介孔SiO2/PPy復(fù)合微球?qū)Σ悸宸业呢?fù)載與釋放研究

李 貝， 喬永生， 沈臘珍， 王 偉

(1. 山西大同大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 山西 大同 037009； 2. 忻州師范學(xué)院 化學(xué)系， 山西 忻州 034000；3. 北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所， 山西 太原 030006)

0 引 言

布洛芬(IBU)作為一種非甾體烷基苯丙酸類抗炎藥， 可通過抑制環(huán)氧酶的活性， 從而抑制前例腺素的合成和疼痛的生理信號(hào)， 常用于減輕疼痛、 炎癥和發(fā)熱[1-2]. 目前， 已用于各種疾病治療， 如：動(dòng)脈導(dǎo)管未閉， 類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎， 囊性纖維化， 立體性低張力， 牙痛， 痛經(jīng)， 發(fā)熱， 頭痛， 阿爾茨海默病， 帕金森病及乳房炎等. 同時(shí)， IBU具有較好的藥理活性， 分子尺寸為0.6～1 nm適合放置在無機(jī)介孔材料的介孔中[3]. 但其生物半衰期短(1～3 h)[1]， 需要頻繁給藥， 會(huì)產(chǎn)生毒副作用且其水溶性差， 高劑量口服后會(huì)刺激胃腸道造成廣譜胃腸道副作用， 輕度消化不良進(jìn)一步導(dǎo)致胃出血， 使IBU服用量受到限制. 因此， 需使用藥物傳遞體系通過腸外途徑直接將IBU送至感染部位， 使毒副作用最小化[4].

目前已研究出各種IBU控釋給藥系統(tǒng)， 如磁性納米粒子載藥體系可在外磁場作用下直接將藥物輸送到靶向位點(diǎn)處[5]； 石墨烯基藥物傳遞體系具有較大表面積可負(fù)載大量藥物， 且其基底表面和邊緣具有許多官能團(tuán)使其易于分散在水中和生理環(huán)境中[6]， 可用于一些水不溶性藥物的傳遞并實(shí)現(xiàn)pH響應(yīng)藥物釋放； 金屬-有機(jī)骨架納米復(fù)合物、 聚合物納米粒子、 TiO2納米粒子及介孔二氧化硅納米粒子、 聚吡咯微球， 以及這些納米粒子構(gòu)成的復(fù)合微球同樣可用于IBU藥物控釋體系[7-10]. 其中， 介孔二氧化硅納米粒子具有無毒性， 生物相容性， 化學(xué)穩(wěn)定性， 對氧化反應(yīng)具有惰性， 表面具有大量羥基可為進(jìn)一步修飾及IBU等藥物負(fù)載提供連接位點(diǎn)， 藥物也可嵌入到其介孔腔中， 從而提高載藥量并減緩藥物釋放速率； 且其制備方法簡易， 以正硅酸乙酯為硅源通過St?ber法即可直接獲得. 聚吡咯作為一種有機(jī)聚合物光熱劑的較高的光熱轉(zhuǎn)換效率， 優(yōu)異的熱穩(wěn)定性， 電導(dǎo)率高， 生物相容性好且具有生物可降解性， 其骨架上的氨基可用于連接治療試劑來實(shí)現(xiàn)藥物傳遞. 同時(shí)， 吡咯單體通過簡單的原位化學(xué)聚合或電化學(xué)聚合后即可得到聚吡咯粒子. 將介孔二氧化硅與聚吡咯結(jié)合后可獲得多功能IBU藥物控釋體系， 相比于單一納米粒子藥物載體， IBU不僅可通過氫鍵作用負(fù)載在介孔二氧化硅上， 同時(shí)聚吡咯涂層上的氨基也可為藥物提供連接位點(diǎn)， 使載藥量提高； 而且聚吡咯涂層的修飾使負(fù)載在mSiO2上的藥物釋放途徑延長， 可減緩藥物釋放速率， 實(shí)現(xiàn)藥物緩釋， 并延長藥物半衰期， 降低毒副作用， 同時(shí)深入研究聚吡咯涂層的光熱轉(zhuǎn)化能力及熱療效果， 還可以獲得具有高載藥量及緩慢藥物釋放能力的多功能藥物載體.

本文首先通過膠束聚集模板法合成介孔二氧化硅粒子， 再通過未使用任何表面活性劑的水熱法進(jìn)行聚吡咯涂層的修飾， 獲得介孔二氧化硅/聚吡咯復(fù)合微球. 采用SEM、 XRD、 FT-IR對產(chǎn)物的形貌、 物相、 結(jié)構(gòu)與化學(xué)成分進(jìn)行表征， 并研究其對布洛芬藥物的負(fù)載能力以及在pH= 7.4的磷酸氫二鈉-磷酸二氫鈉緩沖溶液中的藥物釋放行為.

