SiO2-PEG藥物洗脫支架涂層的左旋多巴改性研究

林燕喃，陳文平，顏佳佳

(1. 福建衛(wèi)生職業(yè)技術(shù)學院藥學系, 福建 福州 350101； 2. 福州大學材料科學與工程學院, 福建 福州 350108)

0 引言

心血管堵塞引起的冠心病已成為全球死亡率最高的疾病之一[1]. 在冠心病的治療方法中，支架術(shù)因其微創(chuàng)性、 高效性與療效顯著等特點，已成為主要治療手段之一[2]. 藥物洗脫支架是將藥物負載在金屬支架表面包被的涂層上，支架植入到血管的狹窄處后，藥物逐漸洗脫出來，釋放至心血管壁發(fā)揮療效. 其釋放藥物可起到抗凝、 抗增生等作用，抑制支架內(nèi)再狹窄的發(fā)生，逐漸成為支架術(shù)植入療法的首選器械[3-6].

阿司匹林在防治血栓栓塞性心血管疾病方面有著十分廣泛的應(yīng)用，可顯著降低高危患者心血管疾病事件的發(fā)生率[7]. 將阿司匹林以各種方式裝載至洗脫支架的聚合物涂層基質(zhì)中并研究其釋放行為，是近年來生物醫(yī)藥材料及器件領(lǐng)域關(guān)注的熱點[8]. 但是，聚合物基質(zhì)的微結(jié)構(gòu)難以調(diào)控，而基于溶膠-凝膠濕化學工藝制備的有機-無機復合材料具有微結(jié)構(gòu)可調(diào)的特點，使其在控制藥物釋放方面有潛在應(yīng)用[9].

基于此，本文以正硅酸四乙酯(TEOS)和聚乙二醇(PEG)為前驅(qū)體，輔以左旋多巴的黏結(jié)性和自交聯(lián)性能，用溶膠-凝膠法制備左旋多巴改性的SiO2-PEG藥物洗脫支架涂層，并進而裝載阿司匹林. 考察不同配方以及制備工藝制得的涂層中阿司匹林的體外釋放行為，研究影響阿司匹林釋放性能的因素.

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

立式金相顯微鏡(XJL-03，重慶麥克光電儀器公司)； 臺式恒溫震蕩器(TH2-312，上海精宏實驗設(shè)備公司)； 紫外可見分光光度計(UV-2450，日本島津).

316L不銹鋼片購自上海伊夏不銹鋼制品有限公司； 聚乙二醇6000(PEG6000，CP)、 正硅酸四乙酯(TEOS，AR)、 左旋多巴(L-DOPA)、 磷酸氫二鈉和磷酸二氫鈉購自Sigma Aldrich； 3-氨丙基三乙氧基硅(APTES，98%)購自Alfa Aesar.

1.2 載藥涂層的制備

將大小為20 mm×20 mm×0.2 mm的316L不銹鋼片置于異丙醇溶液中超聲波清洗2 h，取出，水洗、 干燥后置于質(zhì)量分數(shù)為65%～68%濃硝酸溶液中，密閉浸泡6 h，取出，水洗、 干燥. 將不銹鋼片浸入0.05 mol APTES的乙醇溶液中，浸泡0.5 h，取出，室溫晾干.

表1為制備L-DOPA改性的SiO2-PEG載藥涂層的配方及工藝. 分別量取44.6 mL TEOS、 70 mL乙醇和21.6 mL H2O，混合攪拌3 h后，滴加鹽酸調(diào)節(jié)pH值為3，繼續(xù)攪拌2 h. 加入3.6 g PEG6000，按照表1的配方，在不同溫度下繼續(xù)攪拌24 h，滴加APTES調(diào)節(jié)溶液pH值至中性. 按配方加入L-DOPA，繼續(xù)攪拌120 h，冷卻. 量取20 mL 溶液，加入阿司匹林，攪拌均勻后采用提拉法在預處理后的不銹鋼片表面鍍膜，干燥，即制得載藥涂層樣品. 采用立式金相顯微鏡觀察制備的SiO2-PEG體系涂層的表面形貌.

表1 L-DOPA改性的SiO2-PEG載藥涂層的制備

1.3 藥物釋放試驗

磷酸鹽緩沖液(PBS)的配制： 分別稱取30.8 g磷酸氫二鈉和15.6 g磷酸二氫鈉，溶于1 000 mL蒸餾水中，制得0.1 mol的PBS(pH=7.4).

將載藥涂層樣品放入密閉容器中，加入10 mL PBS緩沖液作為釋放介質(zhì)，置于恒溫振蕩箱中，溫度設(shè)定為37 ℃，振蕩頻率為120 r·min-1. 在特定的時間點取出10 mL PBS, 添加同體積的新鮮釋放介質(zhì), 用紫外-可見吸收光譜法對取出的PBS溶液進行測試，由在296 nm處阿司匹林的特征吸收峰強，根據(jù)標準曲線，計算并繪圖得到阿司匹林的體外釋放曲線.

