超多孔水凝膠體系的溶脹和溶蝕動(dòng)力學(xué)研究

馬妍妮， 王 虹， 劉艷華，3，4， 隋 宏，3，4， 王文蘋(píng)，3，4*

(1. 寧夏醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院，寧夏 銀川750004;2. 寧夏醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院，寧夏 銀川750004;3. 寧夏回藥現(xiàn)代化工程技術(shù)研究中心，寧夏 銀川750004;4. 回醫(yī)藥現(xiàn)代化省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川750004)

1999 年，Chen 等利用聚丙烯酰胺制備了超多孔水凝膠(Superporous Hydrogels，SPH)，用作超級(jí)吸水材料［1］。超多孔水凝膠本身不溶于水，但由于內(nèi)部具有大量相互連通的孔隙(孔徑＞100 μm)，能通過(guò)毛細(xì)管效應(yīng)迅速吸收自身重量數(shù)十倍甚至百倍的水分而體積急劇膨脹，并在數(shù)秒至幾分鐘內(nèi)達(dá)到溶脹平衡。此后為了改善第一代超多孔水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度，又逐漸發(fā)展了超多孔水凝膠復(fù)合物(superporous hydrogel composites，SPHC)和互穿網(wǎng)絡(luò)(interpenetrating network)或雜合體(hybrid)超多孔水凝膠體系［2-3］。超多孔水凝膠不僅可以作為多孔骨支架用于組織工程領(lǐng)域［4］，更多研究者還將超多孔水凝膠作為新型藥物遞釋材料用于多種新型給藥系統(tǒng)，如胃滯留制劑、口服蛋白多肽類(lèi)藥物的腸部遞藥等［5］。

但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，體系的吸水程度和速度及其吸水后的機(jī)械強(qiáng)度和降解行為是表征超多孔水凝膠性能的重要指標(biāo)，直接影響著體內(nèi)遞藥效果和用藥的安全性。因此，本研究采用泡沫聚合法分別制備了超多孔水凝膠和含魔芋葡甘聚糖(Konjac glucomannan，KGM)的超多孔水凝膠復(fù)合物(KGM-SPHC)，著重考察了不同因素 (pH、酶、鹽、糖等)對(duì)二者溶脹和溶蝕性能的影響，為超多孔水凝膠相關(guān)研究和實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 材料

WFO-700W 送風(fēng)定溫干燥箱(上海愛(ài)郎儀器有限公司);AL104A 電子天平(上海精密科學(xué)儀器有限公司);WH-861 漩渦混合器(太倉(cāng)市科教器材廠);RC2-8A 智能藥物溶出儀(天津市鑫州科技有限公司)。

魔芋精粉 (寧夏宏潘生物技術(shù)有限公司);95%乙醇(天津市盛奧化學(xué)試劑有限公司);丙烯酰胺 (Acrylamide，AM);丙烯酸 (Acrylic acid，AA)、過(guò)硫酸胺 (Ammonium Persulfate，APS)、N，N＇-亞甲基雙丙烯酰胺 (N，N＇-methylene-bisacrylamide，Bis)、N，N，N，N，-四甲基乙二胺(N，N，N＇N＇-tetramethylene diamine，TEMED)均來(lái)自美國(guó)Amresco 公司;PluronicF127 (PF127，上海昌為醫(yī)藥輔料技術(shù)有限公司);碳酸氫鈉(NaHCO3，成都市科龍化工試劑廠);透析袋(截留分子量為8 000 Da，北京索萊寶生物科技有限公司);其余試劑為分析純，胃蛋白酶(美國(guó)Amresco 公司，0490C074);胰蛋白酶(美國(guó)Amresco 公司，STBB3616);β-葡萄糖苷酶 (美國(guó)Sigma 公司，0510C023);鹽酸(北京化工廠，2070620);磷酸二氫鉀(天津大茂化學(xué)試劑廠，20110613);磷酸二氫鈉(天津大茂化學(xué)試劑廠，20110419);磷酸氫二鈉(天津大茂化學(xué)試劑廠，20110416)，水為蒸餾水。

