半纖維素基阿維菌素載藥微囊的制備及性能

張林雅，薛偉，顧麗敏

（河北科技大學(xué)化學(xué)與制藥工程學(xué)院，河北石家莊050018）

在人類賴以生存的大自然中，植物木質(zhì)纖維素是自然界中極為豐富的植物資源，植物木質(zhì)纖維素主要由3 種成分組成，即木質(zhì)素、纖維素和半纖維素。其中的半纖維素為無定形物質(zhì)，聚合度低、吸水易潤脹，組成半纖維素的結(jié)構(gòu)單元主要有D-木糖基、D-甘露糖基、D-葡萄糖基、D-半乳糖基和D-阿拉伯糖基等[1-3]。半纖維素的聚合度一般為150～200，糖單元中除了葡萄糖分子，還可能有木糖、半乳糖、甘露糖、阿拉伯糖、葡萄糖醛酸和半乳糖醛酸等多種混雜形式存在[4]。這種多類型支鏈和不定形結(jié)構(gòu)以及不同類型的多官能團(tuán)，如醛基、羥基、羰基、甲氧基、醚鍵等，賦予了不同半纖維素復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，同時(shí)拓展了不同半纖維素的應(yīng)用空間[5]。半纖維素作為一種富饒的天然可降解植物資源，近年來，有關(guān)其改性及功能化的應(yīng)用研究不斷深入及拓展，成為可再生資源在綠色化工方面的一個(gè)重要方向[6-8]。

載藥微囊是選擇一定的基體為壁材，使藥物在體系內(nèi)維持一定的濃度，并且達(dá)到有效釋放[9]。載藥微囊具有保護(hù)藥物、減少用藥次數(shù)、延長持效期、提高藥物利用率、減少環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)藥行業(yè)中已有非常廣泛的應(yīng)用[10-13]。載藥微囊的制備方法包括界面聚合法[14]、原位聚合法[15-16]和凝聚法等[17-18]。其中原位聚合法較為簡單易行，具有載藥量高、成球性好、成本低、粒徑和壁厚可控等優(yōu)點(diǎn)。王鐳等[19]以原位聚合法制備了脲醛樹脂毒死蜱微囊，殼芯比為0.94，反應(yīng)溫度為40℃，制得的微囊載藥量可達(dá)67.66%。彭濤[20]采用原位聚合法制備脲醛樹脂環(huán)氧樹脂微囊，芯壁比為1.2∶1，pH 為3.0，反應(yīng)溫度為70℃，載藥量為62%，粒徑分布較均勻，平均粒徑約160μm。

阿維菌素是一種高毒性的十六元大環(huán)內(nèi)酯類化合物，在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于寄生蟲、線蟲和體外寄生蟲的治療，具有廣譜高效、持效期長、安全性好等特點(diǎn)[21]。其缺點(diǎn)是光解性強(qiáng)、容易失效，而目前市面上廣泛采用是阿維菌素乳油劑型，內(nèi)含大量有機(jī)溶劑，對環(huán)境污染造成了極大影響[22]。將半纖維素作為微囊原料，制備半纖維素基阿維菌素載藥微囊，可賦予載藥微囊優(yōu)異的降解性和生物相容性，達(dá)到環(huán)境友好和高效持久的目的，在藥物載體和綠色化工領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用研究價(jià)值。

本研究以黏膠生產(chǎn)廢液中提取的半纖維素、甲醛和尿素為原料，通過原位聚合法制備出半纖維素基阿維菌素載藥微囊（HDCM），包覆過程如圖1所示。探討制備條件對HDCM 載藥量的影響，利用電子顯微鏡、紅外光譜、激光粒度分析儀分析表征HDCM 的分子結(jié)構(gòu)和微觀形貌，考察HDCM 的熱降解和儲(chǔ)存穩(wěn)定性能，并研究其釋放動(dòng)力學(xué)，確定釋放性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑

半纖維素（HC，木糖75%～83%，甘露糖10%～12%，葡萄糖6%～11%，半乳糖0.9%～1.4%，葡萄糖酸醛＜0.8%），工業(yè)品，唐山三友集團(tuán)；無水氯化鋰（LiCl）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、聚乙烯醇（PVA）、間二苯酚、尿素、甲醛、乙腈、丙酮、甲醇、辛基苯酚聚氧乙烯醚（OP-10），化學(xué)純，石家莊市現(xiàn)代試劑公司；阿維菌素原藥，工業(yè)品，石家莊威遠(yuǎn)生物化工有限公司。

