椰殼活性炭對(duì)甲磺酸培氟沙星吸附及緩釋研究

譚 非 吳思鴻

（福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院，福建福州350002）

椰殼活性炭對(duì)甲磺酸培氟沙星吸附及緩釋研究

譚 非 吳思鴻

（福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院，福建福州350002）

通過研究水溶液中椰殼活性炭對(duì)甲磺酸培氟沙星（PFLX）的吸附及緩釋性能，對(duì)比不同溫度下的吸附等溫線，用Langmuir及Freundlich方程對(duì)吸附自由能、焓、熵進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明：活性炭對(duì)甲磺酸培氟沙星的吸附符合Freundlich方程，測得ΔH=6.405 9 kJ/mol，說明活性炭對(duì)PFLX的吸附過程為吸熱過程；且ΔH＜20 kJ/mol，表明吸附過程為物理吸附；同時(shí)測得吉布斯自由能ΔG＜0，表明吸附質(zhì)從溶液到吸附劑表面的吸附過程是自發(fā)過程，其吸附主要是熵驅(qū)動(dòng)。硝酸氧化改性制備的活性炭較椰殼活性炭的緩釋性能有較大的改變，不同活性炭對(duì)PFLX的緩釋均符合Higuchi方程釋藥模式。

活性炭；甲磺酸培氟沙星；熱力學(xué)；吸附；緩釋

甲磺酸培氟沙星（PFLX）是喹諾酮的第三代藥物，具有抗譜、抗菌力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、療效顯著等特點(diǎn)?；钚蕴烤哂谐叩谋缺砻娣e及吸附能力，在生化系統(tǒng)可用于吸附肌酐、凈化血液［1-2］，也可作為解毒劑，吸附有毒成分，治療急性中毒［3-4］；其與膽酸結(jié)合，可降低血脂，治療高膽固醇血癥［5］。越來越多研究者開始關(guān)注活性炭作為醫(yī)藥緩釋載體的應(yīng)用，如用活性炭吸附一些半衰期短、對(duì)正常細(xì)胞損害大、易成癮的藥物以增強(qiáng)治療效果［6］，而關(guān)于活性炭作為抗生素載體的吸附及緩釋研究較少。由于抗生素長期使用后會(huì)產(chǎn)生抗藥性，而活性炭作為藥物緩釋劑可以有效提高藥物的使用效率，進(jìn)而較大程度的減少抗藥性的發(fā)生，因此，本研究對(duì)椰殼活性炭作為藥物載體吸附喹諾酮藥物甲磺酸培氟沙星及其緩釋性能進(jìn)行探討。

1 材料與方法

1.1 主要原料與儀器

椰殼活性炭，廣州君來有限公司；甲磺酸培氟沙星（PFLX），純品原料藥，百靈威科技有限公司；紫外分光光度計(jì)，北京普析通用儀器有限公司；

1.2 活性炭物性參數(shù)

活性炭的吸附等溫線表明活性炭以中微孔為主。通過亞甲基藍(lán)吸附測定為120 m L/g，碘值為1 100mg/g。

1.3 PFLX標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制

精確配制不同濃度的PFLX標(biāo)準(zhǔn)Tris-HCl緩沖溶液，用紫外分光光度計(jì)在285 nm測定標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度值，繪制濃度對(duì)吸光度的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.4 吸附熱力學(xué)等溫線的測定

將100mg的甲磺酸培氟沙星（PFLX）加入pH 7.0的Tris-HCl緩沖溶液中作為母液，分別配制35、30、25、20、15m L/mg的PFLX溶液，在不同設(shè)定溫度下（60、50、40、30℃），加入等量的未改性椰殼活性炭，在恒定溫度下震蕩12 h至吸附平衡（經(jīng)紫外分光光度計(jì)測定，此時(shí)PFLX的吸收峰值已穩(wěn)定不變，說明已達(dá)到吸附平衡）。采用紫外分光光度法，在285 nm處測定活性炭對(duì)PFLX吸附平衡濃度（Ce），通過下式計(jì)算活性炭的吸附量［7］。

式中：V為溶液體積（L）；W為活性炭質(zhì)量（g）；C0為PFLX的初始濃度（mg/L）；Ce為PFLX的平衡濃度；Qe為平衡吸附量（mg/g）。

1.5 活性炭的改性試驗(yàn)

氨水改性：稱取1.8 g的活性炭于250mL的錐形瓶中，加入100 mL純氨水，在30℃恒溫條件下，浸泡24 h，用蒸餾水洗凈至洗液呈中性，在110℃條件烘干，即得氨水改性的活性炭。通過亞甲基藍(lán)吸附測定為110mL/g，碘值為1 000mg/g。

濃硝酸氧化改性：稱取1.8 g活性炭于250mL錐形瓶中，加入100mL的濃硝酸，在60℃恒溫條件下，浸泡24 h，用蒸餾水洗凈至洗液呈中性，在110℃條件下烘干，即得濃硝酸改性的活性炭。通過亞甲基藍(lán)吸附測定為130mL/g，碘值為1 200mg/g。