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試劑與儀器

溴化(-)-N-十二基-N-甲基麻堿(DMEB)， 羧基乙基硅烷三醇鈉鹽(25wt%)水溶液(CSS)， 氫氧化鈉， 正硅酸乙酯(TEOS)， 無水乙醇， 過硫酸銨(APS)， 吡咯， 十二水合磷酸氫二鈉， 二水合磷酸二氫鈉， 布洛芬(IBU)， 所有藥品均為分析純. 主要儀器有： TESCAN MAIA 3 LMH型高分辨率掃描電子顯微鏡(捷克)， 德國Burker公司D8 Focus X射線衍射儀， FTIR-650傅里葉變換紅外光譜儀， 德國SPECORD 210 PLUS 紫外可見分光光度計(jì).

1.2 介孔二氧化硅(mSiO2)粒子的制備

通過膠束聚集模板法制備介孔二氧化硅(mSiO2)[11]. 將1 500 μL 濃度為0.125 mol·L-1的NaOH與40 mL的蒸餾水混合， 并加入10 mL濃度為7.8 mmol·L-1的溴化(-)-N-十二基-N-甲基麻堿水溶液和20 μL 的羧基乙基硅烷三醇鈉鹽(25wt%)水溶液CSS， 室溫下機(jī)械攪拌1 h. 之后逐滴加入300 μL 的TEOS繼續(xù)攪拌反應(yīng)8 h. 分離沉淀用蒸餾水和無水乙醇交替沖洗幾次， 并在60℃的烘箱中干燥4 h， 得到白色的mSiO2粒子研磨后用于下一步反應(yīng).

1.3 介孔二氧化硅/聚吡咯(mSiO2/PPy)復(fù)合微球的制備

采用未使用任何表面活性劑的水熱法進(jìn)行聚吡咯涂層的修飾[12]. 稱取上述制備的mSiO2粒子10 mg放入20 mL蒸餾水中， 超聲2 min后使其溶解. 加入100 μL的新鮮吡咯(使用前蒸餾并保存在4℃的棕色瓶中)， 攪拌1 h后轉(zhuǎn)移到反應(yīng)釜中， 并逐滴加入預(yù)先配制的過硫酸銨(APS)水溶液 (1 g APS放入10 mL蒸餾水中)， 140 ℃下水熱反應(yīng)8 h. 自然冷卻， 用蒸餾水和乙醇交替沖洗幾次后， 空氣干燥， 得到黑色的mSiO2/PPy復(fù)合微球.

1.4 布洛芬(IBU)的負(fù)載與釋放研究

考慮到安全性選用乙醇作為溶劑， 進(jìn)行布洛芬(IBU)藥物負(fù)載. 將7 mg上述獲得的 mSiO2/PPy 微球放入17.5 mL濃度為1 mg/mL的布洛芬/乙醇溶液中， 室溫下機(jī)械攪拌進(jìn)行藥物負(fù)載. 24 h后靜置吸取上清液并用一定量乙醇清洗， 用紫外可見分光光度計(jì)測上清液及清洗液中殘余的IBU濃度間接計(jì)算藥物負(fù)載量. 將得到的載藥mSiO2/PPy微球室溫下空氣干燥用于藥物釋放研究. 通過式(1)～(3)分別計(jì)算總載藥量、 包封率及載藥率.

總載藥量=C0V0-C1V1-C2V2,

(1)

式中：C0,C1和C2分別為藥物的初始濃度及上清液、 清洗液中的藥物濃度， mg/mL；V0,V1和V2分別為藥物的初始體積及上清液、 清洗液的體積， mL.

(2)

(3)

在pH=7.4的0.2 mol·L-1磷酸氫二鈉-磷酸二氫鈉緩沖溶液中進(jìn)行IBU藥物釋放. 將上述干燥后的載藥復(fù)合微球置于25 ml pH=7.4的0.2 mol·L-1磷酸氫二鈉-磷酸二氫鈉緩沖溶液中， 攪拌作用下進(jìn)行藥物釋放. 每間隔一段時(shí)間移取一定量上清液， 并加入等量的新鮮緩沖溶液保持體積恒定. 用紫外可見分光光度計(jì)測定藥物隨時(shí)間的釋放量變化， 得到pH=7.4條件下的藥物釋放曲線. 通過式(4)計(jì)算t時(shí)刻的累積藥物釋放率

