SiO2-CaO-P2O5-CoFe2O4磁性玻璃陶瓷空心微球的制備及其藥物緩釋性能研究

巫海燕， 李 彬， 羅文欽， 李 菲， 林佳麗， 黃 薇， 楊佳文

(1.湖州師范學院 生命科學學院, 浙江 湖州 313000； 2.湖州師范學院求真學院， 浙江 湖州 313000)

隨著納米技術的發(fā)展，多功能納米材料在生命科學領域的應用越來越受到人們的關注.多孔納米顆粒,如多孔SiO2微球在藥物緩釋中表現出巨大的應用前景[1-3].而磁性納米顆粒，如Fe3O4在腫瘤靶向磁熱療方面表現出巨大潛力[4].Fe3O4@SiO2納米晶集藥物輸運和靶向磁熱療于一體，在腫瘤治療中的應用受到許多研究者的重視[5].但這類材料的生物相容性差，妨礙了其在生命科學領域中的進一步應用[6-7].組分中包含CaO、P2O5的玻璃材料，如SiO2-CaO-P2O5玻璃在人體液中可以礦化出存在于骨骼中的羥基磷灰石相，因而具有很好的生物相容性，在骨科和牙科的修復性材料、骨組織工程、癌癥治療等領域得到了廣泛的應用[8-9].同時，SiO2-CaO-P2O5多孔玻璃空心微球也表現出很好的生物相容性和優(yōu)異的藥物裝載與緩釋性能[10-11].CoFe2O4是另一種優(yōu)異的鐵磁性材料,具有高飽和磁化強度、化學穩(wěn)定性好、矯頑力高等特性，廣泛用于光催化、生物細胞成像等領域[12-13].如果在SiO2-CaO-P2O5中添加CoFe2O4磁性晶粒，可以得到具有磁性、生物活性和藥物緩釋性能的新型玻璃陶瓷材料.

本文采用共沉淀-模板法制備SiO2-CaO-P2O5-CoFe2O4系玻璃陶瓷空心微球，系統(tǒng)研究SiO2、CaO及CoFe2O4組分含量對磁性空心微球形貌和晶化的影響，并將茶堿作為藥物模型，研究SiO2-CaO-P2O5-CoFe2O4空心微球的藥物緩釋行為.

1 實驗材料與方法

1.1 試劑

正硅酸乙酯(分析純，阿拉丁化學試劑有限公司)、Ca(NO3)2·4H2O(分析純，江蘇永華精細化學品有限公司)、Fe(NO3)3·9H2O(分析純，國藥集團化學試劑有限公司)、氨水(分析純，杭州長征化學試劑有限公司)、CoCl2·6H2O(分析純，上海試四赫維化工有限公司)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)過硫酸鉀(分析純，優(yōu)耐德引發(fā)劑(上海)有限公司)、氫氧化鈉(分析純，杭州蕭山化學試劑廠)、無水乙醇(分析純，杭州長征化學試劑有限公司)、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)(分析純，上海伯奧生物科技有限公司).

1.2 材料制備

采用乳液聚合法制備聚苯乙烯(PS)模版小球.取14 mL苯乙烯，分別用25 mL NaOH溶液和去離子水洗滌4次，去除苯乙烯試劑中的穩(wěn)定劑.接著將洗滌完畢的苯乙烯放入三頸燒瓶中，稱取0.5 g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶于100 mL蒸餾水后加入苯乙烯中.稱取0.3 g過硫酸鉀(KPS)溶于20 mL蒸餾水，加入上述混合液中，然后在40 ℃下持續(xù)通氮氣30 min將溶液中的空氣排出.接著將溫度升到70 ℃，待三頸燒瓶中溶液由透明變?yōu)榈榘咨笸Ｖ雇ǖ獨?，反應持續(xù)24 h后停止.得到的白色沉淀用無水乙醇洗滌3次，最后分散于無水乙醇中備用.

取50 mg PS小球分散于25 mL蒸餾水和25 mL無水乙醇混合液中，在40 ℃油浴鍋中攪拌混合均勻.稱取0.078 g 十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)溶于10 mL蒸餾水中，然后加入上述溶液中，同時加入1 mL NH3·H2O(28 wt%).量取一定量的TEOS溶于5 mL無水乙醇中，反應25 min.接著稱取Ca(NO3)2·4H2O、Fe(NO3)3·6H2O、CoCl2·6H2O，加入10 mL水溶解在燒杯中，緩慢滴入燒瓶，繼續(xù)反應24 h后冷卻至室溫.將沉淀離心，并用無水乙醇洗滌1次，沉淀干燥后在馬弗爐里煅燒，先在600 ℃下將PS小球分解，再將樣品放在馬弗爐中850 ℃保溫2 h得到最終產品.

