阿維菌素凝膠微球的制備及性能評價

朱海云　高萌萌　張洪悅　楊曉靜　張保華

摘要 以海藻酸鈉和氯化鈣為成球材料，以殼聚糖和PVA為覆膜材料，制備負載阿維菌素的凝膠微球。以載藥率、包封率和溶脹率為主要篩選指標，通過正交試驗優(yōu)化，確定了最優(yōu)制備工藝條件，各組分質(zhì)量分數(shù)：海藻酸鈉1%、氯化鈣4%、殼聚糖2%、PVA 2%、戊二醛1.5%。同時，測定了阿維菌素凝膠微球的溶脹率和緩釋性能。結(jié)果表明，凝膠微球在pH 7時溶脹率最大，溫度和pH對載藥微球的緩釋性能有一定影響。

關鍵詞 阿維菌素;凝膠微球;優(yōu)化;性能

中圖分類號 TQ 460文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2020）16-0146-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.16.040

The Preparation and Performance Evaluation of Avermectin Gel Microspheres

ZHU Hai-yun1， GAO Meng-meng2， ZHANG Hong-yue2 et al

（1.College of Energy and Chemical Engineering， Ningxia Vocational Technical College of Industry and Commerce，Yinchuan， Ningxia? 750021;2. New Pesticide Innovation and Research Institute， Qingdao Agricultural University， Qingdao， Shandong 266109）

Abstract Alginate and calcium chloride were used as ball forming materials， chitosan and PVA as coating materials，gel microspheres loading avermectin were prepared. Taking the drug loading rate， encapsulation rate and swelling rate as the investigation indexs， the preparation conditions were determined by orthogonal experiment optimization，the mass fraction of each component was：sodium alginate 1%， calcium chloride 4%， chitosan 2%， polyvinyl alcohol（PVA） 2%， glutaraldehyde 1.5%. At the same time， the swelling and slow release properties of avermectin gel microspheres were measured. The results showed that the swelling rate of gel microspheres was the largest at pH 7， and temperature and pH had certain effects on the sustained release properties of avermectin gel microspheres.

Key words Avermectin;Gel microspheres;Optimization;Properties

基金項目 寧夏自然科學基金項目（2018AAC03198）;寧夏高?？茖W研究項目（NGY2018209）。

作者簡介 朱海云（1976—），女，陜西乾縣人，副教授，碩士，從事藥物合成與制劑研究。*通信作者，副教授，博士，從事農(nóng)藥環(huán)境友好制劑研究。

收稿日期 2020-04-07;修回日期 2020-04-29

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，常規(guī)農(nóng)藥劑型的利用率低，釋放較快、藥效持續(xù)時間短，且農(nóng)藥流失嚴重導致生態(tài)污染，而農(nóng)藥緩釋技術(shù)可有效地解決此問題。辛露露等[1]、許同桃等[2]以海藻酸鈉為包埋材料制備了載藥微球，實現(xiàn)了藥物的緩釋性能，提高了利用率。

阿維菌素（avermectin，AVM），即阿拂曼菌素[3]，在多種溶劑中具有良好的溶解度。阿維菌素具有殺蟲、殺菌、殺螨作用，此外還有殺線蟲活性，其作用原理是釋放γ-氨基丁酸，抑制節(jié)肢動物的神經(jīng)傳導，從而干擾害蟲的神經(jīng)生理活動[4]。阿維菌素不僅廣泛應用于滅殺螨類和昆蟲，而且在國外也用作寄生蟲的治療[5]。阿維菌素作為生物殺蟲劑中不可或缺的一員，其速效且對環(huán)境和作物安全的優(yōu)點使其具有良好的應用前景，但阿維菌素易受紫外線和微生物等影響而降解失活[6]。

海藻酸鈉（sodium alginate）是一種聚陰離子海藻酸的鈉鹽，其結(jié)構(gòu)中含有多個羥基和羧基官能團，可與多種二價和三價陽離子反應形成水凝膠[7]。海藻酸鈉和鈣離子的反應廣泛應用于凝膠微球的制備，Song等[8]利用內(nèi)源和外源乳化法制備海藻酸鈉、殼聚糖凝膠微球用于食品和生物工程領域;楊軍星等[9]利用海藻酸鈉和鈣離子交聯(lián)，層層包裹殼聚糖，制備了負載血管內(nèi)皮生長因子和萬古霉素的多藥載藥微球。

殼聚糖（Chitosan）又稱為脫乙酰甲殼素，是由甲殼素脫乙酰后而形成[10]。殼聚糖分子中的伯氨基可通過靜電作用與海藻酸鈉中的羧基發(fā)生絡合反應，形成一種聚電解質(zhì)復合膜[11]。聚乙烯醇（簡稱PVA）可以和海藻酸鈉進行復合化學交聯(lián)，形成互穿的網(wǎng)絡水凝膠結(jié)構(gòu)，使制備的凝膠微球具有較高的機械強度，球型更堅挺。王瑩等[12]采用海藻酸鈉和PVA作為包埋劑，以硼酸和氯化鈣的混合液作交聯(lián)劑制備微球，并探討了包埋的最佳理化條件。

