氨基化凹凸棒土/毒死蜱/海藻酸鈉復(fù)合微球的制備及緩釋性能

徐華+周紅軍+陳鏵耀+周新華

摘要：以毒死蜱為模型藥物，通過(guò)擠壓法制備了氨基化凹凸棒土/毒死蜱/海藻酸鈉復(fù)合微球。利用FTIR和TG對(duì)復(fù)合微球的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，考察了海藻酸鈉用量對(duì)復(fù)合微球載藥性能的影響，并探究了海藻酸納、離子濃度、溫度和pH對(duì)復(fù)合微球緩釋性能的影響。結(jié)果表明，KH550已成功接枝于凹凸棒土。當(dāng)KH550-HATP∶海藻酸鈉的質(zhì)量比為1∶1時(shí)，復(fù)合微球的載藥量最大，為21.0%。此外，載藥復(fù)合微球的釋藥行為表現(xiàn)出對(duì)離子濃度、溫度和pH的響應(yīng)，釋藥曲線符合Higuchi動(dòng)力學(xué)模型，其藥物釋放主要是以Fickian機(jī)理進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：氨基化凹凸棒土；海藻酸鈉；微球；緩釋

中圖分類號(hào)：TQ450.6；TQ450.1+4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2017）23-4527-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.23.027

Abstract： Amine-modified attapulgite/chlorpyrifos/sodium alginate microspheres were prepared by extrusion dripping method in the presence of chlorpyrifos. The structure of microspheres were characterized by FTIR and TG. The effects of sodium alginate dosage on loading content and the effects of sodium alginatedosage， ionic concentration， temperature and pH on the slow-release performance were investigated. The result showed that KH550 had been successfully grafted on attapulgite. While the dosage of KH550-HATP and sodium alginate was 1∶1， the drug losding capatcity of microspheres was the maximal for 21.0%. Moreover， microspheres had a good slow-release performance in response to ionic concentration， temperature and pH， the drug releasing curves could be described by Higuchi equation and Fickian mechanism.

Key words： amine-modified attapulgite； sodium alginate； microspheres； sustained release

中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，對(duì)農(nóng)藥的使用必不可少，但傳統(tǒng)型農(nóng)藥由于其活性組分釋放速率快，藥效時(shí)間短，致使其防治病蟲(chóng)害效果不理想，且其抗雨水沖刷性弱，實(shí)際利用率低，并易造成面源污染[1]。為了合理調(diào)控農(nóng)藥的釋放速率，延長(zhǎng)其藥效時(shí)間和提高農(nóng)藥利用率，緩控釋型農(nóng)藥制劑引起了人們廣泛的研究。

凹凸棒土是一種具有規(guī)整層鏈狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽礦物[2]，因其具有較大比表面積，規(guī)則的多孔道形貌，較強(qiáng)的吸附性[3]和良好的力學(xué)穩(wěn)定性，以及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，可作為緩控釋型農(nóng)藥制劑的良好載體。但是，由于天然的凹凸棒土表面具有較多的親水性基團(tuán)，降低了其對(duì)農(nóng)藥的負(fù)載量，而采用含有氨基、巰基等有機(jī)官能團(tuán)的化合物對(duì)凹凸棒土進(jìn)行有機(jī)改性，可有效改善凹凸棒土的疏水性能，增強(qiáng)與藥物之間的相互作用力，從而提高其吸附能力，使其能夠在藥物緩釋方面得到廣泛的應(yīng)用。

