埃洛石基阿司匹林表面印跡分離介質的可控制備及表征

蘇立強+周磊+韓爽+張維冰

摘 要 以環(huán)境友好的天然硅基納米材料埃洛石為基質，阿司匹林為模板分子，丙烯酰胺為功能單體，采用可逆加成斷裂鏈轉移法（RAFT）制備阿司匹林表面印跡分離介質。紫外光譜結合Lamber-Beer理論模型從分子水平上證實印跡體系中模板分子與單體主要以1∶2形式結合成穩(wěn)定復合物。通過紅外光譜、透射電鏡及靜態(tài)吸附、選擇性吸附對該印跡材料結構和吸附行為加以研究，結果表明：在埃洛石表面引入了一層厚度約為38 nm、均勻性良好的印跡層。與常規(guī)表面印跡及以硅膠為載體的印跡物相比，此印跡材料具有吸附容量高、印跡效果好的特點，印跡因子達到3.5。將印跡材料進一步用于模擬人體腸液擴散實驗，印跡材料釋藥時間（12 h）是非印跡材料釋藥時間（6 h）的2倍，說明其具有較好釋藥效果，為可能的載藥應用提供了基礎數(shù)據(jù)。

關鍵詞 分子印跡聚合物； 可逆加成斷裂鏈轉移； 埃洛石納米管； 吸附特性

1 引 言

分子印跡聚合物（Molecularly imprinted polymer， MIP）[1]作為一種對目標分子具有顯著識別的多功能型智能材料，已被廣泛用于固相萃取、色譜分離、藥物緩釋等方面[2]。表面印跡[3]是將含有結合位點的MIP接枝到載體表面，與其它制備MIP方法相比，具有后處理簡單、識別位點易接近、熱力學平衡快等優(yōu)點。但表面印跡多數(shù)屬于自由基聚合，傳統(tǒng)自由基聚合存在慢引發(fā)、快增長、易發(fā)生鏈終止和鏈轉移等反應，決定了其過程難以控制。

可逆加成斷裂鏈轉移法（RAFT）[4]是使用廣泛的活性-可控自由基技術，此法利用聚合物增長鏈與二硫酯化合物的可逆加成、加成物的可逆斷裂以及鏈轉移反應，可便捷地控制聚合物的分子量和分子量分布，在表面印跡自由基聚合中可實現(xiàn)活性聚合。RAFT與表面印跡技術結合的相關報道，文獻[5，6]在球形硅膠、磁性硅球、氧化石墨烯表面制備印跡材料，取得了很好的結果；埃洛石納米管（HNTs）與常用的載體碳納米管、硅膠相比，表面既含有硅羥基，也含有鋁羥基，且具有較大孔徑，便于將識別材料引入到載體表面；另外HNTs價格便宜、無毒且生物相容性好。Pan等[7，8]以HNTs為基質，分別以2，4，6-三氯苯酚、2，4，5-三氯苯酚為模板分子，采用表面印跡法制備了兩種MIP材料，均表現(xiàn)出較好的識別選擇性。本實驗以常用藥物阿司匹林為模板分子，丙烯酰胺為功能單體，在HNTs表面采用RAFT法制備印跡材料，并對其結構和性能加以表征；并模擬人體腸液擴散實驗，研究其作為藥物載體的釋藥效果。2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

TU-1901型紫外可見分光光度計（北京普析通用儀器有限公司）；AS380傅立葉變換紅外光譜儀（美國尼高力公司）；埃洛石（HNTs，河南鄭州金陽光瓷器有限公司）。苯基溴化鎂（PMB）、阿司匹林（Asp）、4-氯甲基苯基三氯硅烷（Sigma公司）；二甲基乙二醇丙烯酸酯（EDMA，東京化成工業(yè)株式會社）；偶氮二異丁腈（AIBN，北京化工廠）；丙烯酰胺（AM）、甲基丙烯酸（MAA）、2-乙烯基吡啶（2-VP）均購自國藥集團化學試劑有限公司，以上試劑均為分析純。