筆者以阿維菌素為供試藥物，利用海藻酸鈉和氯化鈣的交聯(lián)反應得到的交聯(lián)材料為載體，制備緩釋微球，然后在微球表面包覆一層PVA和殼聚糖，測定其各項性能，并結(jié)合正交試驗優(yōu)化制備工藝，以得到性能優(yōu)良的阿維菌素凝膠微球，為阿維菌素農(nóng)藥緩釋微球的開發(fā)奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

阿維菌素原藥（96%），河北威遠化工有限公司;海藻酸鈉（化學純），天津博迪化工股份有限公司;殼聚糖（脫乙酰度大于85%），天津化學試劑有限公司;無水氯化鈣（分析純），天津巴斯夫化工有限公司;二甲苯（分析純）、冰醋酸（分析純）、萊陽市康德化工有限公司;烷基酚聚氧乙烯醚、蓖麻油聚氧乙烯醚，青島源鑫達化工有限公司;戊二醛，天津博迪化工股份有限公司。BME100L-X實驗型高速剪切混合乳化機，上海德雨機電設備有限公司;傅里葉變換紅外光譜儀，Nicolet IR200 Thermo Electron Corporation U.S.A;TU-1810紫外可見分光光度計，北京普析通用儀器有限責任公司;ZK-82 B型電熱真空干燥箱，上海滬粵明科學儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 阿維菌素凝膠微球的制備。

分別配制一定質(zhì)量濃度的海藻酸鈉溶液、阿維菌素乳液、殼聚糖冰醋酸溶液、聚乙烯醇溶液、戊二醛溶液和氯化鈣溶液。在高速剪切混合乳化機的剪切（3 000 r/min）下，將配好的阿維菌素乳液逐滴加入到海藻酸鈉溶液中，充分攪拌均勻，用針管（規(guī)格5 mL）將阿維菌素和海藻酸鈉混合乳化液滴到氯化鈣溶液中，保持鈣化30 min，形成阿維菌素凝膠微球，將微球過濾分離清洗后備用。

將所制備的阿維菌素凝膠微球加入到一定質(zhì)量濃度的殼聚糖溶液與PVA的混合溶液中覆膜3 h，加入一定質(zhì)量濃度的戊二醛溶液進一步交聯(lián)，交聯(lián)10 min后用蒸餾水反復沖洗干凈，抽濾分離微球，放入54 ℃烘箱中烘至恒重后取出，即得阿維菌素@海藻酸鈉/殼聚糖/聚乙烯醇復合凝膠微球。

1.2.2 阿維菌素標準曲線。

以甲醇為溶劑配制5、10、15、20、25? mg/L的阿維菌素溶液，甲醇作空白對照，用紫外可見分光光度計在245 nm處測定阿維菌素溶液不同濃度的吸光度（阿維菌素在245 nm處有最大吸光度[13]），得到標準曲線方程：y=0.028 5x+0.115 7，R2=0.994 6，式中，y為吸光度，x為濃度（mg/L）。

1.2.3 阿維菌素凝膠微球載藥率和包封率的測定方法。

按照文獻[1]方法，根據(jù)公式（1）和（2）計算載藥率和包封率。

載藥率 =（球中藥的質(zhì)量/藥球的總質(zhì)量）×100%（1）

包封率 =（球中藥物的質(zhì)量/藥球的總質(zhì)量）×100%（2）

1.2.4 阿維菌素凝膠微球溶脹率測定方法。

精確稱量干燥微球放入不同pH溶液介質(zhì)中溶脹，不同時間點取出，用濾紙吸干表面液體快速稱其質(zhì)量，按照公式（3）計算溶脹率。

溶脹率=[（溶脹微球質(zhì)量-干燥微球質(zhì)量）/干燥微球質(zhì)量]×100%（3）

1.2.5 阿維菌素凝膠微球制備工藝正交優(yōu)化設計。

設置5因素4水平正交試驗，因素及水平見表1，各正交試驗設計見表2。按照“1.2.1”制備阿維菌素凝膠微球，以載藥率、包封率和溶脹率為指標，考察海藻酸鈉（A）、氯化鈣（B）、殼聚糖（C）、PVA（D）和戊二醛（E）5個因素不同質(zhì)量分數(shù)對凝膠微球載藥率、包封率和溶脹率的影響，從而選出最優(yōu)制備工藝。

1.2.6 紅外光譜表征。

采用溴化鉀壓片法，分別取烘干至恒重的阿維菌素原藥及載藥微球適量，于傅里葉紅外光譜儀下4 000～400 cm-1的范圍內(nèi)進行掃描分析。

1.2.7 阿維菌素凝膠微球緩釋性能測定。

分別精確稱取干燥的阿維菌素凝膠微球置于一定體積的介質(zhì)溶液中，分別調(diào)整pH（3、5、7、9）和不同溫度（20、30、54 ℃），間隔一段時間取一定體積溶液測定吸光度，并以相同介質(zhì)補齊，計算溶出濃度，分析微球的藥物緩釋性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 阿維菌素凝膠微球制備工藝的優(yōu)化結(jié)果

