朱日然,丁波,丁勝勇,黃超*,張雅楠
(1.山東中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院藥學(xué)部,山東 濟南 250014;2.煙臺市食品藥品檢驗檢測中心,山東 煙臺 264035;3.山東大學(xué)生物醫(yī)學(xué)傳感工程技術(shù)研究中心,山東 濟南 250100;4.山東大學(xué)齊魯醫(yī)學(xué)院第二醫(yī)院藥學(xué)部,山東 濟南 250033)
骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis,OA)被認為是最常見的關(guān)節(jié)慢性疾病之一[1]。全球約15%的人口患有OA,患者通常持續(xù)出現(xiàn)關(guān)節(jié)疼痛、腫脹和僵硬等癥狀,嚴重限制正?;顒?給生活帶來巨大的負擔(dān)[2-5]。中醫(yī)藥作為一種已經(jīng)應(yīng)用和演進了數(shù)千年的治療體系,以其整體性和系統(tǒng)性的方式在慢性病的預(yù)防和治療中顯示出獨特的優(yōu)勢[6-8]。有研究證明,張仲景《傷寒論》記載的中醫(yī)經(jīng)典方劑-芍藥甘草湯(Shaoyao Gancao Decoction,SGD)對骨關(guān)節(jié)炎有明確的緩解和治療作用,這為OA的治療提供了中國特色方案[9-11]。然而,SGD的使用通常依賴傳統(tǒng)給藥方式(主要是湯劑),這些傳統(tǒng)藥物制劑往往生物利用度偏低,這一定程度上限制了對OA的治療效果[12]。因此,有必要進一步探索新型中藥制劑,以更好地治療OA。
近期,基于微納米材料的藥物遞送系統(tǒng)受到廣泛的關(guān)注,已經(jīng)探索和開發(fā)了一系列新型藥物載體,包括納米/微球、微膠囊、納米乳液和囊泡系統(tǒng)[13-16]。然而,這些藥物遞送系統(tǒng)通常載藥量有限,且一般不具備原位和緩釋治療能力,這難以滿足OA長效治療的需求。水凝膠是由水溶性聚合物鏈交聯(lián)形成的網(wǎng)絡(luò)狀半固體材料[17-19]。得益于豐富的網(wǎng)絡(luò)隔室和可調(diào)的網(wǎng)絡(luò)密度,水凝膠不僅可以裝載大量的藥物,還可以實現(xiàn)藥物的持續(xù)釋放[20-23]。特別是一些溫敏性水凝膠能根據(jù)溫度的變化顯著改變其流變學(xué)性能,使其具有可注射性和原位膠凝性[24-26]。但是常見的溫敏水凝膠通常存在機械強度不足的問題,這會導(dǎo)致水凝膠過早崩解。雖然可以引入一些化學(xué)交聯(lián)劑,通過形成共價鍵來提高機械強度,但這些化學(xué)交聯(lián)劑通常表現(xiàn)出一定的毒性[27]。因此,仍有必要開發(fā)具有足夠機械強度的無毒溫敏水凝膠,以期實現(xiàn)中藥的定位、高載藥量和緩釋遞送。
本文提出了一種用于中藥定位和緩釋遞送的自增強型互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)水凝膠(SR-IPNH)體系,由泊洛沙姆聚合物網(wǎng)絡(luò)和甘草酸(glycyrrhizinic acid,GA)超分子網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)而成。本體系中GA展現(xiàn)了獨特的雙功能特點:①GA作為SGD的抗炎成分,對OA具有顯著的治療作用[28];②GA以高縱橫比自組裝成納米纖維結(jié)構(gòu),并與泊洛沙姆網(wǎng)絡(luò)中相互滲透,使溫敏水凝膠機械強度顯著提高[29-31]。本研究成功制備了上述體系,并對其關(guān)鍵性能,包括流變性、凝膠性、體外可注射性、載藥量、體外釋放行為及穩(wěn)定性作了考察。并且參照穩(wěn)定性研究結(jié)果推薦了SR-IPNH的儲存條件。我們希望SR-IPNH能為中醫(yī)藥治療OA提供新的方法和思路。
