃殼活性炭在不同介質(zhì)中的煙酸釋放實驗，研究其釋藥過程動力學(xué)模型。

1　實驗

1.1　材料、試劑與儀器

核桃殼質(zhì)顆粒炭化料，廣州君來化工有限公司，經(jīng)研磨并篩分至40～60目，備用。

煙酸，分析純，天津科密歐化學(xué)試劑開發(fā)中心。

SK2型管式電阻爐、KSW-4D-11A型溫度控制器，湖北英山縣建力電爐制造有限公司。不銹鋼反應(yīng)管外徑、內(nèi)徑及長度分別是35 mm、22 mm及1 196 mm。

1.2　核桃殼活性炭的制備

將10 g炭化料置入不銹鋼反應(yīng)管中部，通入N2除去反應(yīng)管中的空氣，以10 ℃·min-1加熱升溫。當(dāng)溫度升至150 ℃時，停止通入N2并同時通入CO2，氣流量恒定在1.5 L·min-1。加熱至設(shè)定溫度(650～900 ℃)活化相應(yīng)的時間(0.5～3 h)，通入N2冷卻至常溫。用50%乙醇浸泡，然后用蒸餾水沖洗，再用稀NaCl溶液和稀Na2CO3溶液沖洗，最后用蒸餾水洗凈，120 ℃下干燥12 h，得核桃殼活性炭。

1.3　煙酸體外釋放實驗

采用自制漿法釋放裝置模擬人體內(nèi)環(huán)境，進行核桃殼活性炭體外釋放煙酸實驗。37 ℃下，將核桃殼活性炭置于煙酸溶液中吸附至飽和，抽濾、干燥后置于500 mL蒸餾水、人工胃液或人工腸液中攪拌[(100±4) r·min-1]，定時取樣測定煙酸濃度，同時補充等量的預(yù)熱過的釋放介質(zhì)。

1.4　煙酸濃度的測定

采用紫外分光光度法測定煙酸濃度。分別以蒸餾水、人工胃液或人工腸液為溶劑，配制0.005～0.05 mg·mL-1范圍內(nèi)不同濃度的煙酸溶液，測定吸光度，繪制煙酸濃度(c)與吸光度(A)之間的標(biāo)準(zhǔn)曲線，標(biāo)準(zhǔn)曲線的擬合結(jié)果見表1。

表1煙酸的標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合結(jié)果

Tab.1Curve-fittingresultsforcalibrationplotofnicotinicacid

介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)曲線R蒸餾水c=003040A+000082099926人工胃液c=002846A-000080099944人工腸液c=003327A-000120099949

2　結(jié)果與討論

2.1　活化溫度對活性炭得率及煙酸吸附量的影響

固定活化時間為2 h，考察活化溫度對活性炭得率及煙酸吸附量的影響，結(jié)果見圖1。

圖1　活化溫度對活性炭得率及煙酸吸附量的影響

由圖1可知，隨著活化溫度的升高，活性炭得率不斷下降，900 ℃時得率僅為34.8%。這是因為，炭(C)與CO2的反應(yīng)是一個吸熱過程，隨著活化溫度的升高，反應(yīng)加劇，參與CO2反應(yīng)的炭也會增加，得率隨之降低。隨著活化溫度的升高，煙酸吸附量逐漸升高,850 ℃時吸附量達到191.52 mg·g-1。這是因為，活化溫度升高，炭的反應(yīng)量增加，已有的微孔結(jié)構(gòu)被破壞，中孔結(jié)構(gòu)增加，更易吸附較大的煙酸分子；另外，反應(yīng)過程中也會形成新孔，比表面積也會隨之增大，從而吸附量進一步增大。但超過850 ℃后，煙酸吸附量略有下降。這可能是由于CO2與炭反應(yīng)過于劇烈，部分孔結(jié)構(gòu)破壞生成大孔，導(dǎo)致對煙酸分子的吸附能力減弱，因而吸附量下降[8]。

2.2　活化時間對活性炭得率及煙酸吸附量的影響

固定活化溫度為800 ℃，考察活化時間對活性炭得率及煙酸吸附量的影響，結(jié)果見圖2。

圖2　活化時間對活性炭得率及煙酸吸附量的影響

由圖2可知，隨著活化時間的延長，活性炭得率逐漸下降。這是由于，CO2對炭化料的活化實質(zhì)上是炭的氧化反應(yīng)，隨著反應(yīng)時間延長，參與反應(yīng)的炭量增加，炭的燒失率增加，因而得率會降低。核桃殼活性炭對煙酸的吸附量隨著活化時間的延長而升高。這是因為，800 ℃下CO2與炭反應(yīng)較劇烈，活化時間延長，中孔結(jié)構(gòu)逐漸增多，有利于對較大煙酸分子的吸附。