(4)

2 結(jié)果與討論

2.1 機(jī)理分析

本文首先通過膠束聚集模板法合成介孔二氧化硅， 其中溴化(-)-N-十二基-N-甲基麻堿是一種雙子表面活性劑作為軟模板， 羧基乙基硅烷三醇鈉鹽作為助結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑. 當(dāng)DMEB濃度處于7.8 mmol·L-1以下時(shí)， 易于形成小的膠束聚集體， 加入CSS后通過靜電相互作用可進(jìn)一步穩(wěn)定膠束聚集體結(jié)構(gòu). 同時(shí)， 加入的正硅酸乙酯在堿性條件下快速水解縮合， 并迅速聚集在膠束聚集體周圍， 形成介孔殼層結(jié)構(gòu)， 進(jìn)一步生長獲得介孔二氧化硅粒子. 第二步中， 通過未使用任何表面活性劑的水熱法進(jìn)行聚吡咯殼層的修飾. 在攪拌作用下吡咯單體首先吸附在mSiO2粒子表面， 加入氧化劑過硫酸銨后， 在水熱條件下， 吡咯單體聚合形成聚吡咯并進(jìn)一步生長形成聚吡咯外殼， 從而得到mSiO2/PPy復(fù)合微球.

2.2 SEM分析

圖 1 給出了mSiO2納米粒子和mSiO2/PPy復(fù)合微球的SEM圖. 由圖 1(a) 可以看出， 所得到的mSiO2納米粒子為形狀規(guī)則的球形且粒徑均勻， 尺寸在120±30 nm. 由圖 1(b) 可以看出， 所得到的mSiO2納米粒子表面具有孔徑為2～3 nm均勻的小孔， 進(jìn)一步證實(shí)了所得到的SiO2納米粒子為介孔材料. 由圖 1(c) 可以看出， mSiO2/PPy復(fù)合微球粒子表面變得光滑， 表面介孔消失且尺寸增大到150～250 nm， 表明聚吡咯涂層成功地修飾在mSiO2納米粒子表面.

同時(shí)， 可觀察到聚吡咯涂層均勻地包覆在一個(gè)或多個(gè)mSiO2納米粒子表面， 獲得了mSiO2/PPy復(fù)合微球. 這些結(jié)果均表明合成了具有介孔二氧化硅納米粒子內(nèi)核， 聚吡咯外殼的mSiO2/PPy復(fù)合微球.

圖 1 樣品的SEM圖Fig.1 SEM images of samples

2.3 XRD分析

圖 2 為mSiO2納米粒子和mSiO2/PPy復(fù)合微球的XRD圖， 圖譜中均出現(xiàn)非晶態(tài)包峰. 在圖 2(a) 中， 15°～39°間出現(xiàn)明顯的包峰， 表明無定形非晶態(tài)mSiO2納米粒子的存在[13]. 圖2(b)中包峰的范圍發(fā)生微弱的變化 (16°～38°)， 證實(shí)了非晶態(tài)聚吡咯涂層的成功包覆使粒子尺寸發(fā)生較小變化， 從而使峰寬略微變窄. 這些結(jié)果與SEM表征相一致， 均表明 mSiO2/PPy 復(fù)合微球的形成.

圖 2 樣品的XRD圖Fig.2 XRD patterns of samples

2.4 FT-IR分析

為進(jìn)一步證實(shí)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)信息和化學(xué)成分進(jìn)行了紅外光譜分析， 圖 3 中給出了mSiO2納米粒子和mSiO2/PPy復(fù)合微球的FTIR圖. 所有樣品中， 3 432 cm-1和3 158 cm-1處為吸附水中-OH的非對稱伸縮振動(dòng)峰， 而-OH的彎曲伸縮振動(dòng)峰均處于1 635 cm-1[14]， 1 401 cm-1處出現(xiàn)的衍射峰為所用模板中的C-C伸縮振動(dòng)[15].