泊洛沙姆407和泊洛沙姆188(山東優(yōu)索化工科技有限公司);芍藥苷和甘草酸(西安昊軒生物科技有限公司);乙腈(色譜純,上海星可高純?nèi)軇┯邢薰?。冰醋酸和甲酸[色譜純,阿拉丁試劑(上海)有限公司];氯化鈉和硝酸鉀(西隴科學(xué)股份有限公司)。所有其他使用的試劑均為分析純。所有溶液使用超純水(18.2 MΩ·cm)制備。
2.1 泊洛沙姆溫敏凝膠(PTG)的制備及優(yōu)化稱取泊洛沙姆置入燒杯中,用雙蒸水潤濕并攪拌,然后在4 ℃冰箱中儲存24 h以上,直至得到澄清透明的溶液。隨后探究泊洛沙姆188和泊洛沙姆407的含量(泊洛沙姆188:0%、2%、4%、6%、8%;泊洛沙姆407:16%、18%、20%、22%、24%)對膠凝溫度(GT)的影響,并采用星點設(shè)計(CCD)響應(yīng)面法研究泊洛沙姆188和泊洛沙姆407的最佳配比。通過Design-expert 11軟件,以GT為因變量,以P407(A,%,w/w)和P188(B,%,w/w)為自變量,最后通過試驗結(jié)果對擬合結(jié)果進行驗證。
2.2 膠凝性能拍攝并記錄凝膠在加熱(25 ℃至37 ℃)和冷卻(37 ℃至25 ℃)時的顏色和狀態(tài)變化。取2 mL PTG移入試管中,置于4 ℃水浴。插入精密溫度計后,以1 ℃·min-1的速度緩慢加熱試管。每隔15 s,將試管傾斜90度,當(dāng)凝膠不再流動時,將精密溫度計的讀數(shù)記錄為GT。將結(jié)果平行測定3次,取其平均值。
與GT的測定類似,將2.0 mL的PTG放入5.0 mL的塞式試管中,并將其置于37 ℃的恒溫水浴中。每10 s將試管快速傾斜90度。記錄的時間為液體不能流動時的膠凝時間。平行測定膠凝時間3次,取其平均值。
2.3 SR-IPNH的制備將GA溶于60 ℃的水中,冷卻后,在磁力攪拌下與PTG[P407、P188含量分別為18%、4% (w/w)]混合均勻,制備得到SR-IPNH。研究不同GA濃度(0.5%、1%、3%、5%)對IPN水凝膠溶脹性能和凝膠時間的影響,獲得最佳GA濃度。
2.4 SGD浸膏的制備SGD浸膏按《傷寒論》記載制備。將12.0 g白芍和12.0 g炙甘草浸入至300 mL雙蒸水中并加熱。將溶液煮沸后,緩慢加熱30 min。過濾后,將藥渣在300 mL雙蒸水中加熱25 min。再次過濾溶液,并將兩份濾液放在一起,最后蒸發(fā)得到SGD浸膏。
2.5 高效液相色譜檢測將0.2 g浸膏用70%乙醇溶解在燒杯中,并在倒入10 mL容量瓶中后進行定量。搖晃并過濾后,使溶液通過0.45 μm微孔濾膜。用70%乙醇制備對照品溶液,其中芍藥苷含量為0.88 mg·mL-1,GA含量為0.72 mg·mL-1。所有溶液均采用波長為250 nm的HPLC法測定,HPLC的流動相條件見表1。
表1 HPLC測量的流動相條件
使用芍藥苷和GA濃度分別為0.05~0.88 mg·mL-1和0.04~0.72 mg·mL-1的參考溶液評估線性關(guān)系。制備SGD浸膏,分別檢測芍藥苷、GA含量。
