pH敏感型雙模型介孔SiO2的制備及其對布洛芬的緩控釋性能

郭月月，白詩揚，孫繼紅

（北京工業(yè)大學(xué) 化學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京100124）

近年來，pH敏感型聚合物已成為藥物緩控釋體系的研究熱點。雖然其具有良好的生物相容性［1］和環(huán)境敏感性，但是較低的載藥量限制了其廣泛應(yīng)用。新型雙模型介孔SiO2納米材料（BMMs）由于具有高比表面積（～1000m2／g）和大孔容積（～3.5cm3／g），以及易官能團化的介孔表面的特點［2］，已成為最具潛力的藥物緩釋載體之一。本課題組前期的研究結(jié)果［3－6］表明，BMMs雖然通過表面官能化能夠顯著提高載藥量，同時對藥物分子的緩釋性能也起到明顯改善作用，但是對人體生理刺激信號（如pH值和溫度）并不具備感知和應(yīng)答能力。因此，如果將BMMs的高載藥性與pH值敏感型材料的刺激響應(yīng)性相結(jié)合，就有可能構(gòu)建出新型智能化藥物控釋體系?；谶@些設(shè)想，筆者通過兩步法制備了pH值敏感型聚合物葡聚糖－聚 丙 烯 酸 （Dex－PAA）包 裹 的 雙 模 型 介 孔SiO2（BMMs）納米復(fù)合材料（D－P／BMMs），并采用XRD、SEM、FT－IR、TG、N2－吸附－脫附等分析手段對其進行了結(jié)構(gòu)表征。同時，以布洛芬（IBU）為模型藥物，詳細考察了D－P／BMMs對IBU的裝載以及在磷酸鹽緩沖溶液（PBS）體系中pH值敏感控釋行為。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

葡聚糖（相對分子質(zhì)量20000）、硝酸鈰銨（CAN，AR）、丙烯酸（AA）、十六烷基三甲基溴化銨（CTAB，AR）、正硅酸乙酯（TEOS，AR），國藥集團化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品；N－N－亞甲基雙丙烯酰胺（MBA，AR），國藥集團化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品，用無水甲醇重結(jié)晶；3－（2－氨基乙基氨基）丙基三甲氧基硅烷（NN－TES，95%，AR），Alfa Aesar公司產(chǎn) 品；硝 酸 （HNO3，68%，AR）、 氫 氧 化 鈉（NaOH，AR）、三氯甲烷（CHCl3，AR）、無水乙醇（AR），北京化工廠產(chǎn)品；透析袋（截留相對分子質(zhì)量14000），北京康碧泉生物科技有限公司產(chǎn)品。

德國Bruker／AXS公司D8ADVANCE型X射線粉末衍射儀，CuKα輻射（λ＝0.154nm），鎳濾波，管電壓35kV，管電流35mA，掃描速率0.5min－1。日本日立公司S－4300型掃描電子顯微鏡，加速電壓15kV，分辨率9mm，放大倍率×100000。TENSOR－27型傅里葉紅外光譜儀，KBr壓片，測量范圍4000～400cm－1。Perkin－Elmer Pyris1型熱分析儀，N2氣氛，流速20mL／min，升溫 速 率 10℃／min， 最 高 溫 度 800℃。 美 國Micromeritics公司TriStarⅡ3020型自動比表面和孔隙率測定儀。美國Agilent Technologies 1200 series高效液相色譜，色譜柱Extend－C18，4.6mm×150mm，粒徑5μm，甲醇流動相，pH＝3.0的磷酸鹽緩沖液（體積比為3∶1）。日本Shimadzu UV－2450紫外分光光度計，范圍200～800nm，狹縫寬度2nm，掃秒間隔0.5nm。

1.2 實驗方法

1.2.1 聚合物 D－P的制備

在三頸燒瓶中將1.25g葡聚糖溶于50mL去離子水中。將0.27g硝酸鈰銨（CAN）溶于1.25mL 0.1mol／L的稀硝酸中，然后將此溶液注入三頸燒瓶中引發(fā)葡聚糖鏈產(chǎn)生自由基；5min后加入4.7mL丙烯酸，20min后加入1.07gN－N－亞甲基雙丙烯酰胺（MBA），N2保護下，30℃反應(yīng)4h。反應(yīng)結(jié)束后，以1mol／L的NaOH調(diào)節(jié)體系pH值至中性，用無水乙醇沉淀，抽濾，所得樣品于40℃下真空干燥。得到葡聚糖－聚丙烯酸共聚物（D－P）。

