紫膠樹(shù)脂銨鹽為壁材的微膠囊制備及性能研究

陳奇，張弘，孫彥琳，鄭華，張?chǎng)?，李凱，徐涓，李坤

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院資源昆蟲(chóng)研究所，云南 昆明 650224；2.河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程系，河北 石家莊 050026；3.昆明理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

紫膠是一種珍貴的昆蟲(chóng)基天然樹(shù)脂混合物[1-3]，主要由紫膠樹(shù)脂、紫膠蠟和紫膠紅色素組成[4]。紫膠樹(shù)脂具有良好的成膜、抗鹽霧、抗鹽漬等特性，廣泛應(yīng)用在食品、醫(yī)藥、化妝品等領(lǐng)域[5-7]。紫膠樹(shù)脂作為藥物包衣早有報(bào)道[8]，但隨著合成聚合物材料的迅猛發(fā)展，紫膠樹(shù)脂這一傳統(tǒng)用途正在被逐漸替代[9]。溶劑限制是造成這一現(xiàn)狀的原因之一，紫膠樹(shù)脂通常只能溶解在少數(shù)有機(jī)溶劑中，有機(jī)溶劑的使用不僅受到毒理性限制，且干燥困難，膜厚難以有效控制，易造成產(chǎn)品間性能差異，不夠穩(wěn)定[10]。以水替代有機(jī)溶劑是紫膠樹(shù)脂應(yīng)用的理想介質(zhì)，因此，親水性改性始終是紫膠樹(shù)脂的研究熱點(diǎn)之一[11-13]。由于紫膠樹(shù)脂結(jié)構(gòu)中含有游離羧基，采用強(qiáng)堿將紫膠樹(shù)脂離子化是增強(qiáng)其親水性的最簡(jiǎn)便、有效的方式，已有學(xué)者進(jìn)行過(guò)探索[14]，作者亦進(jìn)行過(guò)類(lèi)似嘗試，并取得了良好的效果[15]。然而，以紫膠樹(shù)脂鹽為包衣材料的相關(guān)性質(zhì)和性能研究還未見(jiàn)報(bào)道，在前期研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)展了以紫膠樹(shù)脂銨鹽為壁材的微膠囊制備方法和性質(zhì)的研究，以期為紫膠樹(shù)脂在親水性被膜材料中的應(yīng)用提供參考和依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

顆粒紫膠，昆明西萊克生物科技有限公司；異丙醇、石油醚、濃硫酸、無(wú)水乙醇、液體石蠟均為分析純；紅霉素，分析標(biāo)準(zhǔn)品(純度>98%)；胃蛋白酶(豬胃源≥3 000 U)；胰蛋白酶(牛胰腺源，≥4 500 U)；紫膠樹(shù)脂。

TP-214型電子天平；Purelab Ultra超純水儀；C-MAG HS 7 加熱磁力攪拌器；HH-8數(shù)顯恒溫水浴鍋；CPC-505電導(dǎo)率儀；DSX-90數(shù)顯攪拌機(jī)；HG101-2A電熱鼓風(fēng)干燥箱；Tensor-27傅里葉紅外光譜儀；DSC200F3差示量熱掃描儀；T25 digital高速剪切乳化機(jī)；DU800紫外分光光度計(jì)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 紫膠樹(shù)脂鹽的制備方法 紫膠樹(shù)脂參照文獻(xiàn)[16]中的方法進(jìn)行提純、精制。紫膠樹(shù)脂鈉鹽的制備按照文獻(xiàn)[14]中方法進(jìn)行，紫膠樹(shù)脂銨鹽的制備方法按照文獻(xiàn)[15]中方法進(jìn)行。