2 方法與結(jié)果

2.2 介質(zhì)的配制 0.1 mol/L HCl (含酶):取稀鹽酸16.4 mL，加水約80 mL 與胃蛋白酶10 g(1 ∶3 000，即3 000 U/g)，搖勻后，加水稀釋至100 mL，即得。

pH 6.8 PBS (含胰酶):取磷酸二氫鉀6.8 g，加水500 mL 使之溶解，用0.1 mol/L 氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH 值至6.8，取胰酶10 g (1 ∶300)，加水少量溶解，將兩液混合后，加水稀釋至1 000 mL即得。

pH 7.8 PBS (含酶):取磷酸氫二鈉635.9 g，加水溶解并稀釋至500 mL 得A 液;取磷酸二氫鈉2.76 g，加水溶解并稀釋至100 mL 得B 液;取上述A 液91.5 mL 與B 液8.5 mL 混合，加入β-葡萄糖苷酶1 g 溶解，搖勻即得。

無(wú)酶介質(zhì)不加酶，配制方法同上。其他NaCl、葡萄糖等溶液稱(chēng)取適量試劑加入蒸餾水配制成所需濃度即得。

2.3 材料溶脹與溶蝕行為的考察 溶脹比的測(cè)定［9］:將質(zhì)量為m0的干凝膠樣品置于盛有200 mL指定介質(zhì)的燒杯中，室溫下浸泡，在預(yù)定時(shí)間點(diǎn)取出凝膠，用濾紙輕輕吸去表面帶出的溶液，稱(chēng)定質(zhì)量mt。

溶蝕率的測(cè)定［10］:采用體外釋放度測(cè)定方法中的槳法，將已知質(zhì)量m0的樣品，浸泡于介質(zhì)中，37 ℃條件下持續(xù)攪拌(100 r/min)，在預(yù)定時(shí)間點(diǎn)t 時(shí)利用濾網(wǎng)勺取出殘余凝膠塊，干燥至恒定質(zhì)量后稱(chēng)定質(zhì)量mt。

按下式分別計(jì)算溶脹比(swelling ratio，SR)或溶蝕率(erosion ratio):

SRt或ERt=∣mt-m0∣/m0

裝備有NSK第二代電控機(jī)械方向機(jī)的大眾車(chē)系，在車(chē)輛發(fā)生前部碰撞或者車(chē)輪碰撞等交通事故后，組合儀表上的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)警告燈點(diǎn)亮，轉(zhuǎn)向沉重；連接診斷儀，進(jìn)入診斷地址“44 動(dòng)力轉(zhuǎn)向”中存儲(chǔ)有故障碼“P160900- 碰撞切斷已觸發(fā)”，且該故障碼無(wú)法清除。

以時(shí)間t 為橫坐標(biāo)，各時(shí)間點(diǎn)的溶脹比SRt(或溶蝕率ERt)為縱坐標(biāo)，繪制溶脹比(或溶蝕率)-時(shí)間曲線。

分別考察介質(zhì)pH、酶的加入、NaCl 和葡萄糖濃度等因素對(duì)材料溶脹和溶蝕行為的影響。

2.3.1 介質(zhì)pH 值的影響 圖1 (a)結(jié)果顯示魔芋葡甘聚糖-超多孔水凝膠復(fù)合物在置入介質(zhì)中3 min 時(shí)即達(dá)到溶脹平衡，在0.1 mol/L HCl、pH 6.8 PBS 和pH 7.8 PBS 中的溶脹比分別為25.5、59.3 和51.3;而超多孔水凝膠達(dá)到溶脹平衡較慢，3 min 時(shí)在介質(zhì)中的溶脹比分別為14.3、42.4 和26.3。超多孔水凝膠和魔芋葡甘聚糖-超多孔水凝膠復(fù)合物在介質(zhì)中的溶脹比從大到小依次為:pH 6.8 PBS ＞pH 7.8 PBS ＞0.1 mol/L HCl。