1.2.2 BMMs的合成及官能化［2，6］

官能團化的BMMs表示為NN－BMMs。

1.2.3 NN－BMMs對藥物布洛芬（IBU）的裝載

將2g NN－BMMs分散于50mL布洛芬的乙醇溶液中，其中布洛芬的質(zhì)量濃度為40mg／mL。常溫攪拌48h，抽濾，并用無水乙醇洗滌，最后將樣品真空干燥，即得到載藥后的介孔納米材料I／NNBMMs，濾液稀釋定容，用HPLC法測定峰面積，計算載藥量。

1.2.4 聚合物 D－P包裹I／NN－BMMs

將一定量的聚合物D－P分散于50mL去離子水中，加入0.5g I／NN－BMMs，使m（D－P）／m（I／NNBMMs）＝2。常溫攪拌48h，然后旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，用去離子水洗滌表面，真空干燥，得到包裹后樣品D－PI／NN－BMMs。

1.2.5 藥物布洛芬的釋放

于pH＝2.0（50%乙醇，50%PBS緩沖液）和pH＝7.4（50%乙醇，50%PBS緩沖液）的釋放介質(zhì)中進行布洛芬的釋放實驗。將 D－P－I／NN－BMMs壓片，置于一定體積釋放液中（每個釋放體系布洛芬完全釋放濃度為0.15mg／mL），維持恒溫水浴震蕩。間隔一定時間移取1mL釋放液并測定其吸光度，同時向藥物釋放體系加入1mL釋放介質(zhì)以維持釋放體系體積不變。

2 結(jié)果與討論

2.1 制備的裝載布洛芬pH敏感型納米復(fù)合材料（D－P－I／NN－BMMs）的表征結(jié)果

2.1.1 XRD分析

圖1為 D－P－I／NN－BMMs及相關(guān)樣品的 XRD譜。從圖1可以看出，樣品BMMs在2θ＝2.1°處出現(xiàn)明顯的（100）晶面衍射峰，說明其具有高度有序的介孔結(jié)構(gòu)［2］；表面官能化后，樣品NN－BMMs同樣具有（100）晶面衍射峰，說明氨基化后樣品仍然保持了有序的介孔結(jié)構(gòu)，但是峰強度降低說明介孔結(jié)構(gòu)的有序性有所下降。除此之外，與BMMs比較，NN－BMMs的（100）衍射峰對應(yīng)的2θ角向大角方向偏移，由2.10°移至2.22°，相應(yīng)的d值由4.20nm減小至3.98nm，這一變化說明了NN基團成功嫁接進入 BMMs的介孔表面［3，7－8］。裝載布洛芬后的樣品I／NN－BMMs的（100）晶面衍射峰強度明顯降低，且2θ角由2.22°增大到2.26°，d值減小至3.91nm，說明藥物分子成功載入BMMs的介孔孔道［6］，從而引起孔道結(jié)構(gòu)的有序度降低。包裹聚合物D－P后樣品 D－P－I／NN－BMMs的（100）晶面衍射峰強度顯著下降，相 應(yīng) 的 2θ角 移 至 2.34°，d值 減 小 至3.77nm，這是由于I／NN－BMMs表面被聚合物包裹，或部分孔道被聚合物進一步填充，降低了BMMs孔道和孔壁間的散射襯度所致［9－12］，這一結(jié)果也說明聚合物D－P已成功負載于BMMs上。

圖1 D－P－I／NN－BMMs和相應(yīng)樣品的XRD譜Fig.1 XRD patterns of D－P－I／NN－BMMs and related samples

2.1.2 SEM 分析

圖2 給 出 了 D－P－I／NN－BMMs及相 關(guān) 樣 品 的SEM照片。從圖2可以看出，BMMs具有50nm左右的球形顆粒［3，5－6］。官能化、載藥及聚合物包裹BMMs后的樣品仍具有類似BMMs的形貌和尺寸，說明載藥以及聚合物包裹后并沒有破壞BMMs的形貌和顆粒尺寸。

圖2 D－P－I／NN－BMMs及相關(guān)樣品的SEM 照片F(xiàn)ig.2 SEM images of D－P－I／NN－BMMs and related samples