1.2.2 紅霉素-紫膠樹(shù)脂銨鹽微膠囊制備 紅霉素微膠囊參照文獻(xiàn)[17]中乳化-固化法進(jìn)行。將適量紅霉素分散于50 mL濃度10%(w/w)的紫膠樹(shù)脂銨鹽溶液中，3 000 r/min高速分散10 min。量取150 mL液體石蠟，加入少量span-80作為乳化劑，在50 ℃恒溫水浴下攪拌20 min，直至乳化劑完全溶解。將紅霉素紫膠樹(shù)脂銨鹽溶液一次性倒入液體石蠟中，以10 000 r/min高速剪切乳化20 min。在機(jī)械攪拌下，加入0.2 mol/L硫酸50 mL，固化 15 min。將其放入5 ℃的冰水中，當(dāng)體系溫度降至10 ℃以下時(shí)，加入75 mL 異丙醇，攪拌脫水2 h，同時(shí)可部分去除微膠囊表面的紅霉素。脫水結(jié)束后進(jìn)行抽濾，先用石油醚對(duì)溶液進(jìn)行稀釋?zhuān)后w石蠟抽干后，先后用石油醚和去離子水多次洗滌，去除少量殘留石蠟和硫酸，得到褐色粉末狀固體微球，即為包裹紅霉素的微膠囊。

1.2.3 紅霉素-紫膠樹(shù)脂銨鹽微膠囊載藥率測(cè)定

1.2.3.1 紅霉素乙醇溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)的繪制[18]精確稱(chēng)量紅霉素標(biāo)準(zhǔn)品100 mg，用約30 mL無(wú)水乙醇溶解在小燒杯中。倒入100 mL容量瓶中，用少量無(wú)水乙醇沖洗燒杯3次，洗液轉(zhuǎn)入容量瓶中，無(wú)水乙醇定容，配制的紅霉素?zé)o水乙醇溶液濃度為1 000 μg/mL。精密吸取紅霉素?zé)o水乙醇溶液2，4，6，8，10，20 mL，分別放入100 mL容量瓶中，無(wú)水乙醇定容，得濃度分別為20，40，60，80，100，200 μg/mL的紅霉素?zé)o水乙醇標(biāo)準(zhǔn)液。精密吸取標(biāo)準(zhǔn)液各5 mL，加入5 mL 75%硫酸，混勻顯色，放置冷卻至室溫。用紫外分光光度計(jì)在200～800 nm進(jìn)行全波長(zhǎng)掃描，結(jié)果在482 nm處顯示出明顯的特征吸收峰(見(jiàn)圖1)。以無(wú)水乙醇和硫酸的混合液為參比液，在482 nm波長(zhǎng)處分別測(cè)定各溶液的吸光度值。以紅霉素乙醇溶液的吸光度值為橫坐標(biāo)，以紅霉素溶液濃度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)，見(jiàn)圖2。進(jìn)行線(xiàn)性擬合，得方程y=7.295 4x-0.330 8，擬合度R2=0.999 8，說(shuō)明方程擬合度較高，能準(zhǔn)確反映溶液中紅霉素含量與吸光度值之間的關(guān)系。

圖1 紅霉素-75%硫酸顯色后的全波長(zhǎng)掃描圖Fig.1 The full wavelength scanning image of erythromycincolored by 75% sulfuric acid solution

圖2 紅霉素在乙醇溶液中標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)Fig.2 The standard curve of erythromycin dissolved in ethanol

1.2.3.2 紅霉素-紫膠樹(shù)脂銨鹽微膠囊載藥率測(cè)定[19]精確稱(chēng)量紅霉素-紫膠樹(shù)脂銨鹽微膠囊和未載藥的紫膠樹(shù)脂銨鹽微球各0.5 g，分別放入燒杯中，將其溶解在50 mL無(wú)水乙醇中，密封、磁力攪拌、過(guò)夜。將溶液轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶中，用無(wú)水乙醇沖洗燒杯3次，定容后準(zhǔn)確移取上述溶液各10 mL，無(wú)水乙醇定容至100 mL。準(zhǔn)確移取上述溶液5 mL，加入5 mL 75%硫酸，混勻顯色，放置冷卻至室溫。以未載藥的紫膠樹(shù)脂銨鹽微球無(wú)水乙醇溶液和硫酸的混合液為參比，在482 nm的波長(zhǎng)處測(cè)定溶液的吸光度值。測(cè)得在482 nm處吸光度值為0.860 6，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)計(jì)算得出0.5 g微膠囊中含有紅霉素5.948 mg，載藥率為1.19%。