1.3 表征

采用差示掃描量熱法(DSC)分析玻璃微球的熱行為；采用XD-6 X射線粉末衍射儀分析產品的晶相組成；使用日立S-3400N掃描電子顯微鏡(SEM)分析樣品的微觀結構；通過能譜儀(EDS)分析樣品微區(qū)成分元素的種類和含量.

1.4 藥物緩釋實驗

將茶堿(TP)用作藥物模型，研究玻璃陶瓷空心微球的藥物緩釋行為.首先將100 mg的TP溶解于10 mL去離子水，達到10 mg·mL的濃度.然后將30 mg SiO2-CaO-P2O5-CoFe2O4空心微球在超聲下分散于10 mL的TP溶液中，再將混合物在真空下連續(xù)超聲干燥，直至去離子水完全蒸發(fā).將所得粉末用去離子水洗滌以除去殘留的TP.在36.5 ℃下將45 mg裝載了TP的玻璃陶瓷空心微球分散于45 mL的模擬體液中測定藥物釋放行為.模擬體液的配制步驟[14]，在選定的時間間隔內，通過離心取出模擬體液的等分試樣(1 mL)，并用1 mL新鮮模擬體液補充.藥物含量通過紫外分光光度儀測定239 nm處TP的吸光度來測定.藥物釋放行為表示為不同時間的藥物釋放百分比.

2 結果與討論

圖1為SiO250%- CaO25%-P2O55%-CoFe2O420%玻璃微球的TG和DTA曲線.從圖1可以看出，樣品在30～200 ℃有一個明顯的6.4 wt%失重，伴隨著較強的吸熱峰(峰值位置在70 ℃)，這對應著樣品中吸附水的失去.同時在480～670 ℃之間有3 wt%的失重，這是由PS微球熱分解產生的.隨著溫度的升高，850 ℃附近出現較明顯的放熱峰，在這個過程中沒有明顯的失重，結合XRD測試可知，該放熱峰為CoFe2O4晶化峰.

Fig.1 The TG-DTA curves of SiO250%-CaO 25%-P2O55%-CoFe2O420% glass microspheres Fig.2 The XRD patterns of glass-ceramic micropheres with CaO 25%-P2O55% and different SiO2, CoFe2O4contents

下面分析不同組分含量對空心微球晶化行為的影響.圖2為保持CaO含量25%不變，CoFe2O4和SiO2相對含量不同的樣品XRD圖譜.從圖2可以看出，經過800 ℃煅燒2 h后的不同組分樣品，在2θ為29.8°、35.0°、57.0°和62.7°時出現衍射峰，這些衍射峰的位置和強度與CoFe2O4的XRD標準卡(JCPDS No. 22-1086)一致，表明晶化得到了CoFe2O4晶相.當微球中SiO2含量為45%～55%，相對應的CoFe2O4含量為25%～15%時，XRD譜圖上只出現CoFe2O4的衍射峰，沒有其他雜峰出現，表明此時晶化得到的為CoFe2O4純相.當Si含量提高到60%時，出現SiO2的雜質峰(圖2中用星號標示).

同時，保持SiO2含量不變，研究CaO和CoFe2O4相對含量的變化對玻璃晶化行為的影響.圖3為SiO250%比例保持不變，CaO和CoFe2O4相對含量不同的樣品XRD圖譜.從圖3可以看出，不同CoFe2O4含量的樣品都析出CoFe2O4晶相.隨著CoFe2O4在樣品中組分含量的增加，CoFe2O4(311)晶面衍射峰的相對強度逐漸增強，表明CoFe2O4含量的增加有利于玻璃陶瓷中CoFe2O4晶粒沿(311)方向擇優(yōu)生長.

圖4是用乳液聚合方法制得的PS小球在掃描電鏡(SEM)下的照片.從圖4可以清晰地看到PS小球的形貌特征，呈現出明顯的球狀，粒徑大約為260 nm，顆粒尺寸分布均勻.