海藻酸鈉是一種無(wú)毒、低成本和可生物降解的緩釋載體材料[4]，在醫(yī)藥和農(nóng)藥緩釋領(lǐng)域已得到廣泛的關(guān)注[5]。但海藻酸鈉微球結(jié)構(gòu)比較疏松，釋藥過(guò)程中往往存在“爆釋”現(xiàn)象[6，7]。通過(guò)共混改性能改變海藻酸鈉微球的微相結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)其致密度和凝膠強(qiáng)度，進(jìn)而改善海藻酸鈉復(fù)合微球的釋藥性能。因海藻酸鈉具有陰離子特性，可以與陽(yáng)離子特性的物質(zhì)產(chǎn)生氫鍵和靜電作用，能有效改善復(fù)合微球的結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)提高其載藥和緩釋性能。為此探索以3-胺丙基三乙氧基硅烷（KH550）對(duì)凹凸棒土進(jìn)行修飾改性，制得具有陽(yáng)離子特性的氨基化凹凸棒土，一方面改善凹凸棒土對(duì)藥物的親和力，另一方面能夠與海藻酸鈉產(chǎn)生靜電作用來(lái)提高海藻酸鈉復(fù)合微球的載藥量和緩釋性能。試驗(yàn)以毒死蜱為模型藥物，采用擠壓法制備氨基化凹凸棒土/毒死蜱/海藻酸鈉復(fù)合微球，考察了海藻酸鈉用量對(duì)復(fù)合微球載藥量的影響，著重討論了海藻酸鈉用量、NaCl離子濃度、溫度和pH對(duì)復(fù)合微球釋藥性能的影響，并探究了其藥物釋放的動(dòng)力學(xué)模型，以期為改性凹凸棒土在農(nóng)藥緩釋領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

氯化鈣（分析純，天津市福晨化學(xué)試劑廠）；無(wú)水乙醇（分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠）；甲苯、氫氧化鈉（分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；鹽酸（分析純，廣州化學(xué)試劑廠）；海藻酸鈉、3-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）、六偏磷酸鈉（分析純，阿拉丁試劑有限公司）；氯化鈣（分析純，成都科龍化工試劑廠）；凹凸棒土（來(lái)源地安徽）；毒死蜱（純度>98%，江蘇景宏化工有限公司）。

1.2 儀器與設(shè)備

Spectrum 100型傅立葉變換紅外光譜儀（美國(guó)Perkin Elmer公司）；Q600型熱重分析儀（美國(guó)TA儀器公司）；85-2型恒溫磁力攪拌器（江蘇常州澳華儀器有限公司）；KH-250型超聲波清洗器（江蘇昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司）；T6新世紀(jì)型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)（北京普析通用儀器有限責(zé)任公司）。

1.3 改性凹凸棒土/毒死蜱/海藻酸鈉復(fù)合微球的制備

1.3.1 凹凸棒土的提純與酸化 稱取40 g的凹凸棒土置于裝有300 mL去離子水和4 g六偏磷酸鈉的燒杯中，用高速分散機(jī)對(duì)混合液恒溫?cái)嚢?0 min，后靜置6 min，再分離出上層懸浮液，并對(duì)下層液體進(jìn)行過(guò)濾、洗滌、干燥，即可制得純化的凹凸棒土。取20 g純化的凹凸棒土于燒杯中，加入400 mL 4 mol/L的HCl溶液，在60 ℃下攪拌4 h，對(duì)其進(jìn)行過(guò)濾、洗滌至中性、烘干，制得酸化凹凸棒土（HATP），備用。

1.3.2 KH550改性酸化凹凸棒土 稱取3 g HATP，置于裝有100 mL甲苯的三口瓶中，邊超聲振蕩邊加入3 mL KH550，并在40～45 ℃下超聲40 min，50 ℃反應(yīng)4 h，過(guò)濾，依次用甲苯、乙醇和去離子水洗滌多余的KH550，真空干燥24 h，制得氨基改性凹凸棒土（KH550-HATP）。

1.3.3 KH550-HATP/毒死蜱/海藻酸鈉復(fù)合微球的制備 稱取0.25 g KH550-HATP，分散于5 mL去離子中，攪拌至粉末分散均勻，后與毒死蜱乙醇溶液（0.25 g毒死蜱溶于5 mL乙醇）混合，然后加入海藻酸鈉溶液，攪拌并超聲20 min，靜置，冷卻至室溫。利用擠壓法將上述混合液滴入80 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的CaCl2溶液中，滴加速度為50 mL/h，滴加完繼續(xù)攪拌1 h，過(guò)濾并于40 ℃真空干燥24 h，制得復(fù)合微球。