圖1 (b)結(jié)果顯示魔芋葡甘聚糖-超多孔水凝膠復(fù)合物在置入0.1 mol/L HCl 和pH 7.8 PBS 中攪拌12 h 時(shí)基本達(dá)到溶蝕平衡，溶蝕率分別達(dá)到22.0%和7.1%，在pH 6.8 PBS 中則需約24 h、溶蝕率為25.3%。超多孔水凝膠在各介質(zhì)中的溶蝕平衡時(shí)間則顯著延長(zhǎng)，24 h 時(shí)在0.1 mol/L HCl、pH 6.8 PBS 和pH 7.8 PBS 中的溶蝕率依次為24.0%、33.6%、11.8%。超多孔水凝膠和魔芋葡甘聚糖-超多孔水凝膠復(fù)合物在介質(zhì)中的溶蝕率從大到小依次為:pH 6.8 PBS ＞0.1 mol/L HCl ＞pH 7.8 PBS。

由圖1 可知，與超多孔水凝膠相比，魔芋葡甘聚糖-超多孔水凝膠復(fù)合物在不同pH 介質(zhì)中的溶脹比較高、而溶蝕率則較低，且魔芋葡甘聚糖-超多孔水凝膠復(fù)合物溶脹或溶蝕平衡所需的時(shí)間均低于超多孔水凝膠。表明加入魔芋葡甘聚糖的加入不僅改善了超多孔水凝膠體系的機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)仍保有優(yōu)良的吸水溶脹性能。

2.3.2 酶的影響 圖2 (a)結(jié)果顯示魔芋葡甘聚糖-超多孔水凝膠復(fù)合物在置入介質(zhì)中3 min 時(shí)即達(dá)到溶脹平衡，在含酶的0.1 mol/L HCl、pH 6.8 PBS 和pH 7.8 PBS 中的溶脹比分別為94.0、67.4和49.8。與不含酶的介質(zhì)相比，魔芋葡甘聚糖-超多孔水凝膠復(fù)合物在含酶的0.1 mol/L HCl 中溶脹比顯著升高，而在含酶的pH 6.8 PBS 和pH 7.8 PBS 中溶脹比略有降低、但變化極小。

圖1 魔芋葡甘聚糖-超多孔水凝膠復(fù)合物和超多孔水凝膠在不同pH 介質(zhì)中的體外溶脹(a)和溶蝕(b)動(dòng)力學(xué)Fig.1 In vitro swelling (a)and erosion (b)kinetics of Konjac glucomannan-superporous hydrogel composite and superporous hydrogel in dissolution media with different pH values

圖2 (b)結(jié)果顯示，魔芋葡甘聚糖-超多孔水凝膠復(fù)合物在置入介質(zhì)中攪拌24 h 后，在含酶的0.1 mol/L HCl、pH6.8 PBS 和pH7.8 PBS 中的溶蝕率依次為21.2%、31.2%、10.9%;攪拌48 h后的溶蝕率依次為29.6%、43.9%、12.7%，與相應(yīng)的不含酶介質(zhì)中溶蝕率數(shù)據(jù)(24.9%、26.3%、8.2%)相比均有不同程度的升高。

由圖2 可知，酶的存在影響魔芋葡甘聚糖-超多孔水凝膠復(fù)合物體系的溶脹和溶蝕行為，且影響程度因酶的類(lèi)別而異。

2.3.3 鹽和糖的影響 圖3 結(jié)果顯示，魔芋葡甘聚糖-超多孔水凝膠復(fù)合物在蒸餾水中溶脹和溶蝕均最快，3 min 溶脹比為161.3，48 h 溶蝕率為85.6%;魔芋葡甘聚糖-超多孔水凝膠復(fù)合物在含NaCl 或葡萄糖介質(zhì)中溶脹和溶蝕減弱，在0.9%葡萄糖、0.5% 葡萄糖、0.9% NaCl、5% NaCl 中3min 溶脹比分別降至153.3、134.5、61.3、48.9，48 h 溶蝕率分別減至 60.6%、71.6%、22.9%、19.5%。

圖2 魔芋葡甘聚糖-超多孔水凝膠復(fù)合物在含酶介質(zhì)中的體外溶脹(a)和溶蝕(b)動(dòng)力學(xué)Fig.2 In vitro swelling (a)and erosion (b)kinetics of Konjac glucomannan-superporous hydrogel composite in media containing enzyme