1.2 載藥微囊的制備

1.2.1 阿維菌素乳液的制備

稱取1g 阿維菌素原藥加入到50mL 蒸餾水中，滴加0.06g 乳化劑OP-10，攪拌均勻，利用高速分散機(jī)乳化10min，得到阿維菌素乳液。

1.2.2 半纖維素載藥微囊預(yù)聚體的制備

將1.0g LiCl 溶解于30mL DMF 中，加入1.0g HC 升高溫度至85℃，抽真空使HC 完全溶解，然后分別加入25.0g 甲醛和8.0g 尿素，攪拌30min，隨后加入0.5g PVA 和間二苯酚，待完全溶解后降至40℃，調(diào)節(jié)pH至9，反應(yīng)1h制得預(yù)聚體。其中，PVA 與間二苯酚作為系統(tǒng)穩(wěn)定劑防止微囊粘連聚沉在一起[23]。

1.2.3 載藥微囊HDCM的制備

HDCM的制備如圖2所示，將阿維菌素乳液與預(yù)聚體攪拌30min，混合均勻，體系溫度升至65℃并調(diào)節(jié)pH 至3.5，反應(yīng)3h 結(jié)束，體系降至室溫，經(jīng)離心、洗滌、烘干得微囊HDCM。

圖2 載藥微囊HDCM的制備

1.3 測試及表征

1.3.1 阿維菌素標(biāo)準(zhǔn)曲線建立

稱取0.01g 阿維菌素原藥溶于100mL 甲醇中，加入1000mL 蒸餾水稀釋，超聲分散10min，制備出100mg/L阿維菌素溶液，按照同樣的方法分別制備1mg/L、5mg/L、10mg/L 和50mg/L 的阿維菌素溶液。以甲醇溶液作空白參照，利用紫外分光光度計(jì)對阿維菌素溶液在200～800nm 范圍內(nèi)進(jìn)行全波段掃描，分別記錄不同濃度的阿維菌素溶液在245nm處出現(xiàn)的吸光度數(shù)值[24]。阿維菌素的標(biāo)準(zhǔn)曲線和擬合方程如圖3所示。

圖3 阿維菌素的標(biāo)準(zhǔn)曲線

1.3.2 載藥量測定

用電子天平精確稱取m1=0.1g 的微囊，在研缽中充分磨碎，將磨碎的微囊加入到50mL 丙酮中浸泡并持續(xù)攪拌，使微囊的囊壁充分溶解，每隔24h過濾掉已溶解的囊壁并用丙酮多次洗滌，再倒入50mL 丙酮繼續(xù)浸泡，重復(fù)上述操作兩次，將3 次過濾得到的濾液進(jìn)行干燥稱重得m2，計(jì)算載藥量X按式(1)計(jì)算[24]。

1.3.3 表征與形貌

利用溴化鉀進(jìn)行壓片，采用Thermo Nicolet Nexus 670 紅外光譜儀對HDCM 樣品在頻率區(qū)間500～4000cm-1的范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，得到HDCM的紅外光譜圖。稱取0.1g HDCM 樣品，將其分散于50mL 蒸餾水中，攪拌10min，得到HDCM 的分散液，吸取0.5mL分散液于表面皿上，利用100CX-2電子顯微鏡觀察載藥微囊的形貌。

1.3.4 粒徑

將0.1g HDCM樣品加入到50mL蒸餾水中，攪拌10min，得到均勻分散的HDCM溶液。設(shè)置激光粒度儀的折射率為1.33，超聲時(shí)間60s，分散介質(zhì)為水。樣品池中滴加少量的HDCM分散液，采用WJL-602激光粒度分析儀測定其粒徑以及粒度分布。

1.3.5 熱失重（TGA）和恒溫?zé)岱€(wěn)定性

準(zhǔn)確稱取0.005g 載藥微囊，采用STA 449C（NETZSCH）同步熱分析儀測定熱失重曲線，設(shè)置溫度范圍為0～300℃，升溫速率為10℃/min。將0.05g樣品置于55℃下測定恒溫?zé)岱€(wěn)定性，追蹤測定樣品質(zhì)量的變化，時(shí)間間隔為2h，測量時(shí)間為10h。

