單分散海藻酸鈣凝膠微球的制備及其緩釋研究

顧曉龍，蔣建國，張 睿

(揚州職業(yè)大學生物與化工工程學院，江蘇 揚州 225009)

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單分散海藻酸鈣凝膠微球的制備及其緩釋研究

顧曉龍，蔣建國，張 睿

(揚州職業(yè)大學生物與化工工程學院，江蘇 揚州 225009)

利用表面張力和重力的平衡，采用懸滴-凝膠化法制備了均一的、直徑在1 mm左右海藻酸鈣微球顆粒。采用紫外-可見光譜分析法對一種模型分子(甲基綠)在該微球中的緩釋過程進行了研究，并建立了擴散傳質(zhì)的數(shù)學模型。粒徑的均一性使該模型只需要針對單個微球而設(shè)立，并具有嚴格的分析解，由此我們計算出了該分子在海藻酸鈣凝膠微球中的擴散系數(shù)D。這一研究對藥物控緩釋動力學的研究具有借鑒意義。

海藻酸鈣微球；藥物緩釋；紫外-可見光譜；擴散系數(shù)

包覆材料在藥物的控緩釋過程中起著十分重要的作用，其通透性、生物降解性以及對環(huán)境及人體內(nèi)各種環(huán)境的響應性為藥物的控緩釋提供了多種調(diào)控方法[1]。在這類研究中，包覆藥物材料尺寸的多分散性是一個非常不利的因素[2]。比如，小顆粒比大顆粒更加容易被侵蝕、分解，導致藥物釋放早于后者。因此，在根據(jù)控緩釋的要求制備這類藥物的時候，必須要額外考慮尺寸的多分散性對藥物緩釋曲線的影響。這樣，制備盡可能均一的球狀材料作為緩釋藥物的載體可以將這種影響降到最低。

凝膠微球是這類控緩釋包覆材料中極為常見的類型之一[3-4]。凝膠分為化學交聯(lián)(共價鍵)和物理交聯(lián)(靜電作用、螯合作用等)兩種。前者的代表是高吸水性樹脂，即交聯(lián)聚丙烯酸鈉，而后者的代表是通過螯合鈣離子交聯(lián)的海藻酸鈣凝膠。除非交聯(lián)的化學鍵在體內(nèi)容易降解，藥物遞送體系一般采用物理交聯(lián)的凝膠，天然、無毒、可食用的海藻酸鈣凝膠是其中應用最廣泛的一種。

近年來，利用油-水兩相流在微通道中的剪切形成均一液滴，并固化制備均一凝膠微球的技術(shù)是研究的熱點之一。在這一過程中，水相溶液從極細的管口被擠出到有機溶劑的流場中，期初由于表面張力的收縮力使之并不會脫離管口，而是掛在管口處不斷長大，當有機溶劑施加的剪切力(隨液滴的增大而增大)與表面張力(僅與尖端口徑有關(guān))相平衡時，液滴就會被剪斷離開，而后通過各種方法向其中引入交聯(lián)劑，即可以形成均一的凝膠微球[5]。Xu等[6]在微通道中形成氯化鈣、水、海藻酸鈉三層層流，當它們在有機溶劑剪切下形成均一小球之后，其內(nèi)部的混合使氯化鈣與海藻酸鈉接觸形成凝膠。Utech等[7]預先將EDTA-Ca溶解在海藻酸鈉中，待液滴被有機溶劑剪切下來以后，再逐漸使醋酸擴散進入液滴，降低其pH值使鈣離子從EDTA中脫離出來從而與海藻酸鈉反應形成凝膠。但這些方法都使用與水不互溶的有機溶劑，在藥物制備中存在去除殘留的問題，即使使用食用油，也存在乳化劑選擇困難、粘度過大導致液滴過小且易聚并以及洗滌困難等其他問題。

本文中，我們通過精確控制重力和表面張力的平衡制得了極其均一的海藻酸鈉溶液珠滴。這些液體珠滴直接滴入氯化鈣的水溶液中即形成了球形的海藻酸鈣凝膠微球，從而避免了使用任何有機溶劑。利用一種染料——甲基綠作為模型藥物分子，并使用紫外-可見光譜儀分析了其緩釋過程。微球的單分散性為傳質(zhì)模型的建立提供了極大的方便，我們用擴散模型和朗伯-比爾定律擬合得到了模型藥物分子在微球中的擴散系數(shù)D。本實驗為研究實際藥物的擴散和緩釋提供了一種有效的方法。

