離子液體輔助合成磁性介孔炭微球及其對萘普生釋放的影響

宋镠，黃皚琳，魯泊宏，邱江龍，潘柔君，王秀芳

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離子液體輔助合成磁性介孔炭微球及其對萘普生釋放的影響

宋镠，黃皚琳，魯泊宏，邱江龍，潘柔君，王秀芳

（廣東藥科大學(xué)藥學(xué)院，廣東 廣州510006）

摘要：目的考察磁性介孔炭對萘普生的吸附與釋放行為。方法通過簡單的原位一鍋法，以綠色溶劑離子液體輔助合成磁性介孔炭微球，通過N2吸附SEM、大角XRD和拉曼光譜對磁性介孔炭微球進(jìn)行表征；并考察不同pH條件下，磁性介孔炭微球?qū)疗丈尫诺挠绊?。結(jié)果隨著Fe（NO3）3·9H2O用量的增大，磁性介孔炭微球的比表面積、孔徑及孔容逐漸減小。磁性介孔炭微球大大提高了萘普生的釋放速率，且累積釋放率隨著Fe-C的比表面積和孔容的增大而增大。在所研究的pH范圍內(nèi)（5.0，6.8，8.0），當(dāng)pH=8.0時(shí)，萘普生在Fe-C-1上的載藥量最高、釋放最快，且累積釋放速率最大。結(jié)論萘普生在磁性介孔炭微球上的釋放分為3個(gè)階段：第1階段為中孔擴(kuò)散，表面擴(kuò)散過程占主導(dǎo)地位；第2階段為孔隙擴(kuò)散速率限制階段，是萘普生被吸附進(jìn)炭微球的內(nèi)部毛孔后再逐漸釋放的過程；第3階段為釋放平衡狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：磁性介孔炭微球；合成；離子液體；萘普生

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-05-23 10：59 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/44.1413.R.20160523.1059.001.html

近年來，介孔炭微球材料因具有高比表面、熱穩(wěn)定性、生物相容性好和化學(xué)惰性等優(yōu)點(diǎn)，得到越來越多的關(guān)注［1］，在吸附、藥物載體、分離催化和能源存儲(chǔ)系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。但是，傳統(tǒng)合成的介孔炭材料由于粒徑較小，難以從溶液中分離。研究人員通常通過引入磁性源來解決這一缺點(diǎn)，如Wang等［2］利用鐵納米材料合成鐵磁性介孔炭材料，使介孔材料易于從溶液中分離。此外，許多合成過程中均會(huì)使用揮發(fā)性溶劑作為反應(yīng)介質(zhì)，如Fang等［3］使用氨水和甲醛溶液，Zhu等［4］使用HCl來合成介孔炭。但是，揮發(fā)性溶劑存在環(huán)境污染、腐蝕設(shè)備和危害人體健康等問題。因此，需要一種環(huán)境友好型的溶劑來合成介孔炭材料。有研究報(bào)道，水熱法可以成功合成介孔炭微球［5］。但是，水熱法需要嚴(yán)格的制備步驟，包括高溫和壓力，在溶劑處理環(huán)節(jié)中，炭源不能在沉淀中完全轉(zhuǎn)化為炭微球，導(dǎo)致產(chǎn)率較低。

萘普生（naproxen，Nap）又名（S）-（+）-2-（6-甲氧基-2-萘基）丙酸，是一種非甾體抗炎藥，廣泛用于治療關(guān)節(jié)炎、術(shù)后疼痛、頭痛和肌肉疼痛骨骼［6］。萘普生的溶解度低，在胃腸道中難以吸收，生物利用度差，而介孔炭材料作為藥物載體可以有效地控制藥物分子的增溶和釋放速率，同時(shí)能夠保持藥物結(jié)構(gòu)的完整性。

本研究擬通過簡單的原位一鍋法，以綠色溶劑離子液體輔助合成磁性介孔炭微球，所有的試劑都是一次性加入，方法簡單、易操作、原料廉價(jià)，特別是不使用揮發(fā)性溶劑，從源頭消除對環(huán)境造成的污染。在該方法中，炭源在溶劑蒸發(fā)的過程中完全轉(zhuǎn)化為炭微球。同時(shí)，選用萘普生為模型藥物，考察所合成的磁性介孔炭微球在不同pH下對萘普生的吸附與釋放行為，旨在為磁性介孔炭微球?qū)疗丈幬锏目煽蒯尫盘峁├碚撘罁?jù)。

