納米活性炭對中藥或植物活性成分的吸附與緩釋研究進(jìn)展

曾朝彥李湘洲 張 勝 黃 丹, 2

(1. 中南林業(yè)科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410004；2. 湖南中醫(yī)藥大學(xué)中藥粉體與創(chuàng)新藥物省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，湖南 長沙 410208)

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納米活性炭對中藥或植物活性成分的吸附與緩釋研究進(jìn)展

曾朝彥1李湘洲1張 勝1黃 丹1, 2

(1. 中南林業(yè)科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410004；2. 湖南中醫(yī)藥大學(xué)中藥粉體與創(chuàng)新藥物省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，湖南 長沙 410208)

文章綜述藥物緩釋制劑的作用和種類，評述納米活性炭作為活性成分緩釋載體的理化特性，歸納近年來國內(nèi)外對納米活性炭作為中藥或植物活性成分緩釋制劑載體的研究進(jìn)展，指出納米活性炭的制備以及納米活性炭作為活性成分緩釋制劑遇到的技術(shù)瓶頸和今后的研究方向。

納米活性炭；緩釋載體；中藥；植物活性成分

中國天然藥物資源豐富，包括中藥[1]、植物活性成分[2]以及某些天然食物的有效成分[3-4]。中藥或植物活性成分緩釋制劑有利于提高有效成分的療效，降低不良反應(yīng)，改變傳統(tǒng)劑型落后的特點(diǎn)，為新藥的研究和開發(fā)提供新途徑，是中藥或植物活性成分創(chuàng)新研發(fā)的主要方向之一。近年來，中藥或植物活性成分緩釋制劑研究已然成為國內(nèi)外機(jī)構(gòu)和專家學(xué)者關(guān)注的前沿和熱點(diǎn)課題。

用于中藥或植物活性成分的緩釋劑型主要有片劑(包括骨架型、漂浮型、滲透泵型)、注射劑、凝膠劑、脂質(zhì)體等。在使用和研究過程中人們發(fā)現(xiàn)這些緩釋劑型還存在一些問題，比如，制備過程復(fù)雜，生物相容性差，載藥量少，對胃腸道有刺激。為此，人們將視線轉(zhuǎn)向能夠克服這些缺點(diǎn)的功能性藥物緩釋載體，納米活性炭(activated carbon nanoparticles，ACNP)就是其中的一類。

納米活性炭與其它緩釋載體相比較具有獨(dú)特的優(yōu)勢[5]，主要體現(xiàn)在它的比表面積大、孔徑分布均勻、有效吸附中心多、生物相容性好、無毒性、易再生等方面，廣泛應(yīng)用于食品及醫(yī)藥等領(lǐng)域[6]。納米活性炭負(fù)載抗腫瘤藥、靶向藥制成的緩釋制劑，具有明顯減少給藥次數(shù)、降低副作用、長久維持血藥濃度、患者依存性好等優(yōu)點(diǎn)[7-9]。因此，開展納米活性炭負(fù)載中藥或植物活性成分并制成緩釋制劑方面的研究，無論是對中藥還是植物活性成分產(chǎn)品的開發(fā)都具有非常重要的研究價值。

本文將從納米活性炭對藥物的吸附和緩釋機(jī)制、納米活性炭的理化特性對吸附和緩釋的影響、生物活性物質(zhì)緩釋效果、納米活性炭的制備、納米活性炭作為生物活性成分緩釋劑存在的技術(shù)瓶頸以及今后的研究方向展開評述。

1 納米活性炭對藥物的吸附與緩釋機(jī)制

納米活性炭的比表面積、孔容積、孔徑尺寸的大小是影響其吸附性能的關(guān)鍵因素[10],只有當(dāng)納米活性炭的孔徑與分子或離子的尺寸相匹配才能發(fā)生有效吸附。因此，納米活性孔徑的大小決定對藥物的有效吸附量。載藥納米活性炭的吸附機(jī)制主要為物理吸附，無選擇性，對藥物的理化性質(zhì)無影響,且納米活性炭在體內(nèi)具有很好的生物相容性，因此納米活性炭作為藥物緩釋材料有很大的優(yōu)勢。醫(yī)藥領(lǐng)域的專家學(xué)者對于納米活性炭藥物緩釋制劑的緩釋機(jī)理認(rèn)同的是：納米活性炭表面游離的藥物與其吸附了的藥物處在于一種動態(tài)平衡之中[11-12]。一旦游離藥物被消耗了，納米活性炭可以立刻釋放出一部分藥物來保持這種平衡，從而達(dá)到緩釋的目的，并因此也提高藥物的療效。

