椰殼活性炭對(duì)加替沙星的吸附及緩釋性能研究

張加強(qiáng)，譚非?，肖琳隆，黃彪

(福建農(nóng)林大學(xué) 材料工程學(xué)院，福建 福州 350002)

椰殼活性炭對(duì)加替沙星的吸附及緩釋性能研究

張加強(qiáng)，譚非?，肖琳隆，黃彪

(福建農(nóng)林大學(xué) 材料工程學(xué)院，福建 福州 350002)

研究了水溶液中椰殼活性炭對(duì)喹諾酮藥物加替沙星(GTFX)的吸附性能，測(cè)定了不同溫度下的吸附等溫線并分析了其吸附熱力學(xué)參數(shù)。結(jié)果表明:活性炭對(duì)加替沙星的吸附符合Freundlich方程，ΔH＝-1.737 4 kJ/mol，說(shuō)明活性炭對(duì)GTFX的吸附過(guò)程為放熱過(guò)程，且ΔH＜20 kJ/mol，表明吸附過(guò)程主要為物理吸附。同時(shí)，測(cè)得吉布斯自由能ΔG＜0，表明吸附質(zhì)從溶液到吸附劑表面的吸附過(guò)程是自發(fā)過(guò)程，其吸附主要是熵驅(qū)動(dòng)。對(duì)椰殼活性炭進(jìn)行了硝酸及氨水改性，研究了3種不同活性炭對(duì)GTFX的緩釋性能，結(jié)果顯示，與椰殼活性炭相比，經(jīng)硝酸氧化改性后的活性炭緩釋性能有較大的提升，而經(jīng)氨水改性的活性炭緩釋性能有所下降，3種不同活性炭對(duì)GTFX的緩釋均符合Higuchi方程釋藥模式。

吸附；活性炭；熱力學(xué)；加替沙星；緩釋

活性炭因具有超高的比表面積及很強(qiáng)的吸附能力[1]，可作為解毒劑，吸附有毒成分，治療急性中毒，如用于重度有機(jī)磷中毒、急性重癥毒鼠強(qiáng)中毒等[2-3]，同時(shí)可用于生化系統(tǒng)中吸附肌酐，凈化血液，還可以與膽酸結(jié)合，降低血脂，治療高膽固醇血癥[4]。因此，研究者開(kāi)始關(guān)注活性炭作為醫(yī)藥緩釋載體的應(yīng)用，如用活性炭吸附一些半衰期短、對(duì)正常細(xì)胞損害大、易成癮的藥物，以及增強(qiáng)治療效果的研究等[5]?？股厥且活惼毡槭褂玫乃幬?，但長(zhǎng)期使用會(huì)產(chǎn)生抗藥性，而活性炭作為藥物緩釋劑，不僅可以有效提高藥物的使用效率，而且可以較大程度地減少抗藥性的發(fā)生。目前活性炭作為抗生素載體的吸附及緩釋研究相對(duì)較少。加替沙星(GTFX)是喹諾酮的第四代藥物，是人畜共用抗菌藥，具有廣譜、抗菌力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、療效顯著的特點(diǎn)[6]。本研究對(duì)椰殼活性炭作為載體吸附加替沙星及其緩釋性能進(jìn)行了研究，以期為活性炭作為藥物緩釋劑提供基礎(chǔ)研究。

1 材料與方法

1.1 原料與儀器

加替沙星(GTFX)，純品原料藥，百靈威科技有限公司；椰殼活性炭(AC)，廣州君來(lái)有限公司。紫外分光光度計(jì)，北京普析通用儀器有限公司；SSA-4300型孔隙及比表面分析儀，北京彼奧德電子有限公司。

1.2 活性炭的物性參數(shù)測(cè)定

在77K下用孔隙及比表面分析儀測(cè)定氮?dú)獾奈?脫附等溫曲線。另外，參照國(guó)標(biāo) GB/T 13803.1—1999測(cè)得樣品的亞甲基藍(lán)吸附量為120mL/g，碘值為1100mg/g。

1.3 GTFX標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制

以水為溶劑精確配制不同質(zhì)量濃度的GTFX溶液，向其中加入0.05mol/L的三羥甲基氨基甲烷-鹽酸(Tris-HCl)緩沖溶液，用紫外分光光度計(jì)在GTFX最大吸收波長(zhǎng)282 nm處測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度值，繪制濃度對(duì)吸光度的標(biāo)準(zhǔn)曲線得Y＝-0.024 1＋0.074 3 X，其中，Y為吸光度，X為 GTFX質(zhì)量濃度(mg/L)。

1.4 活性炭吸附GTFX實(shí)驗(yàn)

將100mg的加替沙星(GTFX)加入1000mL pH值為7的Tris-HCl緩沖溶液中作為母液，分別配制15、20、25、30及35mg/L的GTFX溶液，在不同設(shè)定溫度下(30、40、50和60℃)，加入等量的未改性椰殼活性炭，在恒定溫度下震蕩12 h(經(jīng)紫外分光光度計(jì)測(cè)定，此時(shí)GTFX的吸收峰值已穩(wěn)定不變，說(shuō)明已達(dá)到吸附平衡)。采用紫外分光光度法，在282 nm處測(cè)定GTFX的平衡質(zhì)量濃度(Ce)，通過(guò)式(1)計(jì)算活性炭的平衡吸附量(Qe)[7]:

式中:V—溶液體積，L；m—活性炭質(zhì)量，g；C0—GTFX的初始質(zhì)量濃度，mg/L；Ce—GTFX的平衡質(zhì)量濃度，mg/L；Qe—平衡吸附量，mg/g。