1.6 緩釋試驗(yàn)

用自制簡易釋放裝置，模擬體內(nèi)環(huán)境，對(duì)活性炭做PFLX的體外釋放試驗(yàn)。將不同種類及適量吸附了PFLX的活性炭樣品，置于37℃1 000mL的恒溫溶出杯中，在100 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌下，一定時(shí)間間隔取樣2 mL，在分光光度計(jì)上測定285 nm處PFLX的吸光度值，根據(jù)PFLX標(biāo)準(zhǔn)曲線求出藥物濃度，從而計(jì)算出藥物累計(jì)釋放量［8-9］。

2 結(jié)果與分析

2.1 活性炭吸附熱力學(xué)特性

活性炭吸附PFLX等溫線的模擬見圖1。試驗(yàn)范圍內(nèi)，不同溫度下，椰殼活性炭的平衡吸附量及PFLX的平衡濃度呈現(xiàn)相同的趨勢，即PFLX的平衡濃度增加，活性炭的平衡吸附量也隨之增大。

采用Langmuir方程和Freundlich等溫吸附方程，對(duì)活性炭吸附PFLX進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，兩者的線性轉(zhuǎn)換方程式如下。Langmuir等溫吸附方程［7］：

式中：KL為Langmuir吸附系數(shù)；Q∞為飽和吸附量；Kf為Freundlich吸附系數(shù)；n為量度吸附強(qiáng)度的常數(shù)。上述參數(shù)均為與吸附相關(guān)的特征參數(shù)。

等溫方程中吸附系數(shù)KL或Kf，與溫度和吸附熱有關(guān)，其關(guān)系為ln KL（Kf）=ln K0-ΔH/（RT），吸附焓變可由此式得到，其中ΔH是等量焓變［10］。

不同溫度下Langmuir等溫方程及熱力學(xué)參數(shù)見表1，F(xiàn)reundlich等溫方程及熱力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 不同溫度下Langmuir等溫方程及熱力學(xué)參數(shù)Tab.1 The Langmuir equation at different temperatures and thermodynamic parameter

表2 不同溫度下Freundlich等溫方程及熱力學(xué)參數(shù)Tab.2 The Freundlich equation at different temperatures and thermodynamic parameter

上述2種方程對(duì)于固定溫度下的數(shù)據(jù)擬合均較為理想，但不同溫度下來確定吸附的焓變，F(xiàn)reundlich方程達(dá)到R2=0.909，而Langmuir方程僅有R2=0.729，所以認(rèn)為Freundlich方程能夠較好的描述PFLX的等溫吸附熱力學(xué)現(xiàn)象。這是由于Langmuir方程基于吸附劑表面為均質(zhì)，而Freundlich方程主要描述表面不均勻的多層吸附?；钚蕴勘旧碛恤驶Ⅳ然葮O性官能團(tuán)存在，極性官能團(tuán)會(huì)對(duì)極性的PFLX分子會(huì)造成不均勻吸附。計(jì)算得到的焓值較小，表明吸附過程主要為物理吸附。在溶液中既有溶質(zhì)又有溶劑，溶質(zhì)吸附的同時(shí)，伴隨著溶劑的脫附（離開活性炭表面相進(jìn)入溶液中）。從活性炭上置換下來的溶劑分子數(shù)目與溶質(zhì)分子占取的分子表面截面積有關(guān)，截面積越大，置換下來的溶劑分子就越多。溶質(zhì)分子吸附在吸附劑是1個(gè)自由度減小的過程，熵也隨之減小，而溶劑分子的脫附是熵增大的過程。吸附過程的熵變是兩者的總合，所以液固吸附過程的熵變不一定為負(fù)，而取決于溶質(zhì)和溶劑的分子體積。若溶質(zhì)分子體積大，則置換下來的溶劑分子多，過程的總熵變?yōu)檎?1］。由于PFLX的分子體積較水分子大，置換出較多的水分子，使得水脫附引起的熵增加遠(yuǎn)大于PFLX吸附引起的熵減少，從而熵變?yōu)檎?。?jì)算得到的吸附焓為吸熱過程，不利于吸附的發(fā)生，因而，整個(gè)吸附過程為熵驅(qū)動(dòng)。

2.2 活性炭體外釋放特點(diǎn)

用自制簡易釋放裝置，模擬體內(nèi)環(huán)境，對(duì)椰殼活性炭、氨水改性活性炭及硝酸改性活性炭做PFLX的體外釋放試驗(yàn)。根據(jù)PFLX最大吸收波長285 nm的吸光度值及標(biāo)準(zhǔn)曲線求出藥物濃度，進(jìn)而計(jì)算藥物累計(jì)釋放量和累積釋放比例，繪制甲磺酸培氟沙星的體外釋放曲線，結(jié)果見圖2。

