SiO2納米膠囊的細(xì)乳液法制備及其載藥性能研究

崔勤敏，姚瑩，施琦淵，杜文婷

（杭州醫(yī)學(xué)院藥學(xué)院，浙江 杭州 310053）

SiO2納米膠囊的細(xì)乳液法制備及其載藥性能研究

崔勤敏，姚瑩，施琦淵，杜文婷

（杭州醫(yī)學(xué)院藥學(xué)院，浙江 杭州 310053）

在細(xì)乳液反應(yīng)體系中，以陽離子型乳化劑穩(wěn)定的納米油滴為模板，通過正硅酸乙酯（TEOS）的界面水解-縮合反應(yīng)制備SiO2納米膠囊，并將其用于裝載姜黃素。采用動(dòng)態(tài)光散射和透射電鏡研究了SiO2納米膠囊的尺寸和形態(tài)；采用紅外光譜和熱失重測(cè)試研究了SiO2納米膠囊裝載姜黃素的能力；采用紫外-可見分光光度計(jì)研究了裝載姜黃素的SiO2納米粒子的姜黃素緩釋動(dòng)力學(xué)。結(jié)果表明：細(xì)乳液法能高效地制備SiO2納米膠囊，其尺寸和殼壁穩(wěn)定性能通過陽離子乳化劑和TEOS的用量調(diào)控；SiO2納米膠囊能高效地裝載姜黃素，且對(duì)其有一定的緩釋效果。

SiO2納米膠囊；細(xì)乳液；水解-縮合反應(yīng)；姜黃素

0 引言

納米膠囊因能用于裝載藥物、催化劑、反應(yīng)性化合物等活性成分，而在藥物傳遞、自愈材料、催化、功能涂料等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值[1]。乳液、微乳液和細(xì)乳液等非均相反應(yīng)體系常被用來制備納米膠囊[2]。Landfester等人首先提出以納米液滴為軟模板，通過細(xì)乳液聚合反應(yīng)制備聚合物納米膠囊的方法[3]。該方法具有一步形成納米膠囊，模板化合物易去除等優(yōu)點(diǎn)，一經(jīng)報(bào)道就引起廣泛關(guān)注，目前，該技術(shù)已能高效地制備分別以聚合物、有機(jī)－無機(jī)雜化聚合物和無機(jī)材料為殼壁的納米膠囊[4-6]。SiO2是一種惰性且有優(yōu)異生物相容性、熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性的無機(jī)材料，在一定條件下還能形成多孔結(jié)構(gòu)?；诖?，以SiO2為殼壁的納米膠囊已發(fā)展成了一類重要的納米藥物傳遞材料[7]。目前，雖有通過細(xì)乳液反應(yīng)技術(shù)制備SiO2納米膠囊的文獻(xiàn)報(bào)道[8-9]，但是對(duì)以該技術(shù)制備的SiO2納米膠囊的結(jié)構(gòu)與載藥能力和藥物緩釋性能的關(guān)系研究還很缺乏。

本論文在細(xì)乳液反應(yīng)體系中，以陽離子型乳化劑穩(wěn)定的納米油滴為軟模板，通過正硅酸乙酯（TEOS）的界面水解－縮合反應(yīng)，制備了SiO2納米膠囊。系統(tǒng)研究了陽離子乳化劑用量和油相TEOS質(zhì)量分率對(duì)SiO2納米膠囊的尺寸及其殼壁穩(wěn)定性的影響。最后以SiO2納米膠囊為載體，裝載了姜黃素，并研究了姜黃素的釋放行為。

1 試驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)材料與儀器

實(shí)驗(yàn)材料：姜黃素（98%）、TEOS（分析純）、氯化鈉（分析純）、無水磷酸二氫鉀（分析純）和十二水合磷酸二氫鈉（分析純）購(gòu)于阿拉丁試劑有限公司。其他藥品有正十六烷（HD，99%，Acros Organics公司）、十六烷基三甲基溴化銨（CTAB，分析純，國(guó)藥試劑有限公司）、異辛烷（分析純，上海凌風(fēng)化學(xué)試劑有限公司）、四氫呋喃（THF，分析純，杭州高晶精細(xì)化工公司）、乙醇（分析純，杭州雙林化學(xué)試劑廠）和去離子水（實(shí)驗(yàn)室自制）。