1.4 復(fù)合微球的結(jié)構(gòu)表征

采用溴化鉀壓片法制樣，通過(guò)紅外光譜儀對(duì)凹凸棒土、改性凹凸棒土和復(fù)合微球的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征；利用熱重分析儀分析載藥微球的熱穩(wěn)定性，升溫范圍為30～800 ℃，升溫速率為20 ℃/min，氮?dú)馑俾蕿?0 mL/min；利用紫外-分光光度計(jì)測(cè)試微球中農(nóng)藥的含量。

1.5 性能測(cè)試

1.5.1 載藥性能的測(cè)試 稱取一定量（M0，mg）的復(fù)合微球粉末于100 mL容量瓶中，加入體積分?jǐn)?shù)為50%的毒死蜱/乙醇溶液，在35 ℃下恒溫水浴振蕩48 h，然后移取上層清液并稀釋至一定的倍數(shù)n，用紫外-分光光度計(jì)測(cè)定其吸光度，其載藥量LC按式（1）計(jì)算。

LC=■×100% （1）

式中，c為紫外-分光光度計(jì)測(cè)定的質(zhì)量濃度（mg/L）。

1.5.2 緩釋性能的測(cè)試 稱取一定量（M1，mg）載藥微球于錐形瓶中，加入100 mL不同pH的50%乙醇水溶液，并將錐形瓶放于不同溫度的恒溫水浴中，間隔固定的時(shí)間（t），取出5 mL樣品液，同時(shí)向錐形瓶中補(bǔ)充等體積介質(zhì)，將5 mL樣品液稀釋到50 mL，用紫外分光光度計(jì)測(cè)定其吸光度，毒死蜱隨時(shí)間的累積釋放率為Ri，繪制t-Ri曲線作為毒死蜱的緩釋動(dòng)力學(xué)曲線，累積釋放率Ri可按式（2）計(jì)算。

Ri=■（i=1）■+■（i=2，3，4…） （2）

式中，ρi為第i次移出液中毒死蜱的質(zhì)量濃度（mg/L）。

2 結(jié)果與分析

2.1 FTIR分析結(jié)果

圖1為HATP（a）、KH550-HATP（b）和載藥微球（c）的FTIR圖。由圖1可見(jiàn)，譜線b在2 950、2 895 cm-1處出現(xiàn)了亞甲基的伸縮振動(dòng)峰，在1 494 cm-1處出現(xiàn)了-NH3+的對(duì)稱振動(dòng)峰，以及在687 cm-1處出現(xiàn)了N-H鍵的彎曲振動(dòng)峰[8，9]，說(shuō)明硅烷偶聯(lián)劑KH550已接枝到酸化凹凸棒土的表面。譜線c為載藥復(fù)合微球，在1 550、1 410、830 cm-1處出現(xiàn)了毒死蜱的特征峰，分別屬于吡啶環(huán)中C=N、芳香族中C-C以及P=S的吸收振動(dòng)峰[10]，說(shuō)明毒死蜱已經(jīng)負(fù)載于復(fù)合微球中。

2.2 TG分析結(jié)果

圖2為凹凸棒土ATP（b）、HATP（c）、KH550-HATP（a）和載藥微球（d）的TG圖。由圖2可知，曲線a在100～450 ℃時(shí)的失重均低于曲線b和曲線c，這是由于100～450 ℃溫度區(qū)間內(nèi)b、c的失重均為凹凸棒內(nèi)部水游離失重，KH550改性后，由于凹凸棒土表面有機(jī)官能團(tuán)的疏水性，使得在產(chǎn)品干燥過(guò)程中結(jié)晶水更容易游離出，故而曲線a在100～450 ℃時(shí)的失重均低于曲線b和曲線c。隨著溫度的升高，a中有機(jī)官能團(tuán)開(kāi)始熱分解，故而在800 ℃時(shí)，a失重要高于b和c，綜上，KH550已被接枝于凹凸棒土表面。

2.3 載藥性能分析結(jié)果

由表1可知，當(dāng)KH550-HATP/海藻酸鈉用量配比等于1時(shí)，復(fù)合微球的載藥量最大，可達(dá)21.0%；當(dāng)KH550-HATP/海藻酸鈉用量配比小于1時(shí)，隨著配比的增加，微球中海藻酸鈉含量降低，干燥微球的吸水能力逐漸降低，微球交聯(lián)成型過(guò)程中，藥物滲透到外界交聯(lián)劑溶液的速率較小，故載藥量逐漸增大；當(dāng)配比大于1時(shí)，海藻酸鈉用量增多，故載藥量減少。