1.3 紅霉素-紫膠樹(shù)脂銨鹽微膠囊表征

1.3.1 SEM測(cè)定 取適量紅霉素-紫膠樹(shù)脂銨鹽微膠囊樣品，使其均勻鋪展在1 cm×0.5 cm的導(dǎo)電膠上，噴金60 s。調(diào)整導(dǎo)電支架至適當(dāng)位置，待真空度達(dá)標(biāo)后，開(kāi)始對(duì)焦成像并放大至所需倍數(shù)。

1.3.2 DSC曲線(xiàn)測(cè)定 取紫膠樹(shù)脂、紫膠樹(shù)脂銨鹽和紅霉素-紫膠樹(shù)脂銨鹽微膠囊各5～10 mg，放入鋁制小坩堝中，封壓放入DSC測(cè)量?jī)x中。測(cè)量溫度范圍20～250 ℃，以10 ℃/min 升溫速率加熱。使用液氮為降溫介質(zhì)，加熱過(guò)程均以高純N2為吹掃氣和保護(hù)氣。

1.3.3 FTIR測(cè)定 將微膠囊樣品、紅霉素標(biāo)準(zhǔn)樣品以及紫膠樹(shù)脂銨鹽樣品分別與KBr混合，研磨成細(xì)粉，用油壓機(jī)以10 MPa的壓力進(jìn)行壓片，將壓片放在樣品架，掃描范圍4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1。

1.4 紅霉素-紫膠樹(shù)脂銨鹽微膠囊在模擬人體胃、腸環(huán)境緩釋性研究

1.4.1 模擬人體胃腸液配制[20]

1.4.1.1 模擬人工胃液配制 配制濃度1 mol/L 的稀鹽酸。取16.4 mL鹽酸，用去離子水稀釋至800 mL，加入10 g 胃蛋白酶，混勻，用去離子水稀釋定容至1 000 mL。

1.4.1.2 模擬人工腸液配制 稱(chēng)取磷酸二氫鉀6.8 g，溶解在500 mL去離子水中。用0.1 mol/L氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值至6.8。稱(chēng)取10 g胰蛋白酶，用去離子水溶解，倒入緩沖液中，用去離子水定容1 000 mL。

1.4.2 在模擬人體胃、腸環(huán)境緩釋性實(shí)驗(yàn) 稱(chēng)取紅霉素-紫膠樹(shù)脂銨鹽微膠囊0.5 g，分別加入100 mL模擬胃液和165 mL模擬腸液以及對(duì)照組去離子水中。模擬胃液組使用恒溫?fù)u床在37 ℃環(huán)境溫度下以130 r/min恒溫振蕩70 min，以模擬人體胃環(huán)境蠕動(dòng)；模擬腸液組使用恒溫?fù)u床在37 ℃環(huán)境溫度下，以45 r/min恒溫振蕩120 min以模擬人體腸環(huán)境蠕動(dòng)。做3組平行實(shí)驗(yàn)，取平均值。

每10 min抽取試驗(yàn)樣品5 mL，用乙醇稀釋至100 mL。取5 mL乙醇稀釋液加入5 mL濃度75%的硫酸進(jìn)行顯色，用紫外分光光度計(jì)以相應(yīng)模擬胃液或者模擬腸液以及去離子水作為背景，測(cè)定其在482 nm處的吸光度值，對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)測(cè)得紅霉素釋放量，繪制釋放曲線(xiàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅霉素-紫膠樹(shù)脂銨鹽微膠囊表征

2.1.1 掃描電鏡分析 由圖3可知，紅霉素-紫膠樹(shù)脂銨鹽微膠囊均為球形顆粒，粒徑均勻，為6～10 μm，微球結(jié)構(gòu)圓整；微膠囊外表面致密光滑，基本無(wú)凹陷。綜上可知，微膠囊的結(jié)構(gòu)較為完整，對(duì)芯材的包裹效果較為理想。

圖3 紅霉素-紫膠樹(shù)脂銨鹽微膠囊SEM成像Fig.3 SEM image of erythromycin-shellac ammoniumsalt microcapsules