2.6 含SGD的SR-IPNH的制備根據(jù)前面的結(jié)果,測定SGD浸膏中芍藥苷、GA的含量,在SR-IPNH中加入適量的芍藥苷、GA,制備出含SGD的SR-IPNH。簡言之,將P407 (1.68 g)和P188 (0.25 g)放入燒杯中,并在攪拌下加入適量雙蒸水。將混合物在4 ℃冰箱中儲存24 h以上,得到澄清透明的溶液(溶液A)。然后,將GA (0.10 g)溶于60 ℃水中,待溶液冷卻至室溫后,與芍藥苷(0.20 g)混合(溶液B)。最后將溶液A、溶液B在磁力攪拌下混合均勻,加入雙蒸水至處方總重量10 g,得到P407為16.77%、P188為2.52%、GA為1%、芍藥苷為2%的熱敏IPN。所有基質(zhì)濃度均按w/w計算。
2.7 流變性研究將2 mL PTG和SR-IPNH分別置于板直徑為60 mm的流變儀板測量模具上。在旋轉(zhuǎn)模式下進行靜態(tài)剪切速率掃描。在振蕩模式下進行應(yīng)變和頻率掃描。
在旋轉(zhuǎn)模式下,剪切速率設(shè)定在0.1~100 s-1范圍內(nèi),分別在25 ℃和37 ℃下測量了樣品的黏度-剪切速率曲線。在應(yīng)變掃描的振蕩模式下,掃描頻率設(shè)置為1 Hz,應(yīng)變范圍為0.01%~100%。分別在25 ℃和37 ℃測定試樣的儲能模量G′和損耗模量G′隨應(yīng)變的變化范圍,確定試樣在線性黏彈性范圍內(nèi)的應(yīng)變條件。在動態(tài)頻率掃描的振蕩模式下,掃描頻率設(shè)置為0.1~100 Hz。分別在25 ℃和37 ℃下測量凝膠樣品的G′、G″和損耗因子tan δ隨頻率的變化曲線。
2.8 藥物載量研究準確稱取芍藥苷對照品1.71 mg、GA對照品1.44 mg,溶于2.0 mL 70%乙醇中。制備芍藥苷1.98 mg·mL-1、GA對照品1.10 mg·mL-1的混合對照品貯備液。然后,將0.5 g載有SGD的SR-IPNH超聲處理,使其完全溶于10 mL 70%乙醇中。通過HPLC對制備的溶液進行檢測。進樣體積為20 μL,波長設(shè)置為250 nm。
2.9 體外釋放研究將透析袋切成3×3 cm小段,沸水煮10 min,活化后形成半透膜。最后用雙蒸水洗去半透膜。向接收池中加入攪拌器。半透膜放置在接收池和供應(yīng)池之間并固定牢固。向接收罐中加入適量生理鹽水,將擴散罐置于37 ℃水浴中,以300 r·min-1的速度預(yù)平衡30 min。然后將1.0 g荷載SGD的SR-IPNH或原料水溶液均勻覆蓋在供水池的半透膜表面,并用保鮮膜將供水池密封。分別在0.5、1、2、4、6、8、10、12和24 h采集1 mL樣本。每次采集樣本后,加入相同體積和溫度的生理鹽水。將收集的藥液通過0.45 μm微孔濾膜過濾,采用HPLC法對芍藥苷、GA含量進行定量。藥物累積釋放速率(Q)由下式計算,通過繪制累積釋放速率與時間關(guān)系圖繪制體外釋放曲線。
Q=(CnV+∑CiVi)/Q0×100%
V是釋放介質(zhì)的體積,Q0是藥物劑量,Cn是在N時間點采集的樣本的測量濃度,Vi是在I時間點采集的樣本的體積,Ci是在I時間點采集的樣本的測量濃度。
2.10 穩(wěn)定性研究分層試驗中,將兩份SR-IPNH分別在25 ℃和37 ℃下保持20 min。以3 000 r·min-1離心5 min,觀察有無分層。
在確定凝膠溫度試驗中,稱取同批SR-IPNH (5 g)放入西林瓶中密封,置于4、25、37 ℃恒溫烘箱中,分別于第0、5、10天采集標本。待樣品恢復(fù)至室溫后,觀察溫敏凝膠的外觀,并測定凝膠溫度及芍藥苷、GA的含量。
在高濕度試驗中,稱取相同批次的SR-IPNH (5 g)并置于無塞西林瓶中。將樣本置于室溫下相對濕度為75%±5%和90%±5%的容器中,分別于0、5、10 d取材觀察凝膠外觀,并測定GT、芍藥苷、GA含量。
光照試驗中,稱取同批SR-IPNH (5 g),置于西林瓶中密封。置于室溫、強光條件下。第0、5、10天取材,觀察凝膠外觀,測定GT,芍藥苷、GA含量。