1.3.6 儲(chǔ)藏穩(wěn)定性和釋放動(dòng)力學(xué)

稱取0.1g HDCM 樣品，分別以30mL 水、乙腈和乙腈水溶液為介質(zhì)，常溫?cái)嚢杈鶆?，采用TU-1810 紫外分光光度計(jì)測定樣品在245nm 處的吸光度。釋放動(dòng)力學(xué)選取時(shí)間間隔為12h，測定介質(zhì)中阿維菌素濃度的變化，計(jì)算累積釋放量。儲(chǔ)藏穩(wěn)定性選取每隔7天測定水中阿維菌素濃度的變化，計(jì)算累積釋放量。累積釋放量的計(jì)算按式(2)進(jìn)行[25]。

式中，Mt為t時(shí)間內(nèi)阿維菌素的累積釋放量，mg；Ct為t時(shí)刻測定的阿維菌素在釋放介質(zhì)中的濃度，mg/L；v為每次取出的釋放介質(zhì)體積，mL；V為釋放介質(zhì)的總體積，mL。

采用不同的釋放模型方程擬合，釋放模型方程如式(3)～式(6)所示[26-27]。

式中，Mt為t時(shí)刻的釋放量；M∞為最終的恒定釋 放 量， mg；k0、kH、km分 別 為Zero-order、Higuchi 和Makoid-Banakar 的 模 型系 數(shù)，mg/h；k1為First-order模型系數(shù)，h-1；n為擴(kuò)散指數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 載藥微囊HDCM的最佳制備條件

圖4 制備條件對HDCM載藥量的影響

芯壁質(zhì)量比、pH 和溫度對于載藥微囊的載藥量及粒徑分布的影響如圖4和圖5所示，對粒徑大小的影響如圖6所示。當(dāng)芯壁質(zhì)量比較小時(shí)，不利于壁材完整包覆阿維菌素，HDCM 的載藥量較低。隨著壁材質(zhì)量比例增大，載藥量提高，同時(shí)HDCM的粒徑逐漸變大。當(dāng)芯壁質(zhì)量比為1∶34時(shí)，微囊的載藥量最大，粒徑最小為38.2μm。但壁材含量過多時(shí)，容易造成壁材的彼此粘連，進(jìn)而導(dǎo)致HDCM載藥量的下降和粒徑增大。酸性條件下有利于HDCM 的制備，當(dāng)pH 較低時(shí)，預(yù)聚體發(fā)生聚合反應(yīng)的速率較慢，載藥量和粒徑較小，而pH 較高時(shí)，易造成HDCM乳液的破乳絮凝，引起載藥量下降。當(dāng)pH=4 時(shí)，粒徑最小為46.9μm。HDCM 載藥量直接受制備溫度的影響，當(dāng)制備溫度較低時(shí)，壁材預(yù)聚體的合成屬于親電取代反應(yīng)，溫度低導(dǎo)致電子云密度降低，不利于預(yù)聚體的形成，壁材聚合速度慢，載藥量較小。而溫度的上升可加快壁材聚合速度，提高載藥量，但過高溫度易引起HDCM乳液的破乳，同時(shí)諸多副反應(yīng)發(fā)生造成壁材的相互團(tuán)聚，引起載藥量下降和粒徑增加[28-29]。當(dāng)反應(yīng)溫度為65℃時(shí)，微囊的載藥量最大，粒徑最小為38.8μm。探討制備HDCM的適宜條件為芯壁質(zhì)量比1∶34、pH=3.5、溫度65℃左右，在此條件下HDCM的粒徑較小，載藥量可達(dá)到66.5%。

2.2 載藥微囊HDCM的FTIR 表征

阿維菌素原藥和HDCM 的紅外譜圖如圖7 所示，阿維菌素表現(xiàn)出的特征峰包括3345cm-1處的—OH 吸收峰、1739cm-1處的—C==O 吸收峰、2953cm-1和1350cm-1處的—CH3和—CH 吸收峰、729cm-1和582cm-1處 的 苯 環(huán) 吸 收 峰、1152cm-1處的—C—O—C 吸 收 峰，而HDCM 在3318cm-1、1658cm-1和1553cm-1處出現(xiàn)新的特征吸收峰，歸屬于—NH—C==O 鍵，并且1152cm-1處—C—O—C 的吸收峰更加明顯，表明完成了載藥微囊的包覆過程。圖6(b)中不同載藥量載藥微囊的紅外譜圖曲線高度重合，并且隨載藥量的增大，—NH—C==O 以及—C—O—C的特征吸收峰呈愈加明顯的趨勢。