國內(nèi)外學(xué)者對納米活性炭緩釋載體的研究非?；钴S，P. Iovino等[13]提出用Langmuir模型來研究活性炭吸附布洛芬的吸附機(jī)制，這項(xiàng)研究是基于Langmuir吸附理論應(yīng)用于溶液中的離子種類，納米活性炭吸附布洛芬的量取決于布洛芬在溶液中的物理形態(tài)，這一結(jié)果符合納米活性炭的吸附機(jī)理且與Langmuir吸附理論一致。納米活性炭緩釋制劑研究得比較成熟的有絲裂霉素C(mitomycin C, MMC)、5-氟尿嘧啶(5-FU)、多烯紫杉醇(docetaxel, DOC)等。董怡民等[14]利用透析法和流釋法檢測納米活性炭對5-FU的吸附和緩釋效果，通過模擬細(xì)胞膜的半透性使藥物的擴(kuò)散與它在人體內(nèi)的擴(kuò)散機(jī)理相接近，并且納米活性炭對5-FU的飽吸附量符合Freundich經(jīng)驗(yàn)公式M=KCP。曲秋蓮等[15]比較了納米活性炭(activated carbon nano-particles, ACNP)和微米粒子活性炭(activated carbonmicro-particles, ACMP)兩種材料對MMC的吸附量和緩釋性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)ACNP對MCC的飽和吸附量和緩釋性能均優(yōu)于ACMP。此項(xiàng)研究揭示了納米級別的活性炭比微米級別的活性炭的吸附性和緩釋性都要強(qiáng)，也暗示活性炭的理化性質(zhì)對它的吸附性和緩釋性產(chǎn)生影響。

以上闡述的研究報道納米活性炭負(fù)載的藥物大多為化學(xué)藥物，而負(fù)載中藥或植物活性成分的研究鮮有報道。中國植物資源豐富，眾多植物提取物富含的活性成分受到越來越多的關(guān)注，納米活性炭負(fù)載中藥或植物活性成分將成為一個新的研究熱點(diǎn)。

2 納米活性炭的理化特性對其吸附和緩釋的影響

納米活性炭比微米級活性炭的吸附性和緩釋性都要好[16]，主要是因?yàn)榧{米活性炭的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)更容易使藥物均勻地分布在其表面并釋放出來。納米活性炭粒子之間的排列是否有序、表面是否光滑將直接影響其對藥物的吸附與緩釋效果。有時為了獲得分布均勻、排列有序、多孔結(jié)構(gòu)的納米活性而對其進(jìn)行改性。Zhu G等[17]采用磷酸來改性活性炭，利用SEM來觀察改性前后活性炭的微觀變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)改性后的活性炭因其分布集中、排列有序、孔結(jié)構(gòu)增多而更有利于藥物的負(fù)載和釋放。一般的SEM只能觀察到幾十個納米左右，而更小的納米級的孔在SEM下觀測效果并不明顯，需要通過透射電鏡(TEM)和孔徑測定儀進(jìn)一步分析[18]。 TEM不僅能夠觀察到物質(zhì)的表面形貌，而且還可以觀察到它的內(nèi)部晶體甚至原子結(jié)構(gòu)。特別適用于觀察微中孔活性炭。

納米活性炭的吸附能力與BET比表面積和總孔容積值呈正相關(guān)。Sait Yorgun等[19]用泡桐木材通過磷酸活化制備活性炭，用氮?dú)馕摳綔y出來的BET比表面積和總孔積分別高達(dá) 2 806 m2/g和1.746 cm3/g。但藥用活性炭的表面積包括內(nèi)表面積和外表面積，超大的內(nèi)表面積是吸附的主要因素[20]。載藥后的納米活性炭由于藥物分布在它的表面和孔結(jié)構(gòu)中導(dǎo)致比表面積和總孔容積降低。此外，納米活性炭表面所含有的官能團(tuán)種類比較多，包括羥基、羧基、酯、酮、酸等官能團(tuán)。如果親水性基團(tuán)比較多，根據(jù)相似相溶原則，則能夠與藥物中的親水性基團(tuán)形成化學(xué)鍵。藥物的有效成分負(fù)載到納米活性炭上經(jīng)過FTIR檢測分析，會出現(xiàn)新的峰而且有些官能團(tuán)的峰值增強(qiáng)。這是因?yàn)樗幬锏挠行С煞挚赡苁呛信c納米活性炭不同的和相同的官能團(tuán)而導(dǎo)致的。