1 材料與方法

1.1 原料與儀器

萘普生（分析純，大連美侖有限公司）；溴代-1-丁基-3-甲基咪唑（分析純，上海紫一試劑廠）；糠醇（分析純，上海金山亭新化工試劑廠）；其余試劑均為分析純。

X-射線衍射儀（荷蘭PANalytical X'Pert Pro）；Tristar 3020掃描電子顯微鏡（Micrometrics，USA）；ZRS-6G溶出度儀（德國 LEO 1530VP）；752N紫外可見分光光度計(jì)（上海精密科學(xué)儀器公司）；KTL-140管式爐（南京大學(xué)儀器廠）。

1.2 磁性介孔炭微球的合成

以糠醇為炭源，F(xiàn)e（NO3）3·9H2O為磁性前軀體，SiO2納米微粒為致孔劑，離子液體溴代-1-丁基-3-甲基咪唑（［C4mim］Br）輔助合成磁性介孔炭微球：將1.2 mmol的Fe（NO3）3·9H2O加入0.5 mL ［C4mim］Br中，再加入糠醇2 mL和SiO21 g，在室溫下超聲10 min后，直接放入管式爐，在N2中，先以80℃保持6 h，再升溫至850℃保持3 h。將產(chǎn)物用NaOH-乙醇水溶液（1 mol/L）洗去SiO2微球，重復(fù)4次，用去離子水清洗至pH=7，在真空干燥箱中40℃干燥得磁性介孔炭微球，所合成的材料命名為Fe-C-1。Fe-C-2和Fe-C-3的合成同上述步驟，僅改變Fe（NO3）3·9H2O摩爾量分別為2.0 mmol和2.5 mmol。

1.3 藥物加載

奈普生溶解在10 mL乙醇中，萘普生與磁性介孔炭微球質(zhì)量比為1∶1，磁力攪拌3 h，分別加載到磁性介孔炭微球Fe-C-1、Fe-C-2和Fe-C-3中。載藥后的樣品在80℃下烘干除去溶劑，載藥后的樣品分別命名為Nap-Fe-C-1、Nap-Fe-C-2和Nap-Fe-C-3。

1.4 萘普生釋放試驗(yàn)

萘普生藥物釋放試驗(yàn)按照《中國藥典》2015年版二部中的槳法進(jìn)行：溫度（37.0±0.5）℃，轉(zhuǎn)速為100 r/min，以pH 5.0、6.8、8.0磷酸鹽緩沖溶液900 mL為溶劑，在5、10、15、20、25、30、45、60、75、90、120、150、180 min時(shí)分別取溶液10 mL，微孔濾膜濾過，并同時(shí)補(bǔ)充同溫等量溶劑，取上述續(xù)濾液在331 nm處測定吸光度，計(jì)算在不同時(shí)間的累積釋放率。

1.5 表征

比表面積和孔徑分布分別采用 Brunauer-Emmett-Teller（BET）和Barett-Joyner-Halenda（BJH）方法獲得；總孔容根據(jù)相對壓力P/P0為0.99時(shí)的吸附量計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

炭微球Fe-C-1、Fe-C-2和Fe-C-3的吸附和脫吸附等溫線均屬于典型的Ⅳ等溫線，在相對壓力P/P0為0.5～0.9范圍內(nèi)有1個(gè)明顯的滯后回環(huán)（圖1A），這是介孔材料的毛細(xì)管凝聚現(xiàn)象，是介孔結(jié)構(gòu)形成的特征。磁性介孔炭微球的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1?？梢姡現(xiàn)e-C-1微球顯示出最大的比表面積（653.4 m2/g）和最大的孔容（1.27 cm3/g）。磁性介孔炭微球從Fe-C-1 到Fe-C-3的孔徑從9.3 nm下降到6.6 nm（見圖1B），這是由于隨著Fe（NO3）3·9H2O用量逐漸變大，鐵磁性納米微粒密度增大，微球結(jié)構(gòu)部分不完整，導(dǎo)致材料比表面積和孔容大小隨著Fe（NO3）3· 9H2O用量增大而減小。此外，萘普生的分子尺寸為1.172 nm×0.501 nm［7］，明顯小于所合成炭微球Fe-C的孔徑（6～9 nm），因此能夠載入到磁性介孔炭微球的孔道內(nèi)。

圖1　磁性介孔炭微球的N2吸附、脫吸附等溫線（A）和孔徑分布曲線（B）Figure 1 Nitrogen adsorption isotherms（A）and pore size distributions（B）of the materials

表1 磁性介孔炭微球的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 The pore structure parameters of magnetic mesoporous carbon microspheres

Fe-C-1、Fe-C-2和Fe-C-3的SEM圖見圖2?？梢?，3種炭材料均為球形結(jié)構(gòu)，粒徑在15～20 μm，隨著Fe（NO3）3·9H2O用量增多，炭微球完整性下降。

圖2　磁性介孔炭微球的SEM圖Figure 2 The SEM images of the magnetic mesoporous carbon microspheres