圖5 不同制備條件下HDCM的粒徑分布

圖6 不同的影響因素對HDCM粒徑的影響

圖7 阿維菌素、HDCM和不同載藥量HDCM的FTIR譜圖

2.3 載藥微囊HDCM的形貌

載藥量分別為19.4%和66.5%微囊的SEM圖如圖8所示。由圖可知，低載藥量微囊的包覆情況不理想，只有極少部分載藥微囊出現(xiàn)，存在大量沒有包覆的壁材或者包覆不完整的現(xiàn)象，粒徑不均一并且出現(xiàn)微囊相互交聯(lián)的狀況。而高載藥量的載藥微囊分布均勻，分散性較好，包覆效果好且沒有出現(xiàn)交聯(lián)破囊的現(xiàn)象。

2.4 載藥微囊HDCM的熱分解性

阿維菌素原藥和載藥微囊HDCM 的熱分解曲線如圖9所示。從圖中可以看出，阿維菌素原藥的熱分解主要分為3 個(gè)階段：第一階段在30～100℃，主要為溶劑揮發(fā)，質(zhì)量損失在5%～10%；第二階段在100～230℃，是阿維菌素末端羥基以及醚鍵的裂解階段，損失質(zhì)量為總質(zhì)量的25%左右；第三階段在230～300℃，是阿維菌素骨架斷裂以及微囊炭化的階段，損失質(zhì)量為總質(zhì)量的30%左右，該階段的最大分解溫度為261℃。HDCM 的熱分解溫度比阿維菌素原藥有所提高，其最大分解溫度為272℃，其主要原因是微囊囊壁形成積炭沉積在阿維菌素的表面，形成了一層隔絕氧氣和傳熱的保護(hù)層，延緩了阿維菌素的進(jìn)一步分解，宏觀上表現(xiàn)為HDCM的熱穩(wěn)定性提高[30-31]。

2.5 載藥微囊HDCM的恒溫?zé)岱€(wěn)定性

阿維菌素原藥和HDCM 的恒溫?zé)岱€(wěn)定性對比如圖10 所示，包覆后HDCM 的熱穩(wěn)定性明顯優(yōu)于阿維菌素，HDCM的熱降解量要少于阿維菌素。阿維菌素原藥的降解率在10h 后達(dá)到了12.1%，而載藥量為66.5%的HDCM 降解率僅為5.2%。不同載藥量的載藥微囊在相同的溫度下保持著類似的熱穩(wěn)定性，并且與之前的熱降解性分析結(jié)果相符合。載藥量的高低影響著降解量，載藥量越高相對應(yīng)的熱降解量就越低。高載藥量HDCM 的囊壁更加均勻，表現(xiàn)為其熱降解量較小一些，恒溫?zé)岱€(wěn)定性有所提高，保護(hù)效果明顯。

2.6 載藥微囊HDCM的儲(chǔ)存穩(wěn)定性

不同溫度下載藥微囊HDCM 的儲(chǔ)存穩(wěn)定性對比如圖11 所示，囊外濃度隨儲(chǔ)存時(shí)間及儲(chǔ)存溫度的增加呈緩慢增長趨勢。HDCM交聯(lián)網(wǎng)狀的囊壁具有一定的韌性和強(qiáng)度，其藥物釋放性隨著時(shí)間延長和溫度升高逐漸表現(xiàn)出來。HDCM 在低溫（0℃）的條件下28 天內(nèi)沒有明顯變化，其囊外濃度僅從4.85mg/L增加到16.98mg/L，增長量僅為12.13mg/L，增長幅度較小。而在較高溫度或較長時(shí)間之后，釋放速度可迅速提高，溫度為50℃時(shí)，其囊外濃度從10mg/L增長到32.5mg/L，增長明顯，說明溫度可以影響HDCM的藥物可控性。

2.7 載藥微囊HDCM的釋放動(dòng)力學(xué)