2.1.2 DSC分析 紫膠樹(shù)脂、紫膠樹(shù)脂銨鹽、紅霉素-紫膠樹(shù)脂銨鹽微膠囊的DSC曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。

圖4 紅霉素-紫膠樹(shù)脂銨鹽微膠囊的DSC曲線(xiàn)Fig.4 DSC curves of erythromycin-shellac ammoniumsalt microcapsules

由圖4可知，由于紫膠樹(shù)脂組分較為復(fù)雜，紫膠樹(shù)脂熔融曲線(xiàn)有明顯的肩峰，且熔程較寬；因此為準(zhǔn)確起見(jiàn)，均以熔融峰值溫度進(jìn)行比較。紫膠樹(shù)脂、紫膠樹(shù)脂銨鹽、微膠囊熔融峰值溫度分別為62.3，78.8，68.2 ℃，紫膠樹(shù)脂銨鹽明顯高于紫膠樹(shù)脂，這是由于成鹽后紫膠樹(shù)脂銨鹽的結(jié)晶性明顯增強(qiáng)，分子間排列更趨于有序，以離子鍵為代表的分子間作用力明顯增強(qiáng)。而微膠囊的峰值溫度在紫膠樹(shù)脂與紫膠樹(shù)脂銨鹽之間，這是由于在以紫膠樹(shù)脂銨鹽制備紅霉素微膠囊的過(guò)程中，硫酸加入時(shí)膠囊微球表面紫膠樹(shù)脂銨鹽迅速被酸化并析出，成為致密的紫膠樹(shù)脂膜，從而對(duì)芯材形成質(zhì)密的封裝作用。因此，相對(duì)紫膠樹(shù)脂銨鹽，微膠囊表面膜層為紫膠樹(shù)脂，故而其熔融溫度相對(duì)紫膠樹(shù)脂銨鹽會(huì)有一定幅度降低，但就作為藥用微膠囊壁材來(lái)看，68.2 ℃的熔融溫度能夠滿(mǎn)足多數(shù)普通耐受環(huán)境和溫度。

2.1.3 FTIR分析 見(jiàn)圖5。

圖5 紅霉素-紫膠樹(shù)脂銨鹽微膠囊的FTIR譜圖對(duì)比Fig.5 Comparison of FTIR spectrogram of erythromycin-shellacammonium salt microcapsulesA.紅霉素；B.紫膠樹(shù)脂；C.紫膠樹(shù)脂銨鹽；D.紫膠樹(shù)脂銨鹽微膠囊

2.2 紅霉素-紫膠樹(shù)脂銨鹽微膠囊緩釋性

由于人體胃環(huán)境為強(qiáng)酸性環(huán)境，pH值約為 1.0，以紫膠樹(shù)脂銨鹽為壁材的微膠囊遇酸表面可形成一層致密的紫膠樹(shù)脂保護(hù)膜，保護(hù)芯材不被胃酸破壞或者可以控制一些對(duì)胃有刺激性的芯材在胃環(huán)境中的釋放，這在一定程度上保持了微膠囊的疏水性；而在人體腸道內(nèi)接近中性的環(huán)境下，微膠囊表面的紫膠樹(shù)脂又容易發(fā)生溶脹，可促使微膠囊內(nèi)部的紫膠樹(shù)脂銨鹽溶解，故紫膠樹(shù)脂銨鹽又使微膠囊保持了較好的親水性。這種親水-疏水作用是微膠囊壁材層層剝離，均勻釋放的有力保障。

2.2.1 在模擬人體胃環(huán)境緩釋性 由圖6可知，在模擬人體胃環(huán)境中紅霉素的釋放量極低，在70 min的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，0.5 g微膠囊中紅霉素的釋放量為123.01 μg，釋放率僅為2.07%。其原因是紫膠樹(shù)脂銨鹽-紅霉素微膠囊在模擬胃酸的酸性環(huán)境中，在微膠囊表面形成了一層致密的紫膠樹(shù)脂保護(hù)膜[15]，有效地阻礙了胃酸與微膠囊芯材的接觸，從而達(dá)到保護(hù)芯材的作用。這說(shuō)明在對(duì)酸敏感，遇酸易失活或?qū)ξ赣写碳ば缘乃幬飸?yīng)用中，紫膠樹(shù)脂銨鹽是較好的壁材選擇之一。