3 納米活性炭對生物活性成分的緩釋效果

納米活性炭緩釋制劑對于生物活性成分的釋放是通過模擬人體內(nèi)環(huán)境來實(shí)現(xiàn)的[21]，可以通過測定生物活性的累積釋放率來評價其緩釋效果。常用的釋放介質(zhì)為蒸餾水、人工腸液、人工胃液，不同的生物活性成分在不同的介質(zhì)中其釋放速度不同?？傮w而言生物活性成分在納米活性炭中的釋放可以分為突釋、緩釋、平衡釋放3個階段。突釋階段時間短但生物活性成分釋放量最多，緩釋階段釋放速度銳減，生物活性成分濃度增長平緩。平衡階段生物活性成的濃度處于動態(tài)平衡之中。中國藥典2010版二部附錄XI、X[22]規(guī)定生物活性成分緩釋的數(shù)據(jù)采用3種數(shù)學(xué)模型擬合，即零級擬合：Mt/M∞ =kt；一級擬合：(1-Mt/M∞)= -kt；Higuchi方程：Mt/M∞=kt1/2。擬合效果最好的是Higuchi方程。洪正源等[23]讓載煙酸的活性炭在不同的介質(zhì)中釋放，并用3種數(shù)學(xué)模型來模擬煙酸的釋放，煙酸在人工胃液中的釋放率最高達(dá)到了76.36%，Higuchi方程擬合的效果最佳。

但是上述方法還不能完全評價納米活性炭緩釋制劑在體內(nèi)或局部組織的緩釋作用。因此，研究納米活性炭緩釋制劑在體內(nèi)的緩釋效果很有意義。張李等[24]探討了納米活性炭吸附絲裂霉素C腹腔化療的藥代動力學(xué)特征，建立人胃癌裸鼠模型，靜脈注射ACNP-MCC，于給藥后不同時間點(diǎn)解剖裸鼠提取標(biāo)本。研究表明ACNP-MCC可以在腸系膜、淋巴結(jié)以及腹腔液形成較高藥物濃度,并持續(xù)維持至少24 h。一般的藥物在人體內(nèi)幾個小時就代謝了。因此，ACNP-MCC具有功能緩釋性。

對生物活性成分的緩釋效果更深層次的研究是通過細(xì)胞試驗(yàn)來說明的，如中藥或植物活成分中的某些生物成分對某些細(xì)胞有增殖抑制作用。常用細(xì)胞有海拉細(xì)胞(hela)[25]、結(jié)腸癌細(xì)胞(hct116)[26]、肝癌細(xì)胞[27]等。蔡要欣等[28]探索了納米活性炭負(fù)載多烯紫杉醇對人肺腺癌細(xì)胞A549增殖及凋亡的作用。結(jié)果表明，0.2～125.0 μmol/L的DOC及ACNP-DOC對A549細(xì)胞均有增殖抑制作用，并呈濃度和時間依賴性。這項(xiàng)研究從細(xì)胞學(xué)的角度說明載藥活性炭能夠長時間維持藥物的濃度，并比體內(nèi)試驗(yàn)研究得更深入。

不過，迄今為止，對負(fù)載植物提取物活性成分的納米活性炭在介質(zhì)中不同時間點(diǎn)釋放出來的藥物(緩釋液)進(jìn)行抑制腫瘤細(xì)胞的增殖，還未見有文獻(xiàn)報道。作者及其所在研究團(tuán)隊正致力于該項(xiàng)工作，期望在這方面取得進(jìn)展。

4 納米活性炭的制備方法

目前納米活性炭的制備方法使用最多的是球磨法、溶膠凝膠合成法、氣流粉碎法。

球磨法是利用研磨體(如鋼球、鵝卵石等)的沖擊力或?qū)η蚰?nèi)壁研磨把物料粉碎并混合。球磨法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單、產(chǎn)品純度高、可連續(xù)生產(chǎn)，缺點(diǎn)是工作效率低、消耗能量大、易產(chǎn)生噪音，研磨體與機(jī)體的摩擦損耗很大，并有可能會污染產(chǎn)品。董怡民等[14]將活性炭用球磨機(jī)粉碎后過篩,在最佳研磨時間、轉(zhuǎn)速和活性炭與水之比下將篩后成分研磨，然后烘干，粉碎制得。得到的活性炭粒子呈圓球形，在TEM下測量平均粒徑為100 nm。

溶膠—凝膠合成法來制備納米活性炭，分三步制備：① 制備水相炭基凝膠；② 凝膠干燥納米活性炭；③ 高溫?zé)崽幚砑{米活性炭[29]。溶膠—凝膠法的優(yōu)點(diǎn)是制得的納米活性炭純度高、比表面積大、均勻性好、晶粒細(xì)小。溶膠—凝膠法的缺點(diǎn)是對設(shè)備要求高、耗時、規(guī)?；a(chǎn)及其產(chǎn)業(yè)化有一定難度。