2 結(jié)果與討論

2.1 L-DOPA改性SiO2-PEG載藥涂層的形成機理

TEOS在溶液中會逐漸水解并發(fā)生縮聚反應(yīng)，最后生成SiO2, 詳見圖1中結(jié)構(gòu)式(1)～(4)所示. 當反應(yīng)進行到一定程度時，加入PEG，其羥基與TEOS反應(yīng)過程中硅酸的Si-OH形成氫鍵, 構(gòu)成三維骨架[10]，如結(jié)構(gòu)式(5)所示. 有機-無機雜化體的形成，可限制單個無機顆粒長大； 同時，PEG對縮聚后的顆粒具有交聯(lián)和包覆作用，形成環(huán)狀有序的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征，使簇團粒度逐漸增大，成膜性顯著提高. 但在某些使用場合，SiO2-PEG涂層仍會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，并且與基體的黏結(jié)性較差[8].

L-DOPA在溶液中會發(fā)生一系列的氧化、 交聯(lián)反應(yīng)，如結(jié)構(gòu)式(6)所示，反應(yīng)產(chǎn)物富含酚羥基. 仿生學研究表明，L-DOPA具有良好的生物黏結(jié)性，這種黏結(jié)性主要來源于豐富的酚羥基[11-13]. 此外，L-DOPA的苯酚基團還可與金屬材料螯合形成不可逆的有機金屬螯合物. Lee 等[14]發(fā)現(xiàn)，歸功于L-DOPA的高親和力和化學多功能性，其與潮濕的金屬氧化物表面之間存在良好的非共價結(jié)合的親和力，可實現(xiàn)有機物與金屬等不同材料之間的表面黏附功能. 本文中，L-DOPA的引入有利于提高SiO2-PEG涂層的內(nèi)聚力，增強涂層強度，降低涂層脆性，改善其黏結(jié)力.

圖1 L-DOPA改性SiO2-PEG載藥涂層的形成機理示意圖Fig.1 Forming mechanism of L-DOPA modified SiO2-PEG coatings

2.2 L-DOPA添加量對載藥涂層釋放性能的影響

根據(jù)表1配方1～5號，在SiO2-PEG涂層溶液中分別加入不同含量的L-DOPA，考察L-DOPA添加量對涂層中阿司匹林釋放性能的影響. 圖2是添加不同L-DOPA含量的SiO2-PEG涂層的三維立體顯微形貌.

圖2 不同L-DOPA添加量的涂層表面金相顯微圖Fig.2 Surface morphology of coatings with different L-DOPA contents

從圖中可看出，加入阿司匹林后，涂層表面出現(xiàn)不同程度的析晶現(xiàn)象. 未添加L-DOPA的涂層，過飽和的阿司匹林晶體一部分析出在涂層表面，另有一部分析出在涂層表層； 隨著L-DOPA添加量不斷增大，表面析出的阿司匹林晶體不斷增多. 添加17.9 mgL-DOPA的樣品出現(xiàn)多層致密的阿司匹林晶體，說明L-DOPA加入越多，涂層內(nèi)部的孔道數(shù)量越少，阿司匹林的飽和裝載濃度也就越低.

圖3 不同L-DOPA添加量的涂層中阿司匹林釋放曲線Fig.3 Aspirin release profiles from coatings with different L-DOPA contents

圖3是不同L-DOPA添加量的藥物涂層中阿司匹林釋放曲線. 由圖可知，L-DOPA的添加量低于11.9 mg時，藥物釋放相對緩慢，大于11.9 mg后，L-DOPA加入越多，藥物釋放越快. 從總體上看，L-DOPA添加量為11.9 mg時，藥物釋放最緩慢. 這主要是由于前驅(qū)體水解縮聚形成SiO2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，加入PEG后在SiO2骨架中形成相互聯(lián)通的孔道，阿司匹林分散在孔道中，可有效控制藥物的擴散釋放[10]. 此外，在水溶液中,L-DOPA易發(fā)生氧化反應(yīng)，生成多巴醌.L-DOPA和多巴醌進一步發(fā)生反歧化反應(yīng)導致其交聯(lián)聚合，除了在涂層中起到強化涂層機械性能、 增加粘結(jié)性的作用以外，同時導致涂層的孔徑減小，進一步降低阿司匹林的擴散速率[15].