1 實 驗

1.1 儀器及材料

海藻酸鈉(分析純)，廣東西隴化工有限公司；甲基綠(分析純)，上海展云化工有限公司；氯化鈣(分析純)，天津市登科化學試劑有限公司。

LSP01-1A注射器泵，上海精密儀器儀表有限公司；34G注射器針頭，深圳市欣萊格科技有限公司；UV-2100紫外-可見光譜儀，北京北分瑞利分析儀器(集團)有限責任公司。

1.2 實驗裝置與微球制備

均一微球的制備方法如圖1所示，海藻酸鈉溶液由注射器泵推出，經(jīng)過一段連接管后與一只醫(yī)用34 G注射器針頭連接。針頭豎直懸掛在盛有20wt% 氯化鈣的溶液上方。注射器泵以50 μL/min的速度緩慢推出溶液，并在針頭處形成懸掛的液滴，當液滴生長到一定大小時就會自動掉落，進入氯化鈣溶液中快速凝膠化，形成直徑1 mm左右的微球。

圖1 制備海藻酸鈣凝膠微球的裝置示意圖

1.3 藥物緩釋實驗

實際藥物分子官能團復雜，檢測成本較高，因此基礎(chǔ)研究中經(jīng)常采用其它有顯色能力的分子代替[8]。本文采用一種水溶性染料甲基綠作為模型分子，以便于采用紫外-可見吸收法分析。實驗前，將N個微球浸泡在100 mg/kg的甲基綠溶液中72 h。取出后，用吸水紙將表面的溶液吸凈。微球迅速放入裝有2 mL水的比色皿中，搖晃數(shù)秒后，以此時的溶液作為紫外-可見光譜的基線以消除少量表面殘留物的影響。將比色皿取出，并不停搖晃，每隔一段時間測試一次其紫外-可見吸收光譜，測試間隙保持來回震蕩，以確保擴散出的甲基綠分子能被迅速移開表面分散到整個比色皿中，直到吸收峰值幾乎不再上升為止。

2 結(jié)果與討論

2.1 均一海藻酸鈣微球的制備

圖2 海藻酸鈉遇鈣離子生成海藻酸鈣凝膠的化學反應過程

海藻酸鈣微球按照前文所述的方法由海藻酸鈉溶液遇鈣離子凝膠化形成。這些鈣離子利用螯合作用成為凝膠的物理交聯(lián)點將兩條鏈結(jié)合在一起，而未參與鰲合的海藻酸鈉仍然保持自由的帶負電荷的羧基。羧基互相的靜電排斥使凝膠吸水溶脹，而物理交聯(lián)點則保持結(jié)構(gòu)的完整[9]。該化學過程如圖2 所示。

在實驗中，海藻酸鈉溶液由注射器泵緩慢地推出，在針尖處形成一個懸掛的液滴。34G口徑的針頭內(nèi)徑為83 μm，液滴所受的表面張力可以按照下式計算(表面張力系數(shù)取水-空氣界面數(shù)據(jù)72 mN/m)。

F=γ×πdin=1.87×10-5N

當液滴不斷變大，重力與表面張力平衡時，液滴就會落下，由此可推算出臨界直徑為：

圖3 低倍顯微鏡下濕態(tài)海藻酸鈣微球圖

2.2 模型藥物(甲基綠)的緩釋過程

甲基綠溶液的特征紫外-可見吸收光譜如圖4所示，其特征峰在623 nm左右。隨著擴散的進行，比色皿水溶液中的甲基綠濃度逐漸增高，每隔一分鐘測試可得到吸光度與時間的關(guān)系曲線(圖5)。

圖4 甲基綠的紫外-可見特征吸收光譜

圖5 模型藥物(甲基綠)緩釋過程中吸光度與時間的關(guān)系

2.3 工作曲線的建立

通過紫外-可見光譜建立擴散模型，必須先將光譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為濃度數(shù)據(jù)。根據(jù)朗伯-比爾定律，對于同一比色皿，稀溶液濃度與特征峰吸光度的關(guān)系可以表示為：