磁性介孔炭微球Fe-C-1、Fe-C-2和Fe-C-3材料的大角X射線衍射圖見圖3?？梢?，3種材料均在44.6°有1個(gè)強(qiáng)的（110）衍射峰，為體心立方結(jié)構(gòu)，是α-Fe（JCPDS card No.06-0696）的衍射峰，α-Fe可能是通過Fe2O3或Fe（NO3）3在850℃的炭化過程中還原反應(yīng)形成的。Fe-C-1、Fe-C-2在26.3°中有1個(gè)較弱的衍射峰，F(xiàn)e-C-3則表現(xiàn)為1個(gè)較強(qiáng)的衍射峰，表明隨著Fe（NO3）3·9H2O用量增加利于石墨化進(jìn)程。26.3°處為（002）的衍射峰，是石墨炭的特征衍射峰（JCPDS card No.008-0415）。根據(jù)晶面的最大衍射角（θ值）算出（002）衍射面間距（d-spacing）為0.340 nm，比石墨的衍射面間距（0.335 nm）略大［8］，表明磁性介孔炭微球在850℃的焙燒炭化過程中被石墨化了，比純炭的石墨化溫度（2 400℃）低很多［9］，這是因?yàn)樵诙栊詺怏w環(huán)境中，炭材料和磁性金屬在共同的高溫焙燒過程中，加速了石墨炭結(jié)構(gòu)的生成，而且鐵納米微粒具有催化作用，使磁性介孔炭微球具有比較低的石墨化溫度［10-11］。

圖3　磁性介孔炭微球的大角XRD衍射圖譜Figure 3 Wide-angle X-ray diffraction（XRD）patterns of magnetic mesoporous carbon microspheres

磁性介孔炭微球的拉曼光譜圖見圖4。可見，在1 590 cm-1（G帶）處有1個(gè)石墨炭的C-C之間sp2伸縮振動(dòng)峰，G帶強(qiáng)而窄的峰形表明了石墨炭的存在，與XRD衍射圖的結(jié)果相互印證。此外，在1 330 cm-1（D帶）處有1個(gè)無定形結(jié)構(gòu)，表明石墨炭的結(jié)構(gòu)有一定的缺陷。隨著Fe（NO3）3·9H2O用量的增加，F(xiàn)e-C-1、Fe-C-2和 Fe-C-3的 ID/IG分別為2.46、1.68和1.08，可知結(jié)晶石墨化程度增加。這與磁性介孔炭微球的大角XRD結(jié)果一致。

萘普生純藥和Nap-Fe-C在pH 6.8磷酸鹽緩沖溶液中的累積釋放曲線見圖5?？梢?，pH=6.8時(shí)，萘普生純藥的釋放最慢，90 min累積釋放量為60.8%，Nap-Fe-C-1、Nap-Fe-C-2和Nap-Fe-C-3的累積釋放率分別為85.8%、80.6%和73.7%。結(jié)果表明，磁性介孔炭微球Fe-C大大提高了萘普生的釋放，而且累積釋放率隨著Fe-C的比表面積和孔容的增大而增大。這是由于比表面積較大的Fe-C可以吸附更多的藥物并且與溶出介質(zhì)有更多的接觸，從而提高了萘普生的溶解速度。藥物釋放表現(xiàn)出類似的釋放曲線，可以分為3個(gè)階段：第1階段為中孔擴(kuò)散，表面擴(kuò)散過程占主導(dǎo)地位；第2階段為孔隙擴(kuò)散速率限制階段，是萘普生被吸附進(jìn)炭微球的內(nèi)部毛孔后再逐漸釋放的過程；第3階段為平衡狀態(tài)［12］。

圖4　磁性介孔炭微球的拉曼光圖譜Figure 4 Raman spectra of the synthesized magnetic mesoporous carbon spheres

圖5　萘普生、Nap-Fe-C-1、Nap-Fe-C-2和Nap-Fe-C-3的釋放曲線（pH=6.8）Figure 5 　The release curves of naproxen，Nap-Fe-C-1，Nap-Fe-C-2 and Nap-Fe-C-3（pH=6.8）