實(shí)驗(yàn)儀器：Nicolet 5700型傅里葉紅外光譜儀（美國(guó)熱電尼高利公司）、Hitachi HT-7700型透射電子顯微鏡 （日本日立公司）、Quantachrome Autosorb-1-C型氮?dú)馕摳絻x （美國(guó)康塔儀器公司）、Malvern ZS-90型動(dòng)態(tài)光散射粒度儀（英國(guó)馬爾文儀器公司）、UV-2600紫外－可見分光光度儀（日本島津公司）、PerkinElmer Pyris I熱失重儀（美國(guó)珀金埃爾默公司）、新芝JY92-IIDN型超聲波細(xì)胞處理儀 （寧波新芝生物科技股份有限公司）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 細(xì)乳液法制備SiO2納米膠囊

首先配置不同TEOS質(zhì)量分率的油相，其中HD的質(zhì)量固定為0.6 g，TEOS和異辛烷的總質(zhì)量為 1.0 g，TEOS占油相 （包括 TEOS、HD和異辛烷）的質(zhì)量分率在47.3~94.3 wt%范圍內(nèi)變化。然后配置CTAB的水溶液，其中CTAB用量在0.009~0.036 g范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，水的質(zhì)量固定為12.5 g。將上述兩溶液混合后，在700 rpm的轉(zhuǎn)速下預(yù)乳化15 min，然后超聲處理制備細(xì)乳液。采用功率為400W，工作12 s、間歇6 s的脈沖超聲處理方式。將制得的細(xì)乳液置于40℃的油浴中，反應(yīng)48 h得到SiO2納米膠囊。

1.2.2 姜黃素裝載

30 mg中空SiO2粒子置于 10 mL濃度為12.5mg·mL-1的姜黃素THF溶液中，在超聲功率為400W，工作12 s、間歇6 s的脈沖工作模式下超聲5 min，隨后在30℃條件下避光攪拌24 h，完成對(duì)姜黃素的裝載。在12 000 rpm的轉(zhuǎn)速下，離心5min，回收裝載了姜黃素的SiO2粒子。將上述裝載了姜黃素的SiO2粒子再重新分散于水中，離心分離，上述操作重復(fù)3次，最后，將所得樣品冷凍干燥24 h，除去溶劑。

1.2.3 姜黃素釋放動(dòng)力學(xué)研究

在透析袋中加入1 mL緩釋介質(zhì)（PBS/乙醇=50/50）和7.5mg裝載姜黃素的SiO2粒子，然后將透析袋置于37℃、200mL緩釋介質(zhì)中，每隔2 h取出2mL緩釋介質(zhì)，同時(shí)補(bǔ)充2mL新的緩釋介質(zhì)，樣品用紫外－可見分光光度計(jì)分析，來跟蹤姜黃素的累積釋放量。

1.2.4 表征方法

（1）動(dòng)態(tài)光散射（DLS）：用馬爾文動(dòng)態(tài)光散射粒度儀測(cè)定納米粒子的Z均粒徑。具體操作為：取一滴待測(cè)分散液，用2mL水稀釋，超聲波振蕩1~2min后，加入聚苯乙烯的比色皿中進(jìn)行DLS測(cè)試，粒徑取三次測(cè)試的平均值。

（2）透射電鏡（TEM）：取一滴待測(cè)分散液，用2mL左右的水稀釋，搖勻后，取一滴稀釋后的分散液，置于230目的無碳芳華膜上，室溫自然晾干。樣品用Hitachi HT-7700透射電子顯微鏡觀察，加速電壓為80 kV。從TEM圖片中統(tǒng)計(jì)200個(gè)粒子的尺寸，得到納米粒子的數(shù)均粒徑。

（3）氮?dú)馕剑捍郎y(cè)樣品在測(cè)試前先在180℃的高真空條件下脫氣10 h以上。脫氣后的樣品用Quadrasorb SI氮?dú)馕摳絻x采集N2吸脫附等溫曲線數(shù)據(jù)，測(cè)試溫度為77 K。數(shù)據(jù)收集完成后，選擇吸附曲線中相對(duì)壓力p/p0在0.05~0.35之間的數(shù)據(jù)，用BET方法計(jì)算比表面積；用BJH方法分析吸附數(shù)據(jù)得到孔徑分布曲線。

（4）紅外光譜（FTIR）：取微量待測(cè)樣品粉末與KBr粉末混合，研磨后壓片，通過Nicolet 5700型傅里葉紅外光譜儀記錄樣品紅外光譜。

（5）熱失重（TGA）：采用美國(guó) PE 公司的 Pyris I熱失重分析儀表征充分干燥后的中空SiO2粒子和裝載姜黃素的SiO2納米粒子的熱失重情況。測(cè)試在N2氣氛下進(jìn)行，以20℃·min-1的升溫速率從室溫升至700℃。

