多胺功能化介孔氧化硅對布洛芬的吸附與pH控釋

王海霞，劉煥蓉，楊恒權(quán)

（山西大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山西 太原 030006）

自2001年介孔氧化硅材料首次應(yīng)用在藥物緩釋以來，掀起了科學(xué)家們對該領(lǐng)域的研究熱潮［1］.Horcajada發(fā)現(xiàn)介孔材料MCM-41的表面功能化基團(tuán)對布洛芬吸附和緩釋有顯著影響［2］.Tang進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)羧基功能化的介孔材料MSU不僅能增大對藥物法莫替丁的吸附量，同時也有緩釋作用［3］.Vallet-Regi使用后嫁接法對MCM-41進(jìn)行氨基修飾，發(fā)現(xiàn)氨基化的MCM-41對布洛芬有明顯的緩釋作用［4］.

布洛芬是一種良好的解熱鎮(zhèn)痛消炎藥，市場需求量較大.但布洛芬在體內(nèi)溶解度較低，對胃腸道黏膜刺激作用較大.藥物控釋制劑可實現(xiàn)藥物靶向釋放，減緩對胃腸道黏膜的刺激作用，提高藥效，因此開發(fā)布洛芬控釋載體具有重要的意義.人體不同部位pH值不同，在發(fā)炎、感染、惡性腫瘤等病變部位的pH值也有別于正常部位［6］，因此pH響應(yīng)性介孔氧化硅藥物控釋系統(tǒng)日益受到研究者們的重視.例如，Yang等通過嫁接法對介孔材料SBA-15的孔道進(jìn)行了羧基化修飾，實現(xiàn)了對古霉素的pH控釋［7］.Deng Feng等通過嫁接法，制備了三胺功能化的介孔氧化硅材料，研究表明該材料對布洛芬具有中等吸附量，并且在不同pH下對布洛芬有控釋作用［8］.然而，嫁接法引入有機(jī)基團(tuán)，通常導(dǎo)致基團(tuán)分布不均，難以實現(xiàn)對介孔材料的區(qū)域選擇性修飾，并且有機(jī)基團(tuán)的負(fù)載量難以控制，從而影響介孔材料對藥物釋放的有效調(diào)控.

針對上述問題，我們通過采用分步共縮聚法，結(jié)合進(jìn)一步化學(xué)修飾，合成了在殼層分布有五胺功能化基團(tuán)的介孔氧化硅納米球，通過XRD、N2物理吸附、TEM、IR和元素分析等對材料的結(jié)構(gòu)和組成進(jìn)行表征，并研究了該材料對布洛芬的吸附性能和pH響應(yīng)性控制釋放行為.

1 實驗部分

1.1 試劑

布洛芬（IBU，中國安耐吉試劑公司，分析純），正硅酸甲酯（TMOS）、四乙烯五胺（TEPA）、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉均購于aladdin試劑公司，分析純，溴乙基三乙氧基硅烷（自制，1H NMR鑒定），十六烷基三甲基溴化銨（CTAC，南京旋光科技有限公司，分析純），甲醇、正己烷、甲苯購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司（分析純）.

1.2 材料的合成

1.2.1 MCM-41的合成

取十六烷基三甲基氯化銨（3.52g，11mmol）、無水甲醇（505mL）、蒸餾水（400mL）、NaOH（1mol／L，2.2mL），置于1000mL的燒瓶中，25℃下攪拌30min后，滴加 TMOS（1.58g，10.44mmol），繼續(xù)攪拌11.5h.靜置后抽濾，用去離子水洗滌2次，再用乙醇回流萃取3次，每次12h，抽濾，真空干燥24h.惰性氣體保護(hù)下，在管式爐中220℃煅燒5h.

1.2.2 MCM-41＠Br的合成

按照1.2.1取十六烷基三甲基氯化銨、無水甲醇、蒸餾水、NaOH溶液，置于1000mL燒瓶中，25℃下攪拌30min后，滴加 TMOS（1.32g，8.7mmol），繼續(xù)攪拌1.5h，再加入 TMOS（0.22g，1.45mmol）和溴乙基三乙氧基硅烷（0.078g，0.29mmol）的混合液，繼續(xù)攪拌10h.按1.2.1的方法進(jìn)行后處理.

1.2.3 MCM-41＠TEPA的合成

稱取1.0g MCM-41＠Br，置于50mL圓底燒瓶中，120℃下抽真空3h，然后加入0.4g TEPA和15 mL甲苯，在惰性氣體保護(hù)下回流24h.冷卻至室溫后，離心，分離沉淀物，用甲苯洗滌2次，再用乙醇洗滌5次，將得到的粉末真空干燥.