為了深入研究磁性介孔炭微球?qū)λ幬锏尼尫艡C(jī)理，采用以下指數(shù)方程對藥物釋放進(jìn)行擬合［13］：

y=a（1-e-kt），

式中，y為藥物的累積釋放速率，a為萘普生的最大累積釋放量，K為速率常數(shù)，t為藥物釋放時(shí)間。擬合參數(shù)見表2，可見Nap-Fe-C-1、Nap-Fe-C-2、Nap-Fe-C-3的載藥量分別為76.1%、73.8%和58.3%，這個(gè)趨勢與炭微球的比表面積大小一致。由于炭微球的比表面積及孔容越大，有更多空隙和容積容納萘普生，提高材料載藥率。a值和k值從大到小的順序是Nap-Fe-C-1、Nap-Fe-C-2、Nap-Fe-C-3，這個(gè)趨勢與炭微球的比表面積和孔容大小相一致。這表明萘普生載入Fe-C后，磁性炭微球限制了萘普生的重結(jié)晶，使它保持無定形結(jié)構(gòu)。此外，3種磁性炭微球的累積釋放率均沒有達(dá)到100%，這是由于萘普生分子與磁性炭微球之間存在的疏水作用阻礙了萘普生的釋放。

表2 磁性介孔炭微球的Nap-Fe-C擬合參數(shù)（pH=6.8）Table 2 The fitting parameters of magnetic mesoporous carbon spheres Nap-Fe-C（pH=6.8）

Nap-Fe-C-1在不同pH磷酸鹽緩沖溶液下萘普生的累積釋放率曲線見圖6?？梢?，釋放速率快慢順序是pH 8.0＞pH 6.8＞pH 5.0，原因是萘普生的Ka（pKa=4.2）值是一個(gè)定值，當(dāng)溶液中pH變大時(shí)，［H+］濃度下降［A-］濃度升高（見表3），藥物的溶解度增加，累積釋放率提高。因此，藥物在酸性溶液中的累積釋放速率低于堿性溶液。

圖6　Nap-Fe-C-1在不同pH磷酸鹽緩沖溶液的釋放行為Figure 6 The release behavior of Nap-Fe-C-1 under differentpH value

表3 萘普生在不同pH下的分布系數(shù)Table 3 The distribution coefficient of Naproxen under different pH value

3 結(jié)論

通過原位一鍋法簡單快捷合成磁性介孔炭微球，隨著Fe（NO3）3·9H2O用量的增大，磁性介孔炭微球的比表面積、孔徑及孔容逐漸減小。當(dāng) Fe （NO3）3·9H2O用量最小時(shí)，磁性介孔炭微球Fe-C-1的比表面積、孔徑及孔容最大，對萘普生的載藥量最高、釋放最快。萘普生在pH8.0磷酸鹽緩沖溶液的累積釋放速率最高。萘普生在磁性介孔炭微球上的累積釋放可以分為3個(gè)階段：第1階段為中孔擴(kuò)散，意味著表面擴(kuò)散過程占主導(dǎo)地位；第2階段為孔隙擴(kuò)散速率限制階段，是萘普生吸附進(jìn)炭微球的內(nèi)部毛孔后再逐漸釋放的過程；第3階段為釋放平衡狀態(tài)。

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（責(zé)任編輯：陳翔）

中圖分類號(hào)：R914；O647.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-8783（2016）03-0295-05

DOI：10.16809/j.cnki.1006-8783.2016030402

收稿日期：2016-03-04

基金項(xiàng)目：國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201510573002）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21373061）；廣東省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（2014A030311038）

作者簡介：宋镠（1995—），男，藥學(xué)專業(yè)2013級(jí)本科生；通信作者：王秀芳（1977—），女，博士，教授，主要從事功能炭材料研究，Email：x_f_wang@163.com。

Ionic liquids assisted synthesis of magnetic mesoporous carbon microspheres and its effect on the release of naproxen

SONG Liu，HUANG Ailin，LU Bohong，QIU Jianglong，PAN Roujun，WANG Xiufang
（School of Pharmacy，Guangdong Pharmaceutical University，Guangzhou 510006，China）

Abstract：Objective To study the adsorption and release behavior of naproxen on carbon spheres.

Methods Magnetic mesoporous carbon spheres were synthesized via a simple in-situ one pot method assisted by a green solvent ionic liquid.The magnetic mesoporous carbon spheres were characterized by N2adsorption isotherms，SEM，wide-angle XRD and Raman spectra.The impact of pH value on the release rate of naproxen was estimated.Results The addition of Fe（NO3）3·9H2O increased with the decrease of the specific surface area，pore diameter and pore volume of the materials.Within the pH range of this study （5.0，6.8，8.0），F(xiàn)e-C-1 exhibited the largest loading amount of naproxen，the fastest release rate and cumulative release rate at pH 8.0.Conclusions The cumulative release of naproxen in magnetic mesoporous carbon microspheres could be split into three stages.The first stage was the mesopore diffusion，in which surface diffusion dominated the process.The second stage was the pore diffusion rate limiting stage，in which naproxen was adsorbed into the pores of carbon microspheres，and then was gradually released.The last stage was the balance state of the drug release.

Key words：mesoporous carbons spheres；synthesis；ionic liquids；naproxen