2.11 可注射性和體外膠凝能力為考察可注射性,在室溫下通過直徑為0.5 mm的針頭擠出1.0 mL含SGD的SR-IPNH,并將擠出壓力設(shè)定為滲透標準。
在研究體外膠凝能力之前,向1 mL SR-IPNH中加入0.01 mg羅丹明B粉末。采用相同方法制備羅丹明B水溶液。將兩種溶液注入37 ℃水中,觀察溶液在水中的狀態(tài),并對結(jié)果進行拍照和記錄。
3.1 GA與泊洛沙姆的交聯(lián)原理分析泊洛沙姆是由聚環(huán)氧乙烷(PEO)和聚環(huán)氧丙烷(PPO)組成的三嵌段聚合物。其膠凝性能主要取決于親水PEO與疏水PPO的比例,其中PEO為親水端,PPO為疏水端。當(dāng)溫度達到臨界相變溫度時,泊洛沙姆分子形成具有疏水核的親水殼膠束結(jié)構(gòu),從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍虘B(tài)凝膠。
GA結(jié)構(gòu)中含有豐富的羥基和羧基,且其分子間相互作用較弱。同時泊洛沙姆是含羥基的高分子聚合物,因此推測GA與泊洛沙姆之間的氫鍵是促進兩個網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)的關(guān)鍵。GA網(wǎng)絡(luò)和泊洛沙姆網(wǎng)絡(luò)通過氫鍵力交聯(lián),使得凝膠的網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)定,得到的凝膠力學(xué)性能也有所提高。GA與泊洛沙姆的交聯(lián)機理如圖1所示。
圖1 GA與泊洛沙姆的交聯(lián)原理示意圖
3.2 配方優(yōu)化采用中心組合設(shè)計-響應(yīng)面法優(yōu)化泊洛沙姆407、泊洛沙姆188和GA 3種交聯(lián)劑的濃度。
采用Design-expert 11軟件,以膠凝溫度(T)為因變量,以P407用量(A,%,w/w)和P188用量(B,%,w/w)為自變量。檢測不同條件下的膠凝溫度(見表2),計算多元模擬方程。方程為T=29.58-6.70A+2.65B-0.70AB+0.88A2+0.85B2(P<0.000 1,R2=0.991,CV=2.44%)。
表2 CCD-RSM的試驗安排和結(jié)果
該模型對試驗擬合程度高,預(yù)測結(jié)果的可靠性和可重復(fù)性好。根據(jù)回歸方程的系數(shù),各劑用量對膠凝溫度的影響為P407>P188。等高線圖和三維響應(yīng)面圖如圖2~3所示,等高線接近橢圓,響應(yīng)面斜率較小,顏色變化相對較慢推斷P407與P188交互作用對膠凝溫度沒有顯著影響。
圖2 P407和P188相互作用的等高線圖
3個預(yù)測處方驗證結(jié)果見表3,3個處方的標準差均小于2.00%,說明擬合模型的預(yù)測結(jié)果可靠??紤]到輔料用量的減少,最終處方選擇16.77% P407、2.52% P188。
表3 不同條件下的膠凝溫度
不同GA含量下的溶脹狀態(tài)和凝膠時間,結(jié)果見表4。結(jié)果表明,隨著GA含量從0增加到3%,膠凝溫度逐漸降低。當(dāng)GA含量增加到5%時,體系幾乎不膠凝,這可能與GA膠束與泊洛沙姆網(wǎng)絡(luò)過度交聯(lián)有關(guān)。當(dāng)GA含量不超過1%時,凝膠溶脹狀態(tài)良好,當(dāng)GA含量超過1%時,凝膠溶脹變得困難。為增加載藥量,選擇1%作為SR-IPNH制備的最佳GA含量。
表4 甘草酸含量對溶脹情況和膠凝溫度的影響