圖6 紅霉素-紫膠樹(shù)脂銨鹽微膠囊在模擬人體胃環(huán)境的累積釋放曲線(xiàn)Fig.6 The accumulative release curve of erythromycin-shellacammonium salt microcapsules in the simulative stomach conditions

2.2.2 在模擬人體腸環(huán)境緩釋性 在前期研究中，紫膠樹(shù)脂銨鹽表現(xiàn)出了在弱酸環(huán)境下較為良好的溶解溶脹性質(zhì)[15]。使其在作為微膠囊壁材時(shí)，可以在人體腸環(huán)境中達(dá)到對(duì)藥物的控釋和緩釋。圖7a為紅霉素-紫膠樹(shù)脂銨鹽微膠囊在模擬人體腸環(huán)境中的釋放曲線(xiàn)。

圖7 紅霉素-紫膠樹(shù)脂銨鹽微膠囊在模擬人體腸環(huán)境中的累積釋放曲線(xiàn)Fig.7 The accumulative release curve of the release curve oferythromycin-shellac ammonium salt microcapsules in thesimulative intestine conditions

由圖7a可知，在溶解初期10 min內(nèi)，紫膠樹(shù)脂銨鹽微膠囊顯示出一個(gè)突釋的過(guò)程，原因可能是部分粒徑較小的微膠囊在pH 6.8環(huán)境下迅速溶蝕，導(dǎo)致其裹挾的紅霉素快速釋放至腸液中；而且微膠囊外表面積較內(nèi)核有更大的體積，因此在初步溶蝕的過(guò)程中，其釋放的紅霉素更多，故在前10 min內(nèi)體現(xiàn)出突釋的假象；而后期則是膠囊的逐層溶蝕，釋放特性更加線(xiàn)性、平穩(wěn)，圖7b，10～120 min內(nèi)，紅霉素累積釋放量隨時(shí)間變化的線(xiàn)性關(guān)系良好，R2=0.996 5?？傮w來(lái)看，在120 min內(nèi)，紅霉素釋放量達(dá)到79.75%，沒(méi)有藥物突釋點(diǎn)，而是隨著溶解時(shí)間的增加，藥物釋放量顯示出緩慢上升的趨勢(shì)。這可能是由于在制備紫膠樹(shù)脂銨鹽時(shí)經(jīng)過(guò)酸洗，表面形成了一層紫膠樹(shù)脂膜，在弱酸性環(huán)境下紫膠樹(shù)脂膜有輕微的溶脹，可以維持微膠囊的形態(tài)、結(jié)構(gòu)不被破壞，使其不至于快速崩解，從而達(dá)到控制藥物在微膠囊內(nèi)部的擴(kuò)散，隨著表層紫膠樹(shù)脂的溶脹，藥物緩慢的釋放到人體腸環(huán)境中，有利于人體對(duì)藥物的吸收和長(zhǎng)時(shí)間保持藥效的作用。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)乳化-固化法制備了紫膠樹(shù)脂銨鹽-紅霉素微膠囊，結(jié)構(gòu)圓整，呈現(xiàn)均勻的球狀，粒徑在6 μm左右，并且粒徑分布相對(duì)均勻。

(2)微膠囊的壁材良好的保持了紫膠樹(shù)脂銨鹽的熱性質(zhì)。壁材紫膠樹(shù)脂銨鹽對(duì)紅霉素芯材形成了良好的包覆，且芯材與壁材均未發(fā)生明顯化學(xué)反應(yīng)。

(3)紅霉素藥物濃度與其吸光度間的線(xiàn)性關(guān)系可表示為y=7.295 4x-0.330 8，微膠囊載藥率1.19%。在模擬體胃環(huán)境中，70 min內(nèi)，紅霉素釋放率僅為2.07%；模擬體腸環(huán)境中，微膠囊能夠在10～120 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)紅霉素藥物的均勻釋放，釋藥率達(dá)到79.75%。綜上所述，紫膠樹(shù)脂銨鹽是一種性質(zhì)良好、天然、無(wú)毒的藥物腸包衣材料，具有作為天然藥物包衣材料開(kāi)發(fā)的良好潛力。