氣流粉碎法是在高速氣流作用下,顆粒之間不斷撞擊、氣流對顆粒產(chǎn)生沖擊剪切作用、顆粒還與粉碎室發(fā)生沖擊、摩擦、剪切作用。氣流粉碎法的優(yōu)點(diǎn)是：過程快速高效、分散性好、批量生產(chǎn)，缺點(diǎn)是對設(shè)備要求高，不太適合大批量生產(chǎn)。

上述這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，可根據(jù)所負(fù)載的中藥或植物活性成分的理化、產(chǎn)品的價格、市場的需求等實(shí)際情況來選擇制備納米活性炭的適宜方法。

5 結(jié)論與展望

納米活性炭作為生物活性成分緩釋制劑的評價方法的建立是納米活性炭緩釋制劑發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是其發(fā)展的技術(shù)瓶頸?？蓮囊韵聨讉€方面著眼布局來建立納米活性炭生物活性成分的評價方法。

(1) 納米活性炭的來源?；钚蕴康膩碓从泻芏?，例如，竹類、椰殼、煤炭、瀝青等。而作為生物活性成分載體的納米活性炭的來源必須無污染，因此，尋求無污染的活性炭來源對納米活性炭作為活性成分的緩釋載體的發(fā)展極其重要。

(2) 納米活性炭對中藥或植物活性成分的緩釋。由于中藥緩釋制劑是在西藥理論的基礎(chǔ)上建立起來的，因此，研究中藥納米活性炭緩釋制劑不能完全照搬西藥理論，而需要依從其自身的特點(diǎn)即在中醫(yī)藥理論的指導(dǎo)下，從整體上和宏觀上來開發(fā)中藥納米活性炭緩釋制劑評價方法。

(3) 納米活性炭緩釋制劑在介質(zhì)中不同時段釋放出來的生物活性成分(緩釋液)的濃度是否與時間呈正相關(guān)。很多中藥或植物活性成分能夠抑制癌細(xì)胞的增殖，因此來研究將它們制成納米活性炭緩釋制劑后在介質(zhì)中不同時段釋放出來的緩釋液對癌細(xì)胞的增殖抑制作用，來分析緩釋液的濃度是否與時間呈依賴性。

隨著對納米活性炭作為中藥或植物活性成分的深入研究，特別是綜合運(yùn)用中藥學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)以及材料學(xué)等諸多學(xué)科對中藥或植物活性成分納米活性炭緩釋制劑的研究，上述問題將會逐一得到解決。多學(xué)科交叉，相互滲透的創(chuàng)新研究方式將會是發(fā)展趨勢。對中藥或植物活性成分納米活性炭緩釋制劑的體內(nèi)外評價方法的創(chuàng)新，無疑將會大幅度提高中藥或植物活性成分的療效，也將為植物活性成分在功能性食品添加劑[30-31]以及保健品[32-35]和藥物[36-37]方面的應(yīng)用拓展新的用途和領(lǐng)域。

目前作者所在科研團(tuán)隊已經(jīng)開展了納米竹炭對杜仲[38]提取物的吸附與緩釋及體外抗癌作用的研究，制備了納米竹炭杜仲提取物固體分散體，驗(yàn)證了緩釋液(杜仲提取物的有效成分)對HCT116的增殖具有緩釋抑制作用。這些研究為納米活性炭作為中藥或植物活性成分緩釋載體的研究提供了思路，相關(guān)研究成果將另文報道。

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A review about the adsorption and sustained release of traditional Chinese medicine or plant active components by activated carbon nanoparticles

ZENG Zhao-yan1LIXiang-zhou1ZHANGSheng1HUANGDan1, 2

(1.CollegeofMaterialsScienceandEngineeringofCentralSouthUniversityofForestryandTechnology,Changsha,Hunan410004,China; 2.StateKeyLaboratoryofChineseMedicinePowderandMedicineInnovationinHunan(Incubation),HunanUniversityofChineseMedicine,Changsha,Hunan410208,China)

This review made a summary of the functions and types of activated carbon nanoparticles for sustained drug delivery system. The physical and chemical properties of activated carbon nanoparticles as the carrier of natural extractives and medicine were reviewed. The research progresses in activated carbon nanoparticles as the carrier of traditional Chinese medicine or natural extractives from plants have been summaried. The technical bottleneck in preparation and utilization of activated carbon nanoparticles as the active ingredient sustained-release were also analyzed.

activated carbon nanoparticles; slow release carrier; traditional Chinese medicine; active components of plant

湖南省自然科學(xué)基金(編號：2015JJ2196)

曾朝彥，男，中南林業(yè)科技大學(xué)在讀碩士研究生。

李湘洲(1965—)，女，中南林業(yè)科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。E-mail: rlxz@163.com

2016-05-02