2.2 芐基氯化HNTs的制備

稱取1 g經HCl處理的HNTs，分散于20 mL甲苯溶劑中，加入2.5 mL 4-氯甲基苯基三氯硅烷，超聲處理15 min后逐滴加入甲苯（2 mL）與三乙胺（1 mL）二者混合液，在惰性氣體保護下，80℃回流攪拌24 h，產物經甲醇洗滌5次，60℃干燥，得到芐基氯改性的HNTs（HNTs-Cl）。

2.3 HNTs-RAFT的制備

取苯基溴化鎂30 mL，分散于20 mL超干四氫呋喃中，預熱至40℃，逐滴加入2 mL CS2，45℃反應2 h，再向混合液中加入芐基氯化HNTs 700 mg，在惰性氣體保護下，60℃反應60 h，用1 mol/L HCl終止反應，產物依次用去離子水、乙醚各洗滌5次，60℃干燥，得到二硫代苯甲酸芐基酯鏈轉移化HNTs（HNTs-RAFT）。

2.4 自組裝印跡體系條件的篩選

2.4.1 結合力分析 以2-VP、MAA、AM為功能單體，使模板分子分別與上述功能單體按照物質量比為1∶4進行預聚合12 h。分別測定功能單體、模板分子及兩者混合溶液的紫外吸收光譜，通過比較上述混合前后紫外吸收曲線的變化，選擇功能單體。

2.4.2 印跡比例選擇 以乙腈為溶劑，固定阿司匹林溶液的濃度，漸增功能單體用量，使二者物質量比分別為1∶0， 1∶2， 1∶4， 1∶6， 1∶8和1∶10，充分作用12 h后，測定上述溶液的紫外吸收光譜。

2.5 HNTs-MIP的制備

將模板分子Asp 0.0901 g（0.5 mmol）和功能單體AM 0.1422 g（2 mmol）溶于40 mL乙腈溶劑中，充分作用12 h，再加入HNTs-RAFT 700 mg、交聯(lián)劑EDMA 1.9822 g（10 mmol）和引發(fā)劑AIBN 50 mg，通氮除氧15 min，60℃水浴反應24 h，產物用乙酸-甲醇 （20∶80，V/V）混合液索氏提取24 h，再用乙腈除去殘留的醋酸，60℃干燥，得到印跡聚合物（HNTs-MIP）。非印跡聚合物（HNTs-NIP）制備方法同上，只是在反應體系中不加入Asp。

2.6 聚合物的釋藥行為研究

分別稱取適量已吸附一定濃度阿司匹林的HNTs-MIP和HNTs-NIP，加入pH 6.8的人工腸液，利用紫外光譜法測其在不同時間的釋藥率。3 結果與討論

3.1 印跡自組裝體系條件的篩選

3.1.1 結合力分析 MIP的選擇識別性是由模板分子與功能單體間結合力大小決定的，因此，優(yōu)選合適的功能單體十分重要。采用紫外光譜法[4]系統(tǒng)研究Asp與功能單體2-VP， MAA和AM在乙腈中結合情況，結果表明，3種單體與模板均有作用，與其它兩種單體相比，AM與模板分子結合力最大。這是由于堿性單體AM易與呈酸性的模板分子阿司匹林以分子間氫鍵形式結合成穩(wěn)定復合物。雖然2-VP也呈堿性，但其結構較大，與阿司匹林結合時，存在空間位阻，結合受影響。因此，選擇AM為單體。endprint