（6）紫外光譜測(cè)試：將2 mL緩沖介質(zhì)置于石英比色皿中，用島津公司UV-2600紫外-可見光譜分析儀采集該緩沖液在300~600nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的紫外可見光譜信息。

2 結(jié)果與討論

2.1 SiO2納米膠囊的制備

在水基細(xì)乳液體系中，以陽離子乳化劑CTAB穩(wěn)定的異辛烷/TEOS納米液滴為模板，處于油水界面的TEOS與水接觸后發(fā)生水解－縮合反應(yīng)生成SiO2。在中性條件下，新形成的SiO2帶負(fù)電，其在帶正電的CTAB的作用下，在液滴表面沉積。由于液滴表面的TEOS不斷消耗，液滴內(nèi)部的TEOS向油水界面遷移，進(jìn)而發(fā)生水解－縮合反應(yīng)。隨著此過程的不斷進(jìn)行，SiO2在液滴表面不斷沉積，最終形成“核－殼”結(jié)構(gòu)清晰的SiO2納米膠囊，見圖1。DLS測(cè)得該SiO2納米膠囊的Z均粒徑為130 nm，需指出的是，TEM統(tǒng)計(jì)的該產(chǎn)物的數(shù)均粒徑為48 nm，明顯小于DLS的結(jié)果。這是因?yàn)镈LS測(cè)定的是乳液中SiO2納米膠囊的粒徑，粒徑中包含了乳化劑水合層的貢獻(xiàn)，而TEM測(cè)定的是干態(tài)條件下中空SiO2納米粒子的尺寸，此條件下不存在乳化劑水合層，而且隨內(nèi)容物異辛烷的揮發(fā)，SiO2納米粒子可能會(huì)出現(xiàn)一定程度的收縮，所以TEM測(cè)得的粒徑小于DLS的結(jié)果。此外，與Z均統(tǒng)計(jì)方法相比，小尺寸顆粒對(duì)數(shù)均粒徑的貢獻(xiàn)較大，導(dǎo)致TEM統(tǒng)計(jì)得到的數(shù)均粒徑明顯小于Z均粒徑。

2.2 SiO2納米膠囊尺寸及其形貌調(diào)控

（1）CTAB 用量

圖1 典型的細(xì)乳液反應(yīng)形成的SiO2納米膠囊的電鏡圖（TEOS的質(zhì)量分率為70.8 wt%；CTAB的用量為0.018 g）Figure 1 Typical TEM image of silica nanocapsules prepared through the hydrolysis and condensation reactions of TEOS inminiemulsions（Theweight content of TEOSwas 70.8 wt%；the amount of CTABwas 0.018 g）

圖2 不同CTAB用量條件下制得的SiO2納米膠囊的粒徑（a）和TEM圖（b－d）（TEOS的質(zhì)量分率為70.8 wt%）Figure 2 Particle sizes （a） and TEM images （b－d） of the silica nanocapsules synthesized in the miniemulsion systemswith various CTAB amounts（theweight contentof TEOSwas 70.8 wt%）

研究發(fā)現(xiàn)，CTAB用量對(duì)SiO2納米膠囊的粒徑和形態(tài)有顯著影響。由圖2a可知，CTAB用量在0.009~0.036 g范圍內(nèi)時(shí)，隨CTAB用量增加，Z均粒徑明顯下降。由TEM結(jié)果可知，當(dāng)CTAB用量在0.009~0.027 g范圍內(nèi)時(shí)，所得產(chǎn)品均呈現(xiàn)膠囊形態(tài)，而且殼壁完整，說明上述體系能制得殼壁穩(wěn)定性優(yōu)異的SiO2納米膠囊 （圖1、2b和2c）。需指出的是，當(dāng)CTAB進(jìn)一步增加至0.036 g時(shí)，盡管粒子的形貌仍是膠囊，但是TEM圖片中出現(xiàn)了一定數(shù)量的不完整的膠囊（圖2d）。TEM在干燥且高真空條件下觀察樣品，因此SiO2納米膠囊在干燥過程中，可能由于溶劑的揮發(fā)而破碎。因此TEM結(jié)果不能完全反映SiO2納米膠囊在水分散液中的狀態(tài)，但是上述結(jié)果說明該乳化劑用量下SiO2納米膠囊的殼壁穩(wěn)定性變差。