由圖2可知，3種不同活性炭對(duì)甲磺酸培氟沙星的累計(jì)釋放曲線大致可分為以分為前期突釋、中期緩釋和后期平衡釋放3個(gè)階段。突釋階段，藥物釋放量較大，釋放的速度也較快，維持大約60～100 min；緩釋階段，藥物釋放量變地較平穩(wěn)，釋放速度比較緩慢，維持時(shí)間大約100～300min；而平衡釋放階段，藥物濃度變化基本穩(wěn)定，釋藥速率平緩，可認(rèn)為達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)［8-9］。

同時(shí)，圖2還顯示，3種活性炭的緩釋釋放率存在差異。相同緩釋條件下，濃硝酸改性活性炭的釋放量最大，釋放率為9.79%；純氨水改性活性炭釋放率為5.39%，與無改性活性炭的5.38%接近，釋放速率均比較緩慢?？梢?，氨水改性活性炭對(duì)緩釋效果改進(jìn)不明顯，而硝酸改性的活性炭緩釋性能有較大變化。這可能是由于硝酸改性氧化產(chǎn)生較多的極性官能團(tuán)，與甲磺酸培氟沙星的極性官能團(tuán)相互作用的結(jié)果。

為了進(jìn)一步了解活性炭對(duì)甲磺酸培氟沙星的緩釋效果，取時(shí)間在100 min突釋階段內(nèi)藥物釋放數(shù)據(jù)，按Higuchi方程（W=A＋B t0.5）和零級(jí)動(dòng)力學(xué)方程（W=A＋B t）進(jìn)行擬合。其中：W為藥物釋放量；t為緩釋時(shí)間；A、B為常數(shù)。對(duì)3種不同活性炭分別進(jìn)行上述2種方程處理100 min內(nèi)的數(shù)據(jù)，結(jié)果見表3。

表3 體外釋藥動(dòng)力學(xué)模型擬合結(jié)果Tab.3 The Fitting results of dynamics simulation of drug release in vitro

從表3可看出，3種不同活性炭用Higuchi方程擬合的相關(guān)系數(shù)較大，均在0.98以上，表明3種活性炭對(duì)藥物的緩釋過程更符合Higuchi方程［8］。以上試驗(yàn)說明可以通過活性炭改性方法改善活性炭的緩釋性能。

3 結(jié)論

1）活性炭本身對(duì)PFLX有較好的負(fù)載能力，可以用作喹諾酮藥物的緩釋載體。由于活性炭本身的極性官能團(tuán)及PFLX的極性官能團(tuán)作用，活性炭對(duì)PFLX的吸附更符合Freundlich方程描述的表面不均勻的多層吸附。該方程測得ΔH= 6.4059 kJ/mol，說明活性炭對(duì)PFLX的吸附過程為吸熱過程，且ΔH＜20 kJ/mol，表明吸附過程為物理吸附。同時(shí)測得吉布斯自由能ΔG＜0，表明吸附質(zhì)從溶液到吸附劑表面的吸附過程是自發(fā)過程。其吸附主要是熵驅(qū)動(dòng)。而吸附過程主要是熵驅(qū)動(dòng)。

2）硝酸氧化改性制備的活性炭較椰殼活性炭的緩釋性能有較大的改變，同時(shí)，硝酸氧化改性、氨水改性及椰殼活性炭對(duì)藥物的釋放過程均符合Higuchi方程釋藥模式。它們得到的方程分別為：W=0.217 38＋0.055 77 t0.5（R=0.990 15）；W=0.088 02＋0.025 07t0.5（R=0.999 44）；W=0.140 57＋0.028 540 t0.5（R=0.0.987 19）。

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（責(zé)任編輯 曹 龍）

Adsorption and Controlled Release of Pefloxacin Mesylate from Aqueous Solution by Coconut Shell Activated Carbon

Tan Fei，Wu Sihong
（College of Material Engineering，F(xiàn)ujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou Fujian 350002，China）

The effectof activated carbon made from coconut shell on adsorption and controlled release of pefloxacin mesylate（PFLX）in aqueous solution was studied.The adsorption isotherms had beenmeasured at different temperatures.The adsorptive free energy，enthalpy and entropy in adsorption processes had been calculated by the Langmuir and Freundlich equation.The result showed that adsorption of PFLX was in accord with Freundlich equation.The heatof absorptionΔH was6.405 9 kJ/mol，which demonstrated that the absorption was an endothermic process，whenΔH＜20 kJ/mol，it indicated that the adsorption processwasmostly physical adsorption.Meanwhile，Gibbs free energyΔG＜0，which indicated that the adsorption was a spontaneous process.The results indicated that the value ofΔS was positive and it′s the main driving force of adsorption.Modified activated carbon of nitrate oxidization possessed had more controlled release capacity compared with coconut shell activated carbons. The different activated carbon controlled release processmarched with Higuchi equation.

activated carbon；pefloxacin mesylate；thermodynamics；adsorption；controlled release

S785

A

2095-1914（2016）02-0142-04

10.11929/j.issn.2095-1914.2016.02.024

2015-09-24

福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2011J01283）資助。

第1作者：譚非（1971—），男，副教授，博士。研究方向：生物質(zhì)材料。Email：1001tf@163.com。