A=b·c

式中，c為濃度，A為吸光度，b為比色皿常數(shù)。因此，對已知濃度的溶液測量特征峰吸光度，并經(jīng)過原點回歸出線性工作曲線(圖6)，可以測得比色皿常數(shù)b=0.9534(R2=0.99)。

圖6 甲基綠的工作曲線

2.4 傳質(zhì)模型的建立

對于單分散的顆粒，每一個微球的擴散是同步的，因此，紫外-可見光譜的吸收率只需要除以N就是單個顆粒貢獻的。基于此，我們對單個凝膠顆粒建立了擴散模型，并得到了凝膠內(nèi)擴散系數(shù)D。

其中D為凝膠中的擴散系數(shù)，亦即我們希望通過該模型求得的本征參數(shù)。將微球預先浸沒于100mg/kg的甲基綠溶液中至平衡這一過程，決定了初始條件為在顆粒內(nèi)部均勻地有：

cA(t=0)=cA0

考慮到凝膠本質(zhì)上為高分子與溶液互相貫穿的結(jié)構(gòu)，凝膠內(nèi)和外部溶液并無相界面，cA0=100mg/kg不失為一條合理的估計。

實驗過程中不停用力搖動比色皿使得顆粒表面始終處于湍流中，任何剛剛擴散出微球的甲基綠分子迅速分散到整個比色皿中，因此一個邊界條件為:

cA=(r=r0)=cA,out

基于對稱性，另一個邊界條件為:

其中erfc(x)為高斯誤差函數(shù)，其定義為：

考慮在微球邊界處的擴散通量：

對時間從初始狀態(tài)積分，則比色皿中甲基綠的溶液濃度隨時間的變化關(guān)系可以表示為：

圖7 cA,sin與的關(guān)系圖

解得D=2.9×10-11m2/s，并可以計算出在t=600s時的傳質(zhì)傅里葉數(shù)Fom=0.044，離開了早期解可以適用的判據(jù)，證實了前面的猜測。

3 結(jié) 論

海藻酸鈣凝膠作為載體實現(xiàn)藥物的控緩釋已經(jīng)有了廣泛的應用。本文成功地用懸滴法，在不使用任何有機溶劑的情況下，制備了海藻酸鈣凝膠。該方法的本質(zhì)是讓海藻酸鈉溶液在針尖處形成一個逐漸增大的液滴，當液滴重力與表面張力平衡時液滴就會落下，并在氯化鈣溶液中快速凝膠化形成均一直徑的凝膠微球，如果在形成液滴的同時施加一個穩(wěn)定的垂直向下的氣流，還可以獲得更小的微球(即表面張力與重力以及空氣壓力的合力相平衡)。這種均一性為藥物釋放動力學的研究提供了方便，僅需對單一直徑微球建立擴散傳質(zhì)模型即可與實驗結(jié)果進行擬合。本文用甲基綠作為一種模型分子，測量了其從凝膠內(nèi)緩慢向溶液中釋放的速率與時間的關(guān)系，然后基于費克定律，建立了球坐標下的擴散方程，推導了早期(即傳質(zhì)傅里葉數(shù)Fom<0.04時)的分析解，并計算得到該模型分子在溶脹比Q=3.1的海藻酸鈣凝膠中的擴散系數(shù)為D=2.9×10-11m2/s。

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Preparation of Monodisperse Calcium Alginate Gel Micro-spheres and Its Applications in Controlled Release Studies

GUXiao-long,JIANGJian-guo,ZHANGRui

(School of Biological and Chemical Engineering, Yangzhou Polytechnic College, Jiangsu Yangzhou 225009, China)

By balancing surface tension and gravity forces, monodisperse calcium alginate gel micro-spheres with sizes of about 1 mm were prepared through a dropping-gelation method.Brilliant green, a model drug molecule, was used to study the controlled release process inside the micro-spheres through UV-vis measurements, and a mass diffusion model was developed. The monodispersity made it possible to represent the whole system with a model only targeting one single micro-sphere, and a strict analytical solution was derived. Based on this model, the diffusion coefficient D of this molecule in alginate gel was calculated. The method gave new implications in field of controlled drug release kinetic studies.

calcium alginate micro-spheres; drug controlled release; UV-vis; diffusion coefficient

顧曉龍(1964-)，男，講師，主要從事無機與分析化學的教學研究。

O643.11

A

1001-9677(2016)019-0120-04