圖 3 樣品的FTIR圖Fig.3 FTIR spectra of samples

在圖 3(a) 中， 458 cm-1處為Si-O彎曲振動(dòng)峰， 798 cm-1和1 078 cm-1處分別為Si-O-Si對稱伸縮振動(dòng)和非對稱伸縮振動(dòng)[16]. 同時(shí)， Si-OH中硅醇基團(tuán)伸縮振動(dòng)出現(xiàn)在951 cm-1[14]處， 這些結(jié)果均表明mSiO2納米粒子的形成. 圖 3(b) 中， 781 cm-1處為聚吡咯環(huán)中C-H面外彎曲振動(dòng)， 850 cm-1處的新衍射峰為C-H面外變形振動(dòng)[17]. 在mSiO2/PPy復(fù)合微球中， 1 078 cm-1處的Si-O-Si非對稱伸縮振動(dòng)峰變?nèi)酰?這是由于在1 135 cm-1和1 088 cm-1處均存在聚吡咯的C-H面內(nèi)變形振動(dòng)[17]. 1 560 cm-1處為吡咯環(huán)伸縮振動(dòng)峰， C-N伸縮振動(dòng)峰出現(xiàn)在1 314 cm-1處. 1 635 cm-1和3 432 cm-1處的衍射峰變得尖銳， 這可歸因于在這兩處分別存在聚吡咯的C=C拉伸振動(dòng)和N-H拉伸振動(dòng)[1]. 這些結(jié)果均證實(shí)了在所得到的復(fù)合微球中存在mSiO2和PPy.

2.5 藥物負(fù)載與釋放性能

本文采用傳統(tǒng)的非甾體抗炎藥布洛芬作為藥物模型， 研究所形成的mSiO2/PPy復(fù)合微球的藥物負(fù)載與釋放行為. 使用乙醇作為溶劑進(jìn)行藥物負(fù)載， 由于其相比于布洛芬的其他良溶劑如正己烷毒性、 揮發(fā)性均變小且與人體的生理環(huán)境相似[18]. 研究表明， 相比于Kurczewska等人制備的載藥量僅為182.72 mg/g的樹枝狀聚合物功能化的埃洛石納米管藥物載體和Gao等人制備的具有250 mg/g載藥量的介孔硅酸鹽藥物傳遞體系[8,18]， mSiO2/PPy復(fù)合微球的總載藥量可提升到534.28 mg/g， 包封率可達(dá)21.34%， 載藥率明顯提高至53.35%.

圖 4 mSiO2/PPy復(fù)合微球的IBU藥物釋放曲線Fig.4 IBU drug release curve of mSiO2/PPy composite microspheres

在pH=7.4的0.2 mol·L-1磷酸氫二鈉-磷酸二氫鈉緩沖溶液中進(jìn)行藥物釋放 (7.4 為人體體液的pH值)， 研究所形成的復(fù)合微球的藥物釋放行為. 圖 4 為載藥mSiO2/PPy復(fù)合微球在 pH=7.4 的緩沖液中的藥物釋放行為， 研究表明， 在前12 h內(nèi)藥物釋放速率較快， 累積藥物釋放量可達(dá)54%. 隨后的60 h內(nèi)藥物釋放量僅為14%， 最終獲得68%的藥物釋放量. 這是由于在初始階段， 吸附在復(fù)合粒子表面的藥物可快速釋放， 接下來為通過氫鍵相連的藥物釋放， 隨后嵌入在mSiO2介孔腔中的藥物緩慢釋放， 使藥物釋放速率逐步減慢， 對負(fù)載的IBU藥物產(chǎn)生緩釋作用. 同樣， 所制備的mSiO2/PPy復(fù)合微球也可作為其他抗炎、 抗癌藥物載體， 以實(shí)現(xiàn)藥物的緩慢釋放.

3 結(jié) 論

本文首先通過膠束聚集模板法合成了粒徑為120±30 nm 的mSiO2納米粒子， 形貌均一且其表面具有均勻的介孔. 然后， 采用未使用任何表面活性劑的水熱法在mSiO2納米粒子表面進(jìn)行聚吡咯涂層的包覆， 獲得了尺寸處于150到250 nm 之間的表面光滑的mSiO2/PPy復(fù)合微球. 采用SEM， XRD和FT-IR等表征手段對所合成的產(chǎn)物進(jìn)行了形貌， 物相和化學(xué)成分及結(jié)構(gòu)信息的分析. 研究了mSiO2/PPy復(fù)合微球?qū)BU的負(fù)載能力， 其載藥率可提升至53.35%， 這可能是由于其不但具有大表面積的聚吡咯外殼， 而且內(nèi)核mSiO2擁有介孔腔也可為藥物提供連接位點(diǎn). 在pH=7.4的緩沖溶液中， 68%的藥物可在72 h內(nèi)釋放， 并實(shí)現(xiàn)了持續(xù)藥物釋放. 這些結(jié)果表明， 此復(fù)合微球可作為優(yōu)異的藥物控釋載體， 也可用于負(fù)載其他抗炎、 抗癌等藥物. 還可進(jìn)一步研究聚吡咯殼層的光熱轉(zhuǎn)化性能， 及此復(fù)合微球在體內(nèi)的藥物釋放行為.

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