2.1.3 FT－IR分析

圖3為 D－P－I／NN－BMMs及相關(guān)樣品的 FT－IR譜。由圖3可知，除布洛芬和聚合物D－P外，其余樣品均在1080cm－1、800cm－1處出現(xiàn)代表Si—O—Si不對稱伸縮振動和對稱伸縮振動的吸收峰［13］，以及在965cm－1處出現(xiàn)Si—OH 伸縮振動峰［4］。此外，BMMs經(jīng)過NN基團表面官能化后的樣品NNBMMs在2946cm－1處出現(xiàn)了烷基的伸縮振動峰，裝載布洛芬后的樣品I／NN－BMMs出現(xiàn)了布洛芬的吸收特征峰，其中1707cm－1對應(yīng)于C＝O伸縮振動，1508和1396cm－1對應(yīng)于苯環(huán)C＝C和C—H的伸縮振動［14］；樣品 D－P－I／NN－BMMs在1547cm－1處出現(xiàn)了D－P的—COOH的不對稱伸縮振動特征峰［15］，也可以說明D－P成功包裹于I／NN－BMMs。

圖3 D－P－I／NN－BMMs及相關(guān)樣品的FT－IR譜Fig.3 FT－IR spectra of D－P－I／NN－BMMs and related samples

2.1.4 TG分析

圖4為 D－P－I／NN－BMMs及相關(guān)樣品的 TG 曲線。從圖4可以看出，BMMs的總質(zhì)量損失率為2.2%，150℃之前為孔道內(nèi)物理吸附水的質(zhì)量損失，在相對較高的溫度區(qū)間內(nèi)（150～600℃）的質(zhì)量損失不明顯，對應(yīng)于孔道表面硅羥基的縮合脫水［16］；樣品NN－BMMs的總質(zhì)量損失率明顯增加（約20.5%），其中在150℃之前的質(zhì)量損失過程對應(yīng)于孔道內(nèi)物理吸附水的流失（3.9%），第2個質(zhì)量損失峰出現(xiàn)在溫度范圍150～375℃之間，質(zhì)量損失率大約為7.2%，這一質(zhì)量損失過程主要歸屬于連接在介孔表面的NN基團端位氨基的分解［17］；當(dāng)溫度繼續(xù)升高至780℃時，孔道內(nèi)剩余的NN基團以及烷基鏈和氨基鏈完全脫附或分解［17］。樣品I／NNBMMs的總質(zhì)量損失率增大到33.5%，150℃之前為脫水過程（1.2%），150～250℃左右為孔道內(nèi)裝載的布洛芬的分解（4%）［18］，隨后在250～375℃溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)了與布洛芬相互作用的端位氨基的分解過程（5.3%）；隨著溫度進一步升高至772℃，殘留在表面的鏈氨基和烷基鏈全部分解。樣品D－P－I／NN－BMMs總的質(zhì)量損失率增加至42.1%，250℃之前的失重行為主要與孔道內(nèi)以及聚合物吸附水的脫附和布洛芬的分解有關(guān)，250～600℃范圍內(nèi)出現(xiàn)的質(zhì)量損失過程（28%），則主要歸屬于嫁接在BMMs表面的聚合物和NN基團的分解。

圖4 D－P－I／NN－BMMs及相關(guān)樣品的TG曲線Fig.4 TG curves of D－P－I／NN－BMMs and related samples

2.1.5 N2吸附－脫附分析

圖5給出了 D－P－I／NN－BMMs及相關(guān)樣品的低溫N2吸附－脫附及其孔徑分布曲線。從圖5可以看出，所有樣品均呈現(xiàn)典型的IV型等溫吸附曲線［2］，而且分別在相對壓力為0.3～0.5和0.7～0.9范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的2個滯后環(huán)，對應(yīng)于孔分布具有雙孔結(jié)構(gòu)，說明經(jīng)官能化，載藥及包裹后的樣品具有與BMMs類 似 的 結(jié) 構(gòu) 性 能［6，19］。 但 是 NN－BMMs的N2飽和吸附量明顯下降，這主要是由于官能化后BMMs的比表面積和孔容積減小，兩者分別由官能化 前 的 1138m2／g 和 1.46m3／g（BMMs）降 至642m2／g和0.80m3／g（NN－BMMs）。同時 BMMs的一級最可幾孔徑從2.73nm明顯減小到2.1nm，而堆積孔孔徑基本未變（約16.3nm），說明NN基團主要進入BMMs的一級介孔中。裝載布洛芬后的樣品I／NN－BMMs的比表面積、孔容積繼續(xù)降低（183m2／g、0.48cm3／g），并且一級孔孔徑已經(jīng)縮小至不足2.1nm，而堆積孔仍維持不變（16.0nm），在一定程度上進一步說明了布洛芬的成功負載。聚合物包裹后的 D－P－I／NN－BMMs的比表面積和孔容積分別減小至82m2／g和0.28cm3／g，表明聚合物D－P已成功包裹到BMMs上，與XRD分析結(jié)果一致。