Fig.3 The XRD patterns of glass-ceramic micropheres with SiO250%-P2O55% and different CaO, CoFe2O4contents Fig. 4 SEM image of the obtained PS microspheres

如圖5所示，在PS小球上進行包覆實驗，選定樣品組分P2O55%、CaO 25%保持不變，改變SiO2和CoFe2O4的百分含量，探究樣品結構形貌的改變.從圖5可以看出，經包覆的樣品經過馬弗爐煅燒后出現有團聚現象.如圖5(a)所示，對于SiO245%-CaO25%-P2O55%-CoFe2O425%玻璃，經過800 ℃煅燒后，微球還能保持較好的球狀，顆粒間黏連程度較輕，顆粒大小均勻，粒徑在300 nm左右.從破裂的小球可以看出，獲得的微米球為空心結構.隨著SiO2含量的增大，空心微球間的團聚程度逐漸增大，且球狀顆粒的破裂情況加劇，說明組分中SiO2含量的增加會加劇球狀顆粒的脆性.從圖5(d)可以看出，當SiO2含量達到60%時,獲得的球形顆粒數量減少，出現大塊團聚的破碎處.

Fig.5 The SEM images of the glass-ceramic micropheres with CaO 25%-P2O55% and

圖6為SiO250%比例保持不變的不同樣品SEM圖.選定樣品組分P2O55%、SiO250%保持不變，改變CaO和CoFe2O4相對百分含量，研究樣品結構形貌的改變.圖6中的(a)、(b)、(c)分別是CaO含量為20%、25%、30%的SEM圖.從圖6可以看出，不同組分的樣品，顆粒還能保持球狀，但隨著CaO相對含量的提高，顆粒的形貌更加完整，顆粒間的粘連減弱.說明在玻璃組分中，一定含量的CaO有助于生成玻璃陶瓷網絡骨架的穩(wěn)定，并能降低顆粒間的燒結粘連.這主要是因為玻璃的CaO是參與形成骨架結構的，而CoFe2O4則起摻雜劑作用，CoFe2O4含量的提高會破壞玻璃陶瓷骨架的穩(wěn)定性.

Fig.6 The SEM images of the glass-ceramic micropheres with SiO2 50%-P2O5 5% and

本文對SiO255%-CaO20%-P2O55%-CoFe2O420%空心微球做了EDS成分分析.由圖7的EDS圖譜表明，空心微球的主要元素組成為硅、氧、鈣、鐵、鈷和磷.通過定量分析，得到不同元素的摩爾含量見圖7.值得注意的是，在納米球中探測到鐵、鈷和鈣的含量比計算的化學計量低得多.這可能是由于在共沉淀過程中Ca、Fe和Co離子沒有完全沉淀.從圖7可以發(fā)現，空心微球玻璃陶瓷中Fe和Co的摩爾比接近2∶1，這與CoFe2O4分子中Fe和Co的比例一致，表明玻璃陶瓷中大部分的Fe和Co主要以CoFe2O4晶粒的形式存在.需要指出的是，Ca和P的含量會影響空心微球的生物活性，Ca和P的含量偏低會導致制備的微晶玻璃生物活性較弱.這也是我們下一步實驗要重點解決的問題.

利用茶堿作為藥物模型分析制備的玻璃陶瓷空心微球的藥物緩釋行為.圖8為SiO255%-CaO20%-P2O55%-CoFe2O420%玻璃陶瓷空心微球的茶堿藥物緩釋曲線.從圖8可以看出，茶堿在微晶玻璃中的緩釋可以分為兩個階段：前9 h為快速釋放階段，在這一階段藥物釋放量占總量的48%左右，藥物緩釋量隨時間變化大致呈線性上升趨勢，其中半小時內釋放量為5.9%；9 h后為藥物緩慢釋放階段，78 h時藥物釋放總量為90%，175 h時藥物釋放量達到96%.可見該樣品具有良好的藥物緩釋能力，是一種較好的藥物載體.

3 結 論

利用聚苯乙烯微球作為硬模版，采用共沉淀法制備SiO2-CaO-P2O5-CoFe2O4磁性玻璃陶瓷空心微球.熱分析表明，制備的玻璃微球在850 ℃有一個明顯的屬于CoFe2O4的晶化放熱峰.XRD結果表明，樣品經過850 ℃煅燒2 h后，從玻璃基質中析出了CoFe2O4的晶化相.XRD和SEM實驗結果表明，玻璃陶瓷的組分對玻璃的晶化和形貌都有重要影響，當玻璃中SiO2組分超過60%時，會從玻璃中析出SiO2雜相，同時得到的空心微球變得易碎.由于在共沉淀中Fe、Co和Ca離子沉淀不完全，導致最終得到的玻璃陶瓷中Fe、Co和Ca元素的含量遠低于加入的化學計量比.此外，本文制備的玻璃陶瓷空心微球具有很好的藥物緩釋性能，在78 h內藥物緩釋量為90%.這種磁性玻璃陶瓷空心微球兼具靶向、磁熱療、生物相容性、藥物緩釋于一體，在腫瘤治療方面有重要應用.