2.3　不同介質(zhì)中的煙酸體外釋放曲線

37 ℃下核桃殼活性炭在蒸餾水、人工胃液、人工腸液中對煙酸的體外累計釋放曲線見圖3。

圖3　活性炭于三種不同介質(zhì)中對煙酸的釋放曲線

由圖3可知，在人工腸液中煙酸的11 h累計釋放率最高(47.69%)，人工胃液中次之(43.96%)，而蒸餾水中最低(14.48%)。這說明，人工腸液、人工胃液能明顯促進對煙酸的釋放。核桃殼活性炭在不同的釋放介質(zhì)中釋放煙酸的過程一般可分為三個階段：突釋期、緩釋期和平衡期。突釋階段是指在較短的時間內(nèi)釋放了較多藥物，大約維持1.5～2 h；在緩釋階段，核桃殼活性炭釋放藥物的速率大大減緩；最后釋藥達到平衡階段，煙酸濃度波動很小。當(dāng)活性炭釋放煙酸達到平衡狀態(tài)時，從宏觀上看，藥物釋放過程已經(jīng)完成，釋藥過程停止。

本研究采用零級、一級以及Higuchi三種常用的體外釋藥動力學(xué)模型對釋藥過程進行了動力學(xué)模擬(活性炭于蒸餾水中突釋期維持時間過短，僅1 h左右，其后變化很小，因此蒸餾水中的緩釋期不進行擬合)，擬合結(jié)果見表2、表3。表中R為相關(guān)系數(shù)，MSE為均方誤差。R值越大且MSE越小，則擬合效果越好。

表2突釋期的動力學(xué)模擬擬合結(jié)果

Tab.2Thefittingresultsofdynamicssimulationforsuddenreleaseperiod

表3緩釋期的動力學(xué)模擬擬合結(jié)果

Tab.3Thefittingresultsofdynamicssimulationforsustainedreleaseperiod

介質(zhì)動力學(xué)模型擬合結(jié)果RMSE人工胃液零級w=1787t+29346095861264一級ln(1-w100)=-00290t-03401096771157Higuchiw=8159t1/2+20564098210834人工腸液零級w=1511t+32634095701395一級ln(1-w100)=-00259t-03878096601266Higuchiw=7412t1/2+24174098190909

由表2、表3可知，不同階段的活性炭于不同介質(zhì)中釋放煙酸的過程采用Higuchi模型擬合的R值最大且MSE最小，表明活性炭釋放煙酸的過程均符合Higuchi模型[9]。

3　結(jié)論

(1)以核桃殼質(zhì)顆粒炭化料為原料，在850 ℃活化溫度下，以1.5 L·min-1的流量通入CO2活化2 h后得到的核桃殼活性炭具有較高的得率，且對煙酸吸附量達到了191.52 mg·g-1。

(2)吸附了煙酸的核桃殼活性炭在人工胃液和人工腸液中對煙酸的釋放效果良好，在人工胃液和人工腸液中11 h的釋放率分別達到了43.96%和47.69%。

(3)采用零級、一級和Higuchi三種常用的體外藥物釋放動力學(xué)模型對核桃殼活性炭于不同介質(zhì)、不同階段中的釋藥過程進行了動力學(xué)模擬，Higuchi模型的擬合效果最好，表明活性炭對煙酸的釋放過程更符合Higuchi模型 。

(致謝：感謝“E+”雙專業(yè)一體化復(fù)合型人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新實驗區(qū)以及湖北省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新活動基地“武漢工程大學(xué)化工與環(huán)境類大學(xué)生創(chuàng)新活動基地”的大力支持。)

參考文獻：

[1]沈曾民，張文輝，張學(xué)軍.活性炭材料的制備與應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006：15.

[2]張哲,郭嘉,王醒,等.椰殼活性炭改性及其煙酸緩釋性能的研究[C]//中國化學(xué)會第16屆反應(yīng)性高分子學(xué)術(shù)研討會.蘭州.2012.

[3]王治一，余淑勤．口服活性炭在臨床治療中的應(yīng)用[J].中草藥,2002,33(6):569-570.

[4]立本英機，安部郁夫，著，高尚愚，譯.活性炭的應(yīng)用技術(shù)——其維持管理及存在問題[M].南京:東南大學(xué)出版社,2002:503-508.

[5]洪正源,郭嘉,袁軍,等.活性炭對維生素B3和維生素C吸附與緩釋行為研究[J].應(yīng)用化工,2009,38(12):1742-1745.

[6]胡章,陳錦燕,周昭勇,等.大型海藻細基江蘺制備活性炭的研究[J].化學(xué)與生物工程,2012,29(10)：31-33.

[7]AHMADPOUR A,DO D D.The preparation of activated carbon from macadamia nutshell by chemical activation[J].Carbon,1997,35(12):1723-1732.

[8]侯方,陳明,佟明友.硝酸處理對活性炭性質(zhì)的影響[J].化學(xué)與生物工程,2011,28(5)：70-74.

[9]WANG S B.Ordered mesoporous materials for drug delivery[J].Microporous and Mesoporous Materials,2004,117(2):1-9.