（2）TEOS 質(zhì)量分率

在SiO2納米膠囊的制備過程中，TEOS既是形成SiO2殼壁的前驅(qū)物，又與異辛烷一起作為形成膠囊結(jié)構(gòu)的模板，因此油相中TEOS的含量對(duì)于粒子的尺寸及形貌均會(huì)產(chǎn)生影響。由圖3a可知，隨油相中TEOS含量的增加，SiO2納米膠囊的Z均粒徑呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S油相中TEOS含量的增加，油水界面張力下降，油相更易分散所致。由TEM結(jié)果可知，TEOS含量較低的體系制得的SiO2粒子雖然呈膠囊形態(tài)，但是殼壁穩(wěn)定性較差，產(chǎn)品的電鏡圖中有較多破碎的粒子（圖3b和c）。這是因?yàn)檫@兩個(gè)體系中，TEOS含量低，形成的SiO2殼壁薄，其在干燥過程中難以抵抗粒子收縮的力而破碎。當(dāng)油相中TEOS含量增加至70.8 wt%以上后，各體系合成得到的產(chǎn)品仍呈膠囊形態(tài)，而且殼壁的穩(wěn)定性有了極大的提高，TEM圖中的粒子均為形態(tài)完整的SiO2納米膠囊（圖1、3d 和 3e）。

2.3 SiO2納米膠囊的孔結(jié)構(gòu)

圖3 不同TEOS質(zhì)量分率條件下制得的SiO2納米膠囊的粒徑（a）和TEM圖（b~e）（CTAB的用量為 0.018 g）Figure 2 Particle sizes （a） and TEM images （b~e） of the silica nanocapsules synthesized in the miniemulsion systemswith various TEOS contents （the amountof CTAB was 0.018 g）

對(duì)CTAB用量為0.018 g，TEOS質(zhì)量分率為70.8 wt%的體系制得的SiO2納米膠囊進(jìn)行了氮?dú)馕摳綄?shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖4。SiO2納米膠囊的氮?dú)馕摳角€為典型的IV型曲線（圖4a），說明該材料具有典型的中孔結(jié)構(gòu)，比表面積為270m2·g-1，孔徑呈雙峰分布，主要集中在8 nm左右。高比表面積有利于藥物的富集，殼壁上的孔道則有利于實(shí)現(xiàn)藥物在膠囊內(nèi)外的傳遞。

圖4 SiO2納米膠囊的氮?dú)獾葴匚摳角€（a）和孔徑分布圖（b）（TEOS的質(zhì)量分率為70.8 wt%；CTAB的用量為0.018 g）Figure 4 Isotherm （a） and pore size distribution （b） of silica nanocapsules （The weight content of TEOS was 70.8 wt%；the amount of CTAB was 0.018 g）

2.4 姜黃素的裝載和釋放

圖5 姜黃素、SiO2納米膠囊和裝載姜黃素的SiO2納米粒子的紅外譜圖（a）；裝載姜黃素前后SiO2納米粒子的熱失重曲線（b）；裝載姜黃素的SiO2納米粒子的姜黃素緩釋曲線（c）Figure 5 FTIR spectra of curcumin，silica nanocapsules，and curcumin-loaded silica nanoparticles （a）；TGA curves of silica nanocapsules and curcumin-loaded silica nanoparticles （b）； curcumin release curve of the curcumin-loaded silica nanoparticles （c）

姜黃素溶解實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，姜黃素在THF中有較好的溶解能力，因此姜黃素的裝載實(shí)驗(yàn)在姜黃素的THF溶液中完成。以CTAB用量為0.018 g，TEOS質(zhì)量分率為70.8 wt%的體系制得的SiO2納米膠囊為例，用實(shí)驗(yàn)部分描述的方法裝載姜黃素。圖5a是姜黃素（曲線I）、SiO2納米膠囊（曲線II）和裝載姜黃素的SiO2粒子（曲線III）的紅外譜圖，由圖可知，裝載了姜黃素的SiO2粒子同時(shí)出現(xiàn)了SiO2在1090 cm-1和姜黃素在1510 cm-1的特征峰，說明SiO2膠囊已成功裝載姜黃素。姜黃素的裝載量用熱失重表征，結(jié)果見圖5b。由圖可知，裝載姜黃素SiO2粒子中姜黃素的含量為6.5 wt%。將裝載姜黃素的SiO2粒子分散于PBS/乙醇緩釋介質(zhì)中，研究其姜黃素的釋放行為。由圖5 c可知，姜黃素的釋放可分三個(gè)階段，在第I階段（0~10 h），姜黃素以相對(duì)較快的速度釋放；當(dāng)釋放量達(dá)到60%后，進(jìn)入釋放的第II階段（10~16 h），姜黃素的釋放速率變慢；在釋放的第III階段（16~48 h），姜黃素的累積釋放量有所下降。第III階段姜黃素的累積釋放量下降主要是由于姜黃素的降解所致。