3.3 流變學(xué)流變性能可用于表征水凝膠的力學(xué)性能。通過測試儲能模量G′、損耗模量G″、損耗因子tan δ隨剪切頻率的變化來評估水凝膠體系的力學(xué)性能。流變性還用于通過測定其黏度與剪切速率的關(guān)系來評估凝膠的可注射性。
如圖3所示,在25 ℃、37 ℃條件下,加入1% GA前后,隨著剪切速率的增加,PTG黏度迅速下降。由此可見,加入1%甘草酸對25 ℃(見圖4A)和37 ℃(見圖4B)PTG性質(zhì)無影響,均為假塑性非牛頓流體。另外,在25 ℃下加入1%甘草酸后,凝膠的黏度降低,更有利于凝膠的室溫注射。在37 ℃時,2種凝膠的黏度較室溫時有所增加,這可能是由于37 ℃時凝膠由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍虘B(tài)所致。
圖3 P407和P188相互作用的三維響應(yīng)面圖
圖4 加入1%GA對25 ℃(A)和37 ℃(B)PTG黏度的影響
G′是材料變形后儲存的能量,反映了樣品的彈性。G″指材料抵抗變形所消耗的能量,反映了樣品的黏性。如圖5A所示,25 ℃時,PTG+GA組和PTG組的G′和G″均隨著頻率的增加而逐漸增加,PTG+GA組的G′顯著高于PTG組,這可能是由于GA與泊洛沙姆在室溫下發(fā)生物理交聯(lián),提高了彈性性能所致。然而,G′和G″的值總體上較低,這可能是PTG在室溫下變成液體的原因。如圖5B所示,在37 ℃時,隨著頻率的增加,PTG+GA組和PTG組的G′呈增加趨勢,而G″呈減少趨勢。與25 ℃比較,兩組凝膠在37 ℃時G′值顯著升高。推測溫度達到相變點后,溫敏凝膠由液態(tài)變?yōu)榘牍虘B(tài),彈性模量顯著增加。在37 ℃時,與PTG組相比,PTG+GA組在0~25 Hz范圍內(nèi)G′較高,在25~100 Hz范圍內(nèi)G′較低。PTG+GA組的G″值在0~100 Hz范圍內(nèi)較低。引入損耗因子tan δ來判斷加入1% GA后力學(xué)性能是否提高。
圖5 加入1%GA對25 ℃(A)和37 ℃(B)PTG彈性的影響
損耗因子tan δ是G″與G′的比值。tan δ越低,系統(tǒng)的彈性比例越大。相反,黏性比例越大。如果tan δ>1,則以黏度為主;如果tan δ<1,則以彈性為主。25 ℃系統(tǒng)見圖6A,PTG tan δ在0~63 Hz范圍內(nèi)升高,在63~100 Hz范圍內(nèi)降低。PTG+GA的tan δ隨著頻率的增加而迅速降低,然后趨于穩(wěn)定。PTG+GA組的tan δ小于1,顯著低于PTG組,表明GA的加入可能在室溫下誘導(dǎo)與泊洛沙姆的分子間交聯(lián)。圖6B所示為37 ℃時的系統(tǒng),PTG和PTG+GA組的tan δ均隨著頻率的增加而迅速降低,然后逐漸穩(wěn)定。此外,與室溫相比,tan δ值均顯著降低,說明溫敏凝膠的彈性模量由液相變?yōu)榘牍虘B(tài)的比例較大。PTG+GA組的tan δ也顯著低于PTG組,說明添加GA的溫敏凝膠在常溫下凝膠化后力學(xué)性能更好。
圖6 加入1%GA對25 ℃(A)和37 ℃(B)條件下tan δ的影響
3.4 膠凝如圖7A所示,SR-IPNH在25 ℃時為淡黃色透明液體,逐漸加熱至37 ℃后呈半固態(tài)。冷卻至25 ℃后,由半固態(tài)恢復(fù)為流動液態(tài)。SR-IPNH與SGD的平均膠凝溫度為35.1 ℃,推測在人體溫度下會發(fā)生相變。
圖7 A.SR-IPNH在不同溫度下的流動性;B.可注射性和體外膠凝能力
如圖7B所示,注入37 ℃水中后,羅丹明B水溶液立即溶解并擴散,而被羅丹明B染色的SR-IPNH呈連續(xù)線形。這表明含SGD的SR-IPNH可在注射部位快速膠凝。此外,該凝膠表現(xiàn)出良好的可注射性和體外膠凝能力。