結(jié)果表明，介質(zhì)中NaCl 或葡萄糖的存在不僅阻滯了體系溶脹過(guò)程，隨著鹽或糖濃度的增加、溶脹比急劇降低;同時(shí)也降低了溶蝕率，并且NaCl的影響顯著高于葡萄糖。

3 討論

影響魔芋葡甘聚糖-超多孔水凝膠復(fù)合物的溶脹動(dòng)力學(xué)的因素主要包括［11］:①聚合物鏈段的彈性收縮效應(yīng)，②聚合物中的鏈段和溶劑分子混合后而產(chǎn)生的自由能，③聚合物網(wǎng)絡(luò)中荷電基團(tuán)的滲透壓效應(yīng)，④體系孔隙率、魔芋葡甘聚糖與孔隙相互作用等。介質(zhì)pH 值變化對(duì)超多孔水凝膠體系溶脹行為影響較大［12］。低pH 介質(zhì)中，水凝膠體系中所及的解離度低、親水性較弱，處于收縮狀態(tài);隨著pH 值升高，凝膠內(nèi)部羧基離子化、自由離子滲透壓增加、固定電荷之間的靜電斥力也增加，溶脹比增大，本研究所得結(jié)果也證實(shí)體系在酸性介質(zhì)中的溶脹比顯著優(yōu)于中性介質(zhì)。隨著介質(zhì)離子強(qiáng)度增加，水凝膠體系內(nèi)外自由離子產(chǎn)生的滲透壓差降低、靜電排斥作用減弱，溶脹比降低，因此5%NaCl 溶液顯著抑制了體系的溶脹。含酶介質(zhì)對(duì)水凝膠體系溶脹行為的影響，可部分歸因于介質(zhì)的離子和pH 效應(yīng)，而酶本身的影響(尤其是胃蛋白酶能夠大幅提高體系在酸性介質(zhì)中的溶脹比)機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。魔芋葡甘聚糖加入后，超多孔水凝膠體系溶脹比得到提高，其原因一方面是由于含魔芋葡甘聚糖超多孔水凝膠復(fù)合物體系顯著的毛細(xì)管作用［13］，另一方面可能是魔芋葡甘聚糖自身具有較高的吸水率［14］(105.4 g/g)，而多孔結(jié)構(gòu)的形成顯著縮短了溶脹平衡時(shí)間。

圖3 魔芋葡甘聚糖-超多孔水凝膠復(fù)合物在NaCl 或葡萄糖溶液中的體外溶脹(a)和溶蝕(b)動(dòng)力學(xué)Fig.3 In vitro swelling (a)and erosion (b)kinetics of Konjac glucomannan-superporous hydrogel composite in NaCl or glucose solutions

超多孔水凝膠體系的的溶蝕行為受到自身機(jī)械強(qiáng)度、溶脹程度等多種因素的影響。一般而言，體系溶蝕率隨著機(jī)械強(qiáng)度提高而減小;當(dāng)體系高度溶脹時(shí)、含水量較高、結(jié)構(gòu)疏松，溶蝕則較易。本研究結(jié)果也證實(shí)了上述推測(cè)。體系中魔芋葡甘聚糖的存在使得整個(gè)水凝膠網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械強(qiáng)度得到顯著改善，溶蝕率相應(yīng)減小。

4 結(jié)論

本研究表明超多孔水凝膠體系的溶脹和溶蝕動(dòng)力學(xué)受到介質(zhì)pH 值、酶、鹽離子、糖等多種因素的影響，魔芋葡甘聚糖-超多孔水凝膠復(fù)合物體系的溶脹快速顯著、溶蝕則較超多孔水凝膠減緩、機(jī)械強(qiáng)度增加。提示我們?cè)诶贸嗫姿z作為胃腸道滯留給藥載體時(shí)，應(yīng)充分考慮人體生理環(huán)境對(duì)水凝膠體系性能的影響，以確保給藥系統(tǒng)的可靠性和安全性。

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