2.4 緩釋性能分析

2.4.1 海藻酸鈉的添加量對(duì)緩釋性能的影響 從圖3可以看出，當(dāng)毒死蜱∶KH550-HATP∶海藻酸鈉的質(zhì)量比為1.0∶1.0∶1.4時(shí)，復(fù)合微球的緩釋性能相對(duì)最好。因?yàn)楫?dāng)海藻酸鈉用量較多時(shí)，能夠交聯(lián)而形成更致密的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在后續(xù)藥物釋放過(guò)程中能緩解因溶蝕而產(chǎn)生的毒死蜱的釋放。因此，當(dāng)毒死蜱∶KH550-HATP∶海藻酸鈉的質(zhì)量比為1.0∶1.0∶1.4時(shí)，復(fù)合微球的緩釋性能較好。

為了進(jìn)一步探究不同海藻酸鈉添加量的載藥復(fù)合微球的藥物釋放性能，分別采用Zero-order、First-order和Higuchi對(duì)其釋藥數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以看出，該載藥復(fù)合微球的釋藥曲線與Higuchi動(dòng)力學(xué)模型的擬合度相對(duì)最高，說(shuō)明其藥物釋放主要是以Fickian機(jī)理進(jìn)行，擴(kuò)散為主，溶蝕為輔。

2.4.2 NaCl濃度對(duì)緩釋性能的影響 由圖4可知，隨著離子濃度由0增加至5.8%，藥物的累積釋放率由89%降低至34%，說(shuō)明復(fù)合微球的緩釋性能得到了改善。這是由于復(fù)合微球表面存在滲透壓，離子濃度越大，滲透壓越大，復(fù)合微球的溶脹加劇，微球粒徑變大[11]，藥物滲透并擴(kuò)散到溶液中需要更多的時(shí)間，故其緩釋性能提高。

2.4.3 溫度對(duì)緩釋性能的影響 圖5為不同溫度對(duì)復(fù)合微球緩釋性能的影響。由圖5可見(jiàn)，隨著溫度的升高，載藥微球的緩釋效果變差。這是由于溫度越高，復(fù)合微球溶脹加劇而更易溶蝕，且藥物的分子運(yùn)動(dòng)加劇，兩種效果致使毒死蜱更容易擴(kuò)散到復(fù)合微球的外部，從而導(dǎo)致其緩釋性能變差。

2.4.4 pH對(duì)緩釋性能的影響 圖6為不同pH對(duì)復(fù)合微球緩釋性能的影響。由圖6可知，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，藥物的累積釋放率呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，其緩釋效果為隨著pH的升高，復(fù)合微球的藥物累積釋放率逐漸增大。因?yàn)樵谒嵝詶l件下，羧基的離子化遭到抑制，改性凹凸棒土中的氨基被質(zhì)子化，凹凸棒土與海藻酸鈉之間的靜電作用增強(qiáng)，致使復(fù)合微球的結(jié)構(gòu)變得更加致密，從而抑制了藥物向緩釋介質(zhì)擴(kuò)散，故其緩釋性能得到提高。

3 小結(jié)

以毒死蜱為模型藥物，KH550改性凹凸棒土為改性劑，制備了氨基化凹凸棒土/毒死蜱/海藻酸鈉復(fù)合微球，其載藥量最大為21.0%。而毒死蜱∶KH550∶HATP∶海藻酸鈉的質(zhì)量比為1.0∶1.0∶1.4時(shí)，復(fù)合微球的緩釋性能相對(duì)最好。當(dāng)NaCl離子濃度由0增加至5.8%，復(fù)合微球的藥物累積釋放率從89%降低至34%。此外，載藥復(fù)合微球在釋藥過(guò)程中表現(xiàn)出對(duì)離子濃度、溫度和pH有良好的響應(yīng)。釋藥曲線符合Higuchi動(dòng)力學(xué)模型，其藥物釋放主要是以Fickian機(jī)理進(jìn)行，其有望應(yīng)用于智能響應(yīng)型微球中。

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