3.5 藥物荷載GA和芍藥苷是SGD治療OA的有效成分,以其含量為指標考察了SG對SR-IPNH的載藥量。采用HPLC法對凝膠中的兩種成分進行定量(見圖8)。最終工藝制備的SG-SR-IPNH中芍藥苷和GA的含量分別為1.88%和0.86%,與SGD中芍藥苷和GA的含量一致。
A.陽性對照;B.SR-IPNH 1.芍藥苷;2.GA圖8 不同樣品中芍藥苷和GA的HPLC色譜圖
3.6 體外釋放研究圖9A可見,芍藥苷在SR-IPNH中24 h累積釋放率為51.69%±4.80%,在水溶液(API)中為83.28%±1.26%。水溶液的釋放速率在6 h內(nèi)迅速達到峰值,6 h后幾乎停止釋放,芍藥苷在24 h內(nèi)的累積釋放速率逐漸增大,說明芍藥苷能夠順利從SR-IPNH中釋放出來,且具有顯著的緩釋作用。如圖9B所示,24 h內(nèi)GA在SR-IPNH中的累積釋放速率為65.88%±2.99%,在水溶液中為84.99%±4.60%。在所有時間點,GA在SR-IPNH中的累積釋放速率均顯著低于在水溶液中的累積釋放速率。說明GA可以能增強溫敏凝膠的力學(xué)性能,也可以作為藥物緩釋以達到治療目的。
圖9 芍藥苷(A)和GA(B)在不同溫度下的體外釋放曲線
擬合芍藥苷和GA在溫敏凝膠中的體外釋放度曲線,結(jié)果見表5~6。Qt為藥物累積釋放速率,T為體外釋放時間。芍藥苷和GA體外釋放模型擬合方程的相關(guān)系數(shù)均為一級>Ritger-Pappas>零級=Higuchi模型,說明一級釋放模型最符合芍藥苷和GA在SR-IPNH中的釋放規(guī)律。
表5 芍藥苷體外釋放模型的擬合方程
在Ritger-Pappas模型中,當(dāng)n<0.45時,藥物符合Fick擴散。當(dāng)0.45
表6 GA體外釋放模型的擬合方程
3.7 穩(wěn)定性研究在25 ℃和37 ℃離心后,SR-IPNH外觀均勻,無分層。4 ℃、25 ℃、37 ℃貯藏10 d后,外觀、膠凝溫度、指標成分含量均無明顯變化。37 ℃保存時,SR-IPNH為半固態(tài),不適合注射用。建議將SR-IPNH儲存在4~25 ℃的溫度下。含SGD的SR-IPNH在90.5%和75.5%的濕度下儲存10 d,外觀和凝膠溫度無顯著變化。90.5%濕度條件下放置10 d后,芍藥苷、GA含量無明顯變化。而在75.5%濕度條件下,芍藥苷和GA含量隨著放置時間的延長而增加。75%濕度下指標成分含量的增加可能與凝膠中水的蒸發(fā)有關(guān)。因此,建議將SR-IPNH置于密封條件下保存。
含SGD的SR-IPNH在強光照射10 d后,外觀、凝膠溫度和芍藥苷含量均無明顯變化。隨著儲存時間的延長,凝膠中GA含量顯著降低,說明GA在強光條件下可能不穩(wěn)定。因此,建議將SR-IPNH儲存在暗處。
本研究提出了一種用于中藥緩釋的自增強互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)水凝膠體系。GA不僅可作為治療OA的抗炎藥物,還可作為增強凝膠力學(xué)性能的輔助材料。得益于GA聚合物網(wǎng)絡(luò)和泊洛沙姆聚合物網(wǎng)絡(luò)的互穿交聯(lián),在不添加有毒化學(xué)交聯(lián)劑的情況下,提高了IPNH的機械強度。制備的SR-IPNH具有良好的成膠性能和流變性,成功荷載中藥有效成分,并且實現(xiàn)了藥物的定位緩釋。此外,穩(wěn)定性試驗表明,室溫、密閉和黑暗環(huán)境更有利于凝膠的保存。我們期望本研究將對中藥治療OA中提供新的思路和方法支持。