3 結(jié)論

在細(xì)乳液反應(yīng)體系中，以陽離子乳化劑穩(wěn)定的油滴為軟模板，通過TEOS的水解－縮合反應(yīng)能高效地制備SiO2納米膠囊。膠囊的尺寸及殼壁穩(wěn)定性能通過CTAB用量和TEOS的質(zhì)量分率調(diào)控。CTAB用量在0.009~0.027 g范圍內(nèi)、TEOS質(zhì)量分率高于70.8 wt%時(shí)，能制得殼壁穩(wěn)定性較好的SiO2納米膠囊。氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)結(jié)果顯示SiO2粒子的殼壁具有介孔結(jié)構(gòu)，比表面積高達(dá)270m2·g-1。SiO2納米膠囊能用于姜黃素的裝載，姜黃素的釋放動(dòng)力學(xué)可分為三個(gè)階段，在16 h時(shí)，姜黃素的累積釋放量可達(dá)68%。本文的研究結(jié)果對(duì)于SiO2納米膠囊的結(jié)構(gòu)調(diào)控及其在藥物緩控釋放領(lǐng)域的應(yīng)用有一定的借鑒意義。

[1] Land fester K，Musyanovych A，Mailander V.From polymeric particles tomultifunctional nanocapsules for biomedical applications using theminiemulsion process[J].Journal of Polymer Science，Part A:Polymer Chemistry，2010，48（3）:493-515.

[2] Cao ZH，ZienerU.A versatile technique to fabricate capsules:miniemulsion[J].Current Organic Chemistry，2013，17（1）:30-38.

[3] Tiarks F，Landfester K，Antonietti M.Preparation of polymeric nanocapsules by miniemulsion polymerization[J].Langmuir，2001，17（3）:908-918.

[4] Cao ZH，Dong LZ，LiL，etal.Preparation ofmesoporoussubmicrometersilica capsulesviaan interfacialsol-gelprocessin inverse miniemulsion[J].Langmuir 2012，28（17）:7023-7032.

[5] Cao Z H，Shan G R.Synthesis of polymeric nanocapsules with a crosslinked shell through interfacial miniemulsion polymerization[J].Journal of Polymer Science，Part A:Polymer Chemistry，2009，47（6）:1522-1534.

[6]Ni K F,Shan G R,Weng Z X.Synthesis of hybrid nanocapsules byminiemulsion(co)polymerization of styrene andγ-methacryloxypropyltrimethoxysilane[J].Macromolecules,2006,39:2529-2535.

[7] Li Z，Barnes J C，Bosoy A，et al.Mesoporous silica nanoparticles in biomedical applications[J].Chemical Society Reviews，2012，41（7）:2590-2605.

[8] Peng B，Chen M，Zhou SX，et al.Fabrication of hollow silica spheres using droplet templates derived from a miniemulsion technique[J].Journal of Colloid and Interface Science，2008，321（1）:67-73.

[9] Fickert J，Rupper P，Graf R，etal.Design and characterization of functionalized silica nanocontainers for self-healing materials[J].Journalof Material Chemistry，2012，22 （5）:2286-2291.

Abstract：Silica nanocapsuleswere successfully prepared through an interfacial hydrolysis－condensation reaction inminiemulsionsby using cationic surfactantstabilized oil droplets as soft templates.The particle size and morphology of silica nanocapsules were characterized by transmission electron microscopy and dynamic lightscattering.The resultspointed out that the particle size andmorphology could be conveniently tuned by the amount of cetyltrimethylammonium bromide and the weight content of TEOS in oil phase.The nitrogen sorption analysis showed that the silica shell had amesoporous structure.The Fourier transform infrared spectra and thermogravimetric analyses indicated that curcumin was successfully loaded by silica nanocapsules.The loaded curcumin could be released from silica nanoparticles，displaying a sustained release behavior.

Keywords：silica nanocapsules； miniemulsion； hydrolysis-condensation reaction； curcumin

Preparation of Silica Nanocapsules in M iniemulsions and Their Application as Curcum in Nanocarriers

CUIQin-m in，YAO Ying，SHIQi-yuan，DUWen-ting
（School of Pharmacy，Hangzhou Medical College，Hangzhou，Zhejiang 310053，China）

1006-4184（2017）9-0045-06

2017-05-02

浙江醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)?？萍加?jì)劃項(xiàng)目（2008XZA02）。

崔勤敏（1979－），副教授，主要從事納米藥物載體的制備及其性能優(yōu)化、藥物質(zhì)量分析等研究。E-mail:xxcuicn@163.com。