2.3 阿司匹林濃度對載藥涂層釋放性能的影響

根據(jù)表1的配方5～9號，在SiO2-PEG涂層溶液中分別加入不同濃度的阿司匹林，考察載藥濃度對涂層中阿司匹林釋放性能的影響. 圖4是裝載不同濃度阿司匹林的涂層三維立體顯微形貌. 由圖可見，未裝載藥物的涂層表面平整光滑. 載藥濃度為2 mg·mL-1的涂層表面無阿司匹林晶體析出，但出現(xiàn)許多細小的凸起，并有群聚的現(xiàn)象，其中帶有少量的白色斑片. 載藥濃度為4 mg·mL-1的涂層表面光滑，未見任何阿司匹林晶體析出，但表層下面有明顯的阿司匹林柱狀晶體析出. 當所添加的藥物超過了涂層溶液的飽和裝載濃度后，藥物相繼在涂層表層和涂層表面析出晶體. 當濃度增加到6 mg·mL-1之后，涂層表面析出少量的細條狀晶體，濃度繼續(xù)增加到8 mg·mL-1后，涂層表面析出的阿司匹林晶體越來越多.

圖4 裝載不同濃度阿司匹林的涂層表面金相顯微圖Fig.4 Surface morphology of coatings loaded with different aspirin

圖5 裝載不同濃度阿司匹林的涂層中藥物釋放曲線Fig.5 Drug release profiles from coatings loaded with different concentrations of aspirin

圖5是裝載不同濃度阿司匹林的藥物涂層釋放曲線. 由圖可知，濃度越低，藥物釋放越緩慢，其中2 mg·mL-1樣品釋放最為緩慢，3 h內(nèi)釋放了總釋放量的31.8%，到51 h時釋放了總量的94%，出現(xiàn)嚴重的突釋現(xiàn)象. 由釋放曲線可知，藥物濃度越高，突釋現(xiàn)象越明顯，這一方面與藥物裝載量過多有關(guān)，另一方面也與阿司匹林本身的酸性有關(guān)系. 阿司匹林加入涂層溶液中，其酸性會影響SiO2前驅(qū)體TEOS的水解縮聚，阿司匹林濃度太高不利于縮聚過程，形成的SiO2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對疏松，不利于藥物的裝載[16]，涂層的載藥能力有限，超過涂層裝載量的阿司匹林停留在涂層表面或表層，導致釋放時該部分藥物直接溶解在PBS，產(chǎn)生嚴重的突釋現(xiàn)象.

2.4 涂層制備工藝對載藥涂層釋放性能的影響

根據(jù)表1的配方10～12號，在制備SiO2-PEG涂層溶液時采用不同的攪拌溫度，考察攪拌溫度對載藥涂層中阿司匹林釋放性能的影響. 圖6是不同溫度下攪拌24 h各涂層三維立體顯微形貌. 由圖可見，在40 ℃下攪拌24 h后制備的樣品表面光滑平整，無晶體析出. 50 ℃涂層表面也相對平整光滑，但可觀察到少量的點狀阿司匹林晶體，而60 ℃下的涂層表面未觀察到晶體析出，但涂層內(nèi)部表層可見部分柱狀阿司匹林晶體.

圖6 不同溫度下攪拌24 h的藥物涂層表面金相顯微圖Fig.6 Surface morphology of coatings prepared under different stirring temperatures for 24 h

圖7 在不同溫度下攪拌24 h的涂層中阿司匹林的釋放曲線Fig.7 Aspirin release profiles from coatings prepared under different stirring temperatures for 24 h

圖7是在不同溫度下攪拌24 h后制備的涂層藥物釋放曲線，由圖可見，隨著攪拌溫度的升高，藥物釋放速率顯著加快. 40 ℃條件下攪拌24 h后制備的釋藥速率最為緩慢，60 ℃條件下，藥物涂層出現(xiàn)明顯的突釋現(xiàn)象，9 h內(nèi)釋放了總釋放量的95.8%，后續(xù)僅釋放微量的藥物. 可見隨著攪拌溫度的升高，涂層的裝載能力下降，析出阿司匹林晶體. 可能原因是加入L-DOPA時，SiO2前驅(qū)體TEOS仍處于水解縮聚狀態(tài)，溫度的改變對水解縮聚過程會產(chǎn)生很大的影響，溫度越高，乙醇揮發(fā)越快，TEOS未完全水解就進入凝膠狀態(tài)，導致溶液粘度變大，藥物在涂層中的擴散變得緩慢，從而出現(xiàn)涂層內(nèi)部析晶[17]. 釋藥時，析出的藥物晶體迅速釋放至PBS中，導致藥物的突釋現(xiàn)象.

3 結(jié)語

實驗制備左旋多巴改性的SiO2-PEG藥物洗脫支架涂層，以阿司匹林為模型藥物，考察不同配方以及制備工藝制得的載藥涂層中阿司匹林的體外釋放行為，研究影響阿司匹林釋放性能的因素. 實驗結(jié)果表明，添加L-DOPA可延緩阿司匹林的釋放，但L-DOPA加入過多可導致藥物釋放速度加快. 涂層中阿司匹林的釋放速率隨著其裝載濃度的增加而加快. 制備涂層時的攪拌溫度可影響涂層溶劑揮發(fā)的速度，進而改變涂層結(jié)構(gòu)，影響阿司匹林的釋放速率.