載藥微囊HDCM 的釋放動(dòng)力學(xué)研究有助于深入了解HDCM的可控釋放性。阿維菌素、HDCM在不同溶劑中的釋放曲線圖如圖12 所示，其相關(guān)釋放模型的動(dòng)力學(xué)參數(shù)列于表1～表3 中。阿維菌素、HDCM在水中的累積釋放率都呈現(xiàn)先快速增大然后緩慢增加的趨勢。阿維菌素的累積釋放率在12h之內(nèi)即達(dá)到了83.8%，而HDCM 的累積釋放率在24h之后才逐漸增大，12h 時(shí)其釋放率僅為33.7%，表明HDCM 具有極好的緩釋性能。表1 中，阿維菌素、HDCM在水中Makoid-Banakar模型的擬合參數(shù)R2分別為0.799 和0.723，較之其他模型更接近1，表明其釋放過程更好地滿足了Makoid-Banakar 模型機(jī)理。同理，表2 和表3 中，阿維菌素、HDCM在乙腈和乙腈水溶液中的Makoid-Banakar 模型擬合參數(shù)R2均達(dá)到0.9 以上，滿足Makoid-Banakar 模型釋放機(jī)理。

圖8 不同載藥量的HDCM的SEM圖

圖9 阿維菌素和HDCM的TGA/DTG曲線圖

圖10 不同載藥量載藥微囊HDCM的恒溫?zé)崾е?/p>

在Makoid-Banakar 模型的釋放機(jī)理中，當(dāng)擴(kuò)散指數(shù)n＜0.45 時(shí)，藥物的釋放機(jī)制為Fick 擴(kuò)散；當(dāng)0.45＜n＜0.89 時(shí)，藥物的釋放機(jī)制為non-Fick；當(dāng)n＞0.89 時(shí)，藥物的釋放機(jī)制屬于骨架溶蝕。表1～表3中的數(shù)據(jù)表明，阿維菌素和HDCM在水、乙腈和乙腈水溶液中，Makoid-Banakar模型的擴(kuò)散指數(shù)均滿足n＜0.45，其釋放機(jī)理屬于Fick擴(kuò)散。阿維菌素從HDCM 中釋放出來的速率主要受擴(kuò)散速率的影響，隨著外界溫度、酸堿性、水流運(yùn)動(dòng)等環(huán)境因素的變化，HDCM的穩(wěn)定性隨之改變，進(jìn)而引起水分進(jìn)入HDCM 內(nèi)部，阿維菌素從HDCM 內(nèi)部釋放出來[32-33]。

圖11 不同溫度下載藥微囊HDCM的儲(chǔ)存穩(wěn)定性

圖12 阿維菌素、HDCM在不同溶劑中的釋放曲線

表1 阿維菌素、HDCM在水中的釋放模型擬合

表2 阿維菌素、HDCM在乙腈中的釋放模型擬合

表3 阿維菌素、HDCM在乙腈水溶液中的釋放模型擬合

3 結(jié)論

以半纖維素為基體，利用原位聚合法制備了阿維菌素載藥微囊HDCM，通過制備條件、熱降解性、儲(chǔ)存穩(wěn)定性和釋放動(dòng)力學(xué)研究，確定了HDCM的載藥量、熱分解性及釋放性能，得到以下結(jié)論。

（1）HDCM的載藥量和粒徑受芯壁比、溫度和pH等影響較大，較低或較高的芯壁比、溫度和pH會(huì)造成HDCM 相互粘連從而影響載藥量以及粒徑?？刂菩颈诒取囟群蚿H 等影響因素在合適的范圍內(nèi)，可制備出載藥量較高、粒徑較小且均一穩(wěn)定的HDCM。

（2）HDCM的熱降解性能和儲(chǔ)存穩(wěn)定性能較阿維菌素原藥有所提高，表明HDCM 的囊壁起到提高熱穩(wěn)定性以及對外界環(huán)境的隔離作用。

（3）阿維菌素原藥在水中的累積釋放率在12h之內(nèi)達(dá)到83.8%，而HDCM 的累積釋放率在24h 后才有所增大，12h 時(shí)其釋放率僅為33.7%，表明HDCM具有極好的緩釋性能，可將其應(yīng)用于醫(yī)療藥物載體開發(fā)。