1.3 藥物吸附

稱取 MCM-41、MCM-41＠Br和 MCM-41＠TEPA各0.6g，分別置于三個50mL圓底燒瓶中，加入濃度為30mg／mL的布洛芬正己烷溶液，密封，室溫攪拌24h.靜置，離心后分離上清液，稀釋后采用紫外分光光度法在263nm處測定溶液中剩余布洛芬的濃度.將剩余的固體沉淀物分別用正己烷快速沖洗，再經(jīng)室溫風(fēng)干，得到的吸附有布洛芬的材料分別稱為IBU／MCM-41，IBU／MCM-41＠Br，IBU／MCM-41＠TEPA.樣品對布洛芬的吸附量由以下公式計算：

吸附量＝（c0-c1）V1／m0

其中，c0為溶液中布洛芬的初始濃度，c1為溶液中殘余布洛芬的濃度，V1為加入布洛芬溶液的體積，m0為加入介孔材料的質(zhì)量.

1.4 藥物釋放

稱取0.1g IBU／MCM-41、IBU／MCM-41＠Br和IBU／MCM-41＠TEPA各兩份，分別加入到含有100 mL pH值為2.0和7.4的緩沖液的圓底燒瓶中，在37℃條件下攪拌，定時取樣3.0mL，離心，取上清液，用紫外分光光度計掃描其吸收強(qiáng)度.

1.5 表征條件

采用日本理學(xué)D／max-rA型粉末衍射儀（XRD）進(jìn)行物相和結(jié)構(gòu)分析，Cu Kα為射線源，管電壓為40 kV，管電流為100mA，掃描角度分辨率為0.02°，掃描速率為5°／min；美國ASAP2020系列全自動比表面及孔隙度分析儀表征材料比表面積，在液氮溫度（77K）下，以N2為吸附質(zhì)，采用BET計算材料比表面積；TEM照片在日本JEM-2000EX 120kV透射電子顯微鏡下獲得，加速電壓為120kV；IR分析采用美國Thermo Nicolet NEXUS470型紅外吸收光譜儀；元素分析采用德國Vario EL元素分析儀；布洛芬濃度的測定采用北京普析通用儀器TU-1900紫外可見分光光度儀.

2 結(jié)果與討論

2.1 材料合成

在合成介孔材料的過程中采用分步加入硅烷的方法，實現(xiàn)對介孔氧化硅納米球的區(qū)域選擇性功能化［9］.材料制備過程及結(jié)構(gòu)如圖1（P241）所示，CTAC在溶液中組裝形成膠束，第一步加入的TMOS，在堿性的合成體系中與膠束相互作用，經(jīng)水解得到介孔氧化硅內(nèi)核；第二步加入溴乙基三乙氧基硅烷和TMOS，水解后在介孔氧化硅內(nèi)核的表面縮聚形成殼層；這樣就選擇性地將含有溴的有機(jī)基團(tuán)修飾在介孔氧化硅納米球的外殼層，并且分布均勻，溴有機(jī)基團(tuán)的負(fù)載量可以通過加入的含溴硅烷量進(jìn)行控制.然后，再通過與TEPA發(fā)生N-烷基化反應(yīng)將五胺基團(tuán)引入到介孔氧化硅納米球的殼層.

2.2 結(jié)構(gòu)表征

圖1 材料合成過程和結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic illustration for the material synthesis process and structure

圖2（P241）為 MCM-41＠Br和 MCM-41＠TEPA的小角XRD譜圖.MCM-41＠Br在2θ≈2.5°處出現(xiàn)一個明顯的介孔材料特征衍射峰，歸屬于（100）晶面，且峰強(qiáng)度較高，表明材料內(nèi)部具有一定的有序性介孔結(jié)構(gòu).引入TEPA長鏈后，2θ≈2.5°處的衍射峰得以保留，表明引入TEPA長鏈后介孔結(jié)構(gòu)得以基本保持，但峰強(qiáng)明顯降低，這是由于引入有機(jī)基團(tuán)后改變了孔墻和孔道的對比度所引起的.MCM-41＠TEPA N2物理吸附／脫附等溫曲線如圖3所示，其曲線為典型的Ⅳ型曲線，在相對壓力為0.4到0.8之間出現(xiàn)了明顯的毛細(xì)管凝聚現(xiàn)象，表明所合成材料具有豐富的介孔孔道.孔道大小在3.6nm左右，比表面積為443m2／g，孔體積為0.35cm3／g，較大的孔徑與高的比表面有利于布洛芬的吸附.