3.1.2 印跡比例分析 利用紫外光譜結合Lamber-Beer理論模型考察單體與模板比例對結合力的影響[9]，結果如表1所示。n=1， 2， 3時，擬合方程均呈良好線性關系，其原因可能是在印跡過程中，Asp和AM有多個作用位點，二者可以1∶1、1∶2及1∶3形式結合成復合物，而當n=2時，線性相關系數(shù)最高，說明了Asp與AM以1∶2形式復合物最穩(wěn)定；結合Asp、AM結構可以推測是丙烯酰胺分子中NH2、CO與乙酰水楊酸分子中COOH以分子間氫鍵形式結合成六元環(huán)狀復合物，而另一個丙烯酰胺中NH2又與乙酰水楊酸分子中COOR的CO形成氫鍵。

理論上，Asp與AM主要以1∶2形式結合成穩(wěn)定復合物，但在實驗中，由于AM極易發(fā)生自聚，這就減少實際參與自組裝印跡體系中AM用量，為確保Asp與AM充分結合，增加單體用量更為有利；根據(jù)文獻[10]選擇印跡比例1∶4。然而并不是二者比例越高越好，AM用量過高時，既能導致余下AM發(fā)生自身締合，也會使未參與自組裝印跡體系中功能殘基增多，從而增加了低親和結合位點數(shù)目，影響了MIP對Asp選擇性識別能力。

3.2 HNTs-MIP結構表征

利用紅外光譜研究了HNTs、HCl處理的HNTs， HNTs-RAFT， HNTs-MIP， HNTs-NIP的結構特征（圖1），在HNTs中，3623.61和3697.41 cm

分別是鋁羥基及硅羥基伸縮振動峰；而在HCl處理的HNTs中，上述兩個硅鋁羥基伸縮振動峰增強，說明經HCl酸化的埃洛石表面富含硅鋁羥基，為埃洛石進一步改性接枝提供了條件。

是二硫代苯甲酸芐基酯中亞甲基和苯環(huán)特征峰，說明了RAFT試劑成功接枝到埃洛石表面；而在HNTs-MIP中，1384.33， 2959.40和2988.92 cm是交聯(lián)劑中甲基的飽和碳氫特征峰，1118.89， 1258.98和1734.56 cm是交聯(lián)劑中酯的碳氧鍵及羰基特征峰，1450.69 和1675.57cm是功能單體中酰胺的氮氫鍵及羰基特征峰，說明了印跡層成功包覆在埃洛石表面；另外， HNTs-NIP與HNTs-MIP主要特征峰十分吻合，說明Asp成功從印跡層中萃取下來，且沒有破壞印跡層結構。此結果進一步證明了在印跡過程中，Asp與AM是通過非共價鍵進行自組裝。結合二者分子結構可推斷，其主要為氫鍵作用，與結合力分析結果吻合。

圖2中HNTs（a）、HNTs-MIP（b）分別為埃洛石和埃洛石表面印跡物的透射電鏡圖。從圖2可見，天然的埃洛石呈開口、雙層、多壁納米管狀結構，且其內部有空腔，經分析，其壁厚約為29 nm。

埃洛石表面印跡聚合物后，開口、雙層管狀的形態(tài)未變，只是外層加厚，埃洛石表面包裹一層均勻的

圖2 HNTs（a）和HNTs-MIP（b）的透射電鏡圖

Fig.2 TEM images of halloysite nanotubes （HNTs） （a） and HNTs-MIP（b）印跡層，反應后形成的聚合物形貌規(guī)整，這是由于RAFT聚合法的可控性，正是其優(yōu)于傳統(tǒng)自由基聚合法之處。規(guī)則、均勻的印跡層對于其選擇、吸附等性能均是有利的。另外，圖2b中HNTs-MIP壁厚約為67 nm，通過與HNTs壁厚進行對比，MIP平均厚度約為38 nm。