馬萍等[14]利用微球重量變化來表示凝膠反應的速率，提出膠凝反應的速度與膠凝劑的用量有關。此外，制備材料用量不同，凝膠微球的成球效果不同，也會影響微球的溶脹率、載藥率和包封率等性能。

以所制備的阿維菌素凝膠微球的載藥率、包封率和溶脹率為考察指標，對制備工藝條件進行優(yōu)化，結(jié)果見表3。根據(jù)試驗結(jié)果，分別以溶脹率、載藥率、包封率為指標進行分析，結(jié)果見表4～6。

由表4可知，與微球溶脹率密切相關的是戊二醛質(zhì)量分數(shù)，戊二醛是交聯(lián)反應劑，譚真等[15]提出戊二醛分子中的醛基與PVA和海藻酸鈉中的氫原子發(fā)生縮醛化反應，增加了微球的交聯(lián)密度使微球不易溶脹。此外，戊二醛用量對成球效果也產(chǎn)生顯著的影響。王碧等[16]提出戊二醛質(zhì)量分數(shù)少會導致微球變少，但戊二醛用量過多，會使微球黏連導致不易成球，從而影響溶脹率。而凝膠微球的載藥率和包封率都與海藻酸鈉、氯化鈣的質(zhì)量分數(shù)有關。海藻酸鈉與氯化鈣的質(zhì)量分數(shù)直接影響了微球的成球效果，海藻酸鈉和氯化鈣的質(zhì)量分數(shù)偏低時，形成的微球結(jié)構(gòu)松散，形狀不規(guī)則，偏高則溶液黏度大，針管擠出困難，不宜成大小均勻的微球，所以海藻酸鈉和氯化鈣的質(zhì)量分數(shù)直接影響了微球?qū)λ幬锏陌d情況，從而影響了微球的載藥率和包封率。

對于載藥微球而言，包封率表示藥物被負載的程度，包封率越高，說明藥物在制備過程中損失越小，載藥率則表示微球包含藥物的多少，會影響到后期的使用濃度和效果，而溶脹率與藥物的緩釋性有一定關系，分別計算各指標隸屬度，綜合評價微球性能，并進一步處理數(shù)據(jù)得到微球制備工藝優(yōu)化參數(shù)，具體結(jié)果見表5、6。

綜合考慮溶脹率、載藥率和包封率3個指標對微球制備工藝的響應性，海藻酸鈉和氯化鈣用量對微球性能的影響大于其他因素，在微球制備中起決定作用。經(jīng)優(yōu)化后得到的微球制備最優(yōu)方案（各物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)）：海藻酸鈉1%、氯化鈣4%、殼聚糖2%、PVA2%、戊二醛1.5%（表6）。

2.2 性能評價

2.2.1 阿維菌素凝膠微球外觀形貌。

從圖1可以看出，空白微球和載藥微球外觀均呈規(guī)則的球形，具有良好的形貌特征。

2.2.2 阿維菌素凝膠微球紅外表征。

阿維菌素（a）譜圖中1 738 cm-1 處為阿維菌素中酯基C=O的吸收峰，在載藥阿維菌素凝膠微球譜圖中也出現(xiàn)了相應的峰，表明凝膠微球包裹了阿維菌素原藥（圖2）。

2.2.3 pH對阿維菌素凝膠微球溶脹性能的影響。

由圖3可知，在酸性條件下（pH為1、3、5），凝膠微球的溶脹性能均低于中性條件下的溶脹性能。隨著時間的延長，微球溶脹性趨于平衡。

2.2.4 阿維菌素凝膠微球緩釋性能。

2.2.4.1 pH對阿維菌素凝膠微球緩釋性能的影響。

由圖4可知，隨著溶出時間的延長，不同pH條件下的溶出度在12 h左右達到最大值，然后趨于平衡。不同pH條件下溶出度曲線顯示，隨著pH增大，尤其為堿性時，藥物溶出度高于其他pH條件，說明pH增加有利于藥物的溶出。

2.2.4.2 溫度對阿維菌素凝膠微球緩釋性能的影響。由圖5可知，在20和30 ℃條件下，藥物的溶出度均隨著時間延長而增加，但總體來看，溫度高有利于阿維菌素的快速溶出。

3 結(jié)論

該研究以海藻酸鈉和氯化鈣為成球材料，以殼聚糖和PVA為覆膜材料，戊二醛為交聯(lián)劑，通過正交試驗優(yōu)化工藝

制備了負載阿維菌素的凝膠微球。最終確定了最優(yōu)制備條

件，各組分質(zhì)量分數(shù)：海藻酸鈉1%、氯化鈣4%、殼聚糖2%、PVA2%、戊二醛1.5%。通過對制備的阿維菌素凝膠微球紅外光譜分析表明阿維菌素被成功包埋在凝膠微球中。阿維菌素凝膠微球的溶脹性能測定結(jié)果表明，凝膠微球在pH=7時溶脹率最大。制備的阿維菌素凝膠微球的藥物溶出性能對溫度和pH具有響應性，隨著pH和溫度的升高溶出度增大，均表現(xiàn)出一定的緩釋性。

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