圖2 MCM-41＠Br和MCM-41＠TEPA XRD圖譜Fig.2 XRD patterns of MCM-41＠Br and MCM-41＠TEPA2000

圖3 MCM-41＠TEPA和IBU／MCM-41＠TEPA N2吸附／脫附等溫曲線Fig.3 N2adsorption／desorption isotherms of MCM-41＠TEPA and IBU／MCM-41＠TEPA

圖4為MCM-41＠TEPA的透射電鏡（TEM）照片.從a圖中可以看到樣品成規(guī)則的球形且尺寸大小均一，直徑在400nm左右.進(jìn)一步放大后（圖b），可以看到小球上有豐富的孔道，且孔道排列規(guī)則，呈放射狀，大小均勻，大約在3～4nm，與N2吸附測定結(jié)果基本一致.

圖4 MCM-41＠TEPA透射電鏡照片：（a）低倍放大；（b）進(jìn)一步放大Fig.4 TEM images of MCM-41＠TEPA：（a）low magnified；（b）more magnified

2.3 組成分析

MCM-41＠TEPA紅外圖譜見圖5（P242）.在1080～1200cm-1處出現(xiàn)了比較寬的特征峰，為氧化硅材料Si-O-Si骨架振動吸收峰；2750～3000cm-1處出現(xiàn)的吸收峰為C-H鍵伸縮振動峰，表明有機(jī)基團(tuán)被成功地引入到材料上；3400～3750cm-1處的寬峰，可以歸屬于材料表面的硅羥基的特征峰，表明材料有機(jī)功能化后仍然保留了豐富的硅羥基，有利于藥物吸附.同時對MCM-41＠TEPA各元素進(jìn)行定量分析，C、N含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別為12.97%、1.1%，C／N為11.63，高于理論值，可能的原因是由于一部分溴乙基被包埋在介孔材料的孔墻中，不易和TEPA充分反應(yīng)；此外孔道中還有少量的模板劑沒有去除干凈，也會引起C比例的增高.N的含量高達(dá)1.1%，表明TEPA被成功引入到材料上.

圖5 MCM-41＠TEPA和IBU／MCM-41＠TEPA FT-IR譜圖Fig.5 FI-IR spectra of MCM-41＠TEPA and IBU／MCM-41＠TEPA

2.4 吸附性能

在相同條件下，不同樣品對布洛芬的吸附量如圖6所示.MCM-41＠TEPA對布洛芬表現(xiàn)出較高的吸附能力，吸附量可達(dá)220mg／g，而 MCM-41、MCM-41＠Br的吸附量分別為140mg／g、120mg／g.MCM-41和MCM-41＠Br可以吸附布洛芬是由于孔道表面的硅羥基和布洛芬分子的-COOH之間發(fā)生氫鍵作用，而MCM-41＠TEPA不僅存在氫鍵作用，并且其殼層分布的胺鏈能與布洛芬分子的-COOH之間形成較強(qiáng)的相互作用，因而MCM-41＠TEPA可以吸附更多的藥物分子.以上結(jié)果表明材料表面功能化對藥物的裝載起著關(guān)鍵作用.MCM-41＠TEPA的吸附量略高于文獻(xiàn)中三胺功能化的介孔氧化硅球［8］，可能是由于所引入的TEPA鏈為五胺基團(tuán)所引起的.

圖6 不同樣品對布洛芬的吸附量Fig.6 Amount of IBU adsorption on different samples

為進(jìn)一步了解布洛芬在材料上的吸附狀態(tài)，對IBU／MCM-41＠TEPA進(jìn)行了紅外表征，見圖5.與未吸附布洛芬的 MCM-41＠TEPA 相比，在1730cm-1、1562 cm-1和1455cm-1處出現(xiàn)了新的吸收峰.1730cm-1出現(xiàn)的弱峰，歸為布洛芬分子中C＝O鍵伸縮振動峰；1562 cm-1出現(xiàn)的吸收峰歸屬于-COO-的非對稱伸縮振動峰，表明布洛芬分子中羧基上的質(zhì)子轉(zhuǎn)移到了胺鏈的-NH-單元上，兩者之間發(fā)生較強(qiáng)的相互作用；1455 cm-1處出現(xiàn)的峰歸屬為C-H鍵彎曲振動峰.以上結(jié)果表明布洛芬分子吸附在了介孔材料上.

IBU／MCM-41-TEPA N2吸附／脫附等溫曲線見圖3.與未吸附布洛芬的MCM-41＠TEPA相比，吸附曲線發(fā)生明顯變化，曲線類型由Ⅳ型變?yōu)棰蛐停?.4-0.8之間的毛細(xì)凝聚現(xiàn)象基本消失，表面積和孔體積顯著下降，分別為83m2／g和0.17cm3／g，進(jìn)一步表明布洛芬分子吸附在了介孔材料的孔道內(nèi).