圖5 D－P－I／NN－BMMs及相關(guān)樣品的低溫 N2吸附－脫附曲線及相應(yīng)的孔分布（插圖）Fig.5 N2adsorption－desorption isotherms and pore size distribution of D－P－I／NN－BMMs and samples

2.2 布洛芬的裝載與釋放

采用高效液相色譜法測定BMMs的布洛芬裝載率為17.72%，包裹D－P過程中由于布洛芬有一定的流失，包裹后復(fù)合材料的載藥率按式（1）計算得15.06%，仍然保持了良好的載藥性能。

式（1）中，L（BMMs）為改性后BMMs的載藥率，%；m（I／NN－BMMs）為包裹過程中加入I／NN－BMMs的質(zhì)量，mg；m（leakIBU）為包裹過程中流失藥物的質(zhì)量，mg。

圖6為I／NN－BMMs和 D－P－I／NN－BMMs樣品在pH＝2.0和7.4的PBS中的釋放曲線。由圖6可以看出，IBU 在 D－P－I／NN－BMMs材料中的釋放具有pH敏感性，并且釋放速率和累積釋放量與包裹前相比均減小。在pH＝7.4的PBS中，I／NNBMMs在1h內(nèi)有近64%的藥物釋放，隨著時間的延長，其釋放量逐漸增加，24h釋放完全；在pH＝2.0的PBS中，I／NN－BMMs在24h累積釋放率達89%，這是由于IBU在酸性溶液中的溶解度比在堿性中?。?］，從而導(dǎo)致藥物釋放量減小。而包裹聚合物后的樣品 D－P－I／NN－BMMs在 pH＝7.4的 PBS中的藥物釋放率明顯高于在pH＝2.0時的；在pH＝7.4的緩沖溶液中，在1h內(nèi)藥物釋放率為25.7%，24h釋放率達46.0%，而當(dāng)pH＝2.0時，24h內(nèi)藥物釋放率僅為26.0%。一方面是由于IBU在酸性溶液中溶解度的降低，但最主要是由于在較高pH 值（＞pKa，PAA的pKa值為4.75［20］）下，聚合物Dex－PAA鏈中的羧基（—COOH）呈現(xiàn)解離狀態(tài)（—COO—），而聚合物鏈間的靜電排斥作用使得聚合物溶脹，從而使得IBU從復(fù)合材料中釋放到PBS溶液中［21－22］。然而，當(dāng)溶液 pH 值（＜pKa）較小時，羧基離子化程度低，聚合物中羧酸呈去離子狀態(tài)（—COOH），大分子鏈間形成氫鍵，分子鏈?zhǔn)湛s，使得聚合物體積收縮，大部分藥物被聚合物大分子鏈包裹住，從而阻礙了藥物的釋放［15，21－22］。由此可知，聚合物D－P成功包裹到I／NN－BMMs上，從而使IBU被有效地限制在D－P－I／NN－BMMs介孔結(jié)構(gòu)中，表現(xiàn)出良好的pH敏感控釋性。

圖6 I／NN－BMMs和 D－P－I／NN－BMMs在PBS中的釋放曲線Fig.6 IBU－release profiles of I／NN－BMMs and D－P－I／NN－BMMs in PBS

3 結(jié) 論

（1）通過兩步法將低載藥量但具有pH敏感性的聚合物包裹到雙模型介孔SiO2納米材料上，制備出了pH敏感型高載藥量的納米復(fù)合材料。

（2）氨基官能化以及聚合物的包裹雖然對BMMs的介孔有序度造成了一定的影響，但仍保持了介孔結(jié)構(gòu)。

（3）以IBU為模型藥物，pH敏感型高載藥量的納米復(fù)合材料的載藥率達到15.06%，且其在pH＝7.4的PBS介質(zhì)中釋放率達46%，明顯高于在pH＝2.0中的釋放率（大約26%），同時實現(xiàn)了高載藥量和pH值可控釋放?？梢?，該納米復(fù)合材料是一種很好的藥物控釋載體，具有很好的應(yīng)用前景。

［1］HEIDRICK G W，PIPPITT C H，MORGAN M A，et al.Efficacy of intraperitoneal sodium carboxymethylcellulose in preventing postoperative adhesion formation ［J］.The Journal of Reproductive Medicine，1994，39（8）：575－578.

［2］SUN J H，SHAN Z P，COPPENS M O，et al.Synthesis of bimodal nanostructured silicas with independently controlled small and large mesopore sizes［J］.Langmuir，2003，19（20）：8395－8402.

［3］GAO L，SUN J H，LI Y Z.Bimodal mesoporous silicas functionalized with different level and species of the amino groups for adsorption and controlled release of aspirin ［J］. Journal of Nanoscience and Nanotechnology，2011，11（8）：6690－6697.