3.3 聚合物的吸附性能研究

圖3 不同載體及方法的吸附量

Fig.3 Adsorption capacity of various carriers and methods

各稱取8組20 mg印跡聚合物和非印跡聚合物，加入Asp不同濃度溶液，振蕩后靜止吸附24 h，計算二者吸附量。采用靜態(tài)吸附法考察不同載體、不同方法制備聚合物的吸附性能（圖3）。HNTs-MIP和Silica-MIP分別為采用RAFT表面印跡法在埃洛石和硅膠表面制備的印跡物，T-MIP為采用常規(guī)表面印跡法制備的印跡物， 由圖可知，3種 印跡物MIP飽和吸附量均高于相應NIP吸附量，化學組份相同的材料有如此大的吸附差別，原因是二者在空間構型上具有顯著差異，印跡材料存在與Asp空間構型和功能基團相吻合的印跡孔穴，該孔穴對Asp具有高度響應性，可實現(xiàn)對Asp專一性識別；而非印跡材料不含有這樣的印跡孔穴，對Asp的識別主要是物理吸附[11]；計算HNTs-MIP， Silica-MIP， T-MIP印跡因子（β=QMIP/QNIP）分別為3.5， 2.4， 1.7，發(fā)現(xiàn)HNTs-MIP， Silica-MIP除了飽和吸附量要遠高于T-MIP之外，二者印跡因子也高于T-MIP。這是由于RAFT法可有效控制傳統(tǒng)方法在聚合過程帶來的慢引發(fā)、快增長、鏈終止及鏈轉移等不可控因素，使印跡層厚度更加均勻，形成的印跡孔穴數(shù)目更多，從而提高其結合能力；另外還注意到，HNTs-MIP專一識別能力好于Silica-MIP，這主要是與硅膠相比，埃洛石表面既含有硅羥基，也含有鋁羥基功能基團，且具有較大表面積，便于MIP的引入，印跡效果更好。

選取水楊酸（SA）和苯甲酸（BA）作為阿司匹林結構類似物，考察印跡物的選擇性。稱取3組HNTs-MIP和HNTs-NIP各20 mg，加入相同濃度阿司匹林、苯甲酸及水楊酸溶液，振蕩后靜止吸附24 h，測量上清液中上述3種苯系物的濃度，計算吸附量。經分析，Asp， SA， BA印跡因子β依次是3.5， 2.2， 1.6，由以上數(shù)據(jù)

圖4 聚合物的釋藥曲線

Fig.4 Drug sustained release curve of polymer

HNTs-MIP負載藥物量：78.28 mg/g （load drug amount of HNTs-MIP： 78.28 mg/g）； 溶液pH： 6.8 （solution pH： 6.8）endprint

可知，HNTs-MIP對阿司匹林表現(xiàn)高度的選擇識別性。

3.4 聚合物的釋藥行為研究

印跡物因其高度親和性，用于藥物緩釋系統(tǒng)能提高載藥量，增加藥物的穩(wěn)定性，克服了傳統(tǒng)機械地將藥物包覆膠囊里在釋藥過程中存在突釋等缺點，使給藥系統(tǒng)具有更持久的緩釋周期[12]。本研究以常用藥物阿司匹林為模板分子，HNTs-MIP為藥物載體進行藥物緩釋實驗研究，結果如圖4所示，隨給藥時間增加，HNTs-MIP和HNTs-NIP釋藥率也隨之增長，HNTs-NIP釋藥率幾乎呈直線增長，而HNTs-MIP釋藥率則呈非線性增長，這是由于HNTs-NIP給藥過程僅受擴散作用控制，緩釋效果較差，而HNTs-MIP給藥過程是由擴散作用和印跡效應二者共同決定，使藥物模板Asp更好地在HNTs-MIP上選擇性釋放，以便維持人體血藥濃度平衡，同時還減少患者服藥次數(shù)，達到阿司匹林緩釋目的。與HNTs-NIP釋藥時間（6 h）相比，HNTs-MIP釋藥時間長達12 h， 為其2倍，釋藥效果較好。

上述實驗結果表明，在HNTs表面RAFT法制備的HNTs-MIP均勻性較好，對模板阿司匹林表現(xiàn)高度選擇性以及較強的釋藥能力。

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