2.5 控制釋放

由于人體正常體液pH大約為7.4，胃液pH大約為1.5～2.0，因此我們選用pH＝7.4和pH＝2.0條件下進(jìn)行釋放實驗.圖7（P243）是IBU／MCM-41、IBU／MCM-41＠Br和IBU／MCM-41＠TEPA分別在pH＝7.4和pH＝2.0條件下的藥物釋放曲線.圖7（a）IBU／MCM-41＠TEPA的釋放曲線表明，pH較高條件下體系在5min、20min、50min時，釋放率分別達(dá)到44%、58%、73%；pH 較低條件下，5min、20min、50min時，釋放率分別為19%、21%、23%，20min后，釋放率基本保持不變，維持在24%左右.IBU／MCM-41＠TE-PA在pH＝2時表現(xiàn)出與pH＝7.4時不同的釋放行為，具有pH敏感性，達(dá)到了pH控釋的目的.

為進(jìn)一步探索IBU／MCM-41＠TEPA表現(xiàn)pH控釋的原因，我們對IBU／MCM-41和IBU／MCM-41＠Br的釋放行為也進(jìn)行了研究.如圖7（b）所示，IBU／MCM-41體系在pH＝7.4時，布洛芬釋放速率較快，在5min，20min，50min時，釋放率分別達(dá)到了48%，69%，79%，在2h時基本釋放完全；pH＝2.0時，釋放速度有所減緩，5min，20min，50min的釋放率分別為25%，40%，53%，但隨著時間的變化，慢慢接近于pH＝7.4條件下的釋放率，最終和pH＝7.4時的釋放率相當(dāng)，均接近于100%.IBU／MCM-41＠Br體系在pH＝7.4時，布洛芬釋放速率也較快，5min，20min，50min，釋放率分別達(dá)到57%，70%，83%，2h時基本釋放完全；pH＝2時，5 min，20min，50min的釋放率分別為27%，35%，62%，比在pH＝7.4時釋放速率有所減緩，但最終的釋放率與較高pH條件下相當(dāng)，詳見圖7（c）.

以上結(jié)果表明，IBU／MCM-41與IBU／MCM-41＠Br的釋放規(guī)律相類似，均不具有控釋作用，而IBU／MCM-41＠TEPA 具有pH 控釋作用.IBU／MCM-41＠TEPA具有控釋作用可能的釋放機(jī)理如圖8所示，MCM-41＠TEPA殼層分布有多胺長鏈，在pH＝7.4時胺鏈非質(zhì)子化，材料的孔道處于開放狀態(tài)，藥物可以自由地通過孔道釋放出來，因此其釋放率較高；但在pH＝2時，由于氨基結(jié)合質(zhì)子，使胺鏈質(zhì)子化帶有正電荷，同種電荷排斥，胺鏈伸展與周圍胺鏈相互交叉，使材料的孔道閉合，藥物分子被保留于孔道內(nèi)部不能釋放出來，從而實現(xiàn)了控釋目的.需要指出的是，由于材料表面會不可避免地吸附部分布洛芬，從而導(dǎo)致酸性條件下的釋放率并不為零.IBU／MCM-41與IBU／MCM-41＠Br均不具有控釋作用，這是由于無論硅-OH還是-CH2CH2Br均不具有pH響應(yīng)性，且與布洛芬分子之間的相互作用力較弱，因此對藥物的釋放速率無顯著影響.

圖7 在不同pH下布洛芬的釋放曲線：（a）IBU／MCM-41＠TEPA，（b）IBU／MCM-41，（c）IBU／MCM-41＠BrFig.7 Release curve of IBU at different pHs：（a）IBU／MCM-41＠TEPA，（b）IBU／MCM-4and，（c）IBU／MCM-41＠Br

圖8 pH響應(yīng)控制釋放原理示意圖Fig.8 Schematic illustration for the principle of pH-responsive controlled release

3 結(jié)論

本文采用了分步共縮聚法并結(jié)合化學(xué)修飾，合成得到了僅在殼層分布有pH敏感性基團(tuán)的介孔氧化硅藥物控釋材料，該材料具有較大的比表面積和孔容，高度有序的孔道結(jié)構(gòu).MCM-41＠TEPA對布洛芬表現(xiàn)了良好的吸附性能，吸附量高達(dá)220mg／g，略高于文獻(xiàn)值.在pH＝7.4時，布洛芬可以快速釋放，釋放量可達(dá)80%以上；而在pH＝2時，僅有24%的布洛芬被釋放出來，絕大多數(shù)的藥物被保留在材料的孔道當(dāng)中.這種釋放率的差異歸因于殼層多胺基團(tuán)在不同pH條件下質(zhì)子化和脫質(zhì)子化，從而控制孔口開合，達(dá)到pH控釋效果.

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