［4］GAO L，SUN J H，REN B.Structural characterization and surface heterogeneity of bimodal mesoporous silicas functionalized with aminopropyl groups and loaded aspirin［J］.Materials Research Bulletin，2011，46（10）：1540－1545.

［5］GAO L，SUN J H，LI Y Z.Functionalized bimodal mesoporous silicas as carriers for controlled aspirin delivery［J］.Journal of Solid State Chemistry，2011，184（11）：1909－1914.

［6］GAO L，SUN J H，ZHANG L，et al.Influence of different structured channels of mesoporous silicate on the controlled ibuprofen delivery ［J］. Materials Chemistry and Physics，2012，135（2－3）：786－797.

［7］WANG G，OTUONYE A N，BLAIR E A，et al.Functionalized mesoporous materials with improved adsorption capacity and release properties for different drug molecules：A comparative study［J］.Solid State Chemistry，2009，182（7）：1649－1660.

［8］XU W J，GAO Q，XU Y，et al.Controlled drug release from bifunctionalized mesoporous silica［J］.Journal of Solid State Chemistry，2008，181（10）：2837－2844.

［9］SAUER J，MARLOW F，SCHUTH F.Simulation of powder diffraction patterns of modified ordered mesoporous materials［J］.Physical Chemistry Chemical Physics，2001，3（24）：5579－5584.

［10］ZHU S M，ZHOU Z Y，ZHANG D，et al.Design and synthesis of delivery system based on SBA－15with magnetic particles formed in situ and thermo－sensitive PNIPA as controlled switch ［J］. Microporous and Mesoporous Materials，2007，106（1－3）：56－61.

［11］CARINOA I S，TESTAA F，PUOCIB F，et al.Polymer coated silica－based mesoporous materials for controlled drug release［J］.Studies in Surface Science and Catalysis，2008，174：373－376.

［12］GAO Q，XU Y，WU D，et al.pH－Responsive drug release from polymer－coated mesoporous silica spheres［J］.Journal of Physical Chemistry C，2009，113（29）：12753－12758.

［13］LI Y Z，SUN J H，WU X，et al.Post－treatment and characterization of novel luminescent hybrid bimodal mesoporous silicas ［J］. Journal of Solid State Chemistry，2010，183（8）：1829－1834.

［14］CHEN F，ZHU Y C.Chitosan enclosed mesoporous silica nanoparticles as drug nano－carriers：Sensitive response to the narrow pH range［J］.Microporous and Mesoporous Materials，2012，150：83－89.

［15］TANG M H，DOU H J，SUN K.One－step synthesis of dextran－based stable nanoparticles assisted by selfassembly［J］.Polymer，2006，47（2）：728－734.

［16］TANG Q L，XU Y，WU D.Studies on a new carrier of trimethylsilyl－modified mesoporous material for controlled drug delivery ［J］.Journal of Controlled Release，2006，114（1）：41－46.

［17］GAO L，SUN J H，ZHANG L，et al.Thermal decomposition behavior of amino groups modified bimodal mesoporous silicas as aspirin carrier ［J］.Journal of Nanoscience and Nanotechnology，2011，11（8）：10324－10332.

［18］鄧三堯，雷彤.布洛芬的熱行為和熱分解反應(yīng)動力學(xué).中南藥學(xué)，2005，3（2）：72－75.（DENG Sanyao，LEI Tong.Thermal behavior and decomposition kinetics of ibuprofen［J］.Central South Pharmacy，2005，3（2）：72－75.）

［19］高琳，孫繼紅，李育珍，等.雙模型介孔SiO2二次孔結(jié)構(gòu)對布洛芬裝載和釋放性能的影響［J］.無機材料學(xué)報，2012，27（4）：337－342.（GAO Lin，SUN Jihong，LI Yuzhen，et al.Influence of bimodal mesopores large pore structure on ibuprofen loading and delivery property［J］.Journal of Inorganic Materials，2012，27（4）：337－342.）

［20］AHN J S， CHOI H K，CHO C S. A novel mucoadhesive polymer prepared by template polymerization of acrylic acid in the presence of chitosan［J］.Biomaterials，2001，22（9）：923－928.

［21］SONG S W，HIDAJAT K，KAWI S.pH－Controllable drug release using hydrogel encapsulated mesoporous silica［J］.Chemical Communications，2007，（42）：4396－4398.

［22］ZHANG R S，TANG M G，BOWYER A，et al.A novel pH－and ionic－strength－sensitive carboxy methyl dextran hydrogel［J］.Biomaterials，2005，26：4677－4683.