1.5 活性炭的改性

準(zhǔn)確稱取1.8 g的椰殼活性炭于250mL的錐形瓶中，加入100mL 25%濃氨水，30℃恒溫條件下，浸泡24 h，用蒸餾水洗滌至洗液呈中性，在110℃條件下烘干，即得氨水改性的活性炭(NH3·H2O-AC)，測(cè)得亞甲基藍(lán)吸附值為110mL/g，碘吸附值為1000mg/g。

將濃氨水替換為濃硝酸溶液，浸泡溫度為 60℃，其他條件相同，即得濃硝酸改性的活性炭(HNO3-AC)。測(cè)得亞甲基藍(lán)吸附值為130mL/g，碘吸附值為1200mg/g。

1.6 緩釋試驗(yàn)

用自制簡(jiǎn)易緩釋裝置，模擬人體腸道內(nèi)中性環(huán)境，做活性炭吸附GTFX的體外釋放試驗(yàn)。將3種不同活性炭各50mg分別加入250mL 100mg/L GTFX標(biāo)準(zhǔn)母液中，并在30℃恒溫條件下吸附至平衡再過(guò)濾，然后在50℃下干燥制得不同種類及適量吸附了GTFX的活性炭樣品。將適量吸附的活性炭樣品分別置于37℃，體積為1 L恒溫溶出杯中，在100 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌下，一定時(shí)間間隔取樣2mL，在分光光度計(jì)上測(cè)定282 nm處的吸光度值，根據(jù) GTFX標(biāo)準(zhǔn)曲線求出藥物濃度，從而計(jì)算出藥物累積釋放量[8-9]。

2 結(jié)果與討論

2.1 椰殼活性炭物性參數(shù)

椰殼活性炭N2吸附脫附等溫線如圖1所示，從圖中可以看出，顆?；钚蕴课椒种ё兓徛?，而脫附分支在中等大小相對(duì)壓力處有一陡的變化，此類吸附等溫線屬于IV型等溫線，表現(xiàn)出活性炭含有中孔孔隙結(jié)構(gòu)的跡象，說(shuō)明除了微孔，活性炭中還有不少數(shù)量的中孔。通過(guò)計(jì)算得到該活性炭BET比表面積為1337.11m2/g，孔容為1.03 cm3/g，平均孔徑為3.09 nm。

2.2 椰殼活性炭對(duì)GTFX的吸附

2.2.1 吸附等溫線 椰殼活性炭吸附GTFX的吸附曲線見(jiàn)圖2，實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，不同溫度(30～60℃)下，椰殼活性炭的平衡吸附量及GTFX的平衡濃度呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)，即GTFX的平衡濃度增加，活性炭的平衡吸附量也隨之增大。相同濃度下不同溫度的吸附線有一定程度的交叉，表明在相同的平衡濃度下，不同溫度在交叉處都可以取得相同的吸附效果，說(shuō)明吸附過(guò)程的熱效應(yīng)并不顯著。

圖1 椰殼活性炭N2吸附脫附等溫線Fig.1 N2adsorption-desorption isotherms of activated carbon

圖2 椰殼活性炭吸附GTFX的吸附曲線Fig.2 The adsorption of GTFX on activated carbon

采用Langmuir和Freundlich等溫吸附方程對(duì)活性炭吸附GTFX的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，兩者的線性轉(zhuǎn)換方程分別如式(2)和式(3)所示[7]:

式中:KL—Langmuir吸附系數(shù)，L/mg；Kf—Freundlich吸附系數(shù)，(mg/g)·(L/g)1/n；Q∞—飽和吸附量，mg/g；n—量度吸附強(qiáng)度的常數(shù)。上述參數(shù)均為與吸附相關(guān)的特征參數(shù)，擬合結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同溫度下Langmuir和Freundlich等溫方程Table 1 Langmuir and Freund lich equations at different tem peratures

2.2.2 吸附熱力學(xué) 等溫方程中吸附系數(shù)KL或Kf與溫度和吸附焓變有關(guān)，其關(guān)系如式(4)所示:

式中:K—吸附系數(shù)，對(duì)應(yīng)KL或Kf；R—通用氣體常數(shù)，8.314 J/(K·mol)；ΔH—等量焓變[10]，kJ/mol；T—吸附溫度，K。

Langmuir吸附方程的吸附系數(shù)KL在303、313、323、333 K下分別為0.460 0、0.510 5、0.489 8和0.3793 L/mg，利用ln KL-1/T作擬合，得擬合方程為ln KL＝-2.68＋602.68/T，ΔH可通過(guò)ln KL對(duì)1/T的斜率計(jì)算出，為-5.015 6 kJ/mol。同理，可得不同溫度下Freundlich方程的ln Kf-1/T擬合方程為ln Kf＝4.691＋208.97/T，得焓值為-1.7374 kJ/mol。Langmuir方程及Freundlich方程對(duì)于固定溫度下的數(shù)據(jù)擬合均較為理想，但不同溫度下確定的吸附焓變，F(xiàn)reundlich方程擬合結(jié)果的R2達(dá)到0.975 2，而Langmuir方程擬合結(jié)果R2僅有0.012，所以認(rèn)為Freundlich方程能夠較好的描述GTFX的等溫吸附現(xiàn)象。這可能是由于Langmuir方程更多的基于吸附劑表面為均質(zhì)的假設(shè)，而Freundlich方程考慮了表面不均勻的多層吸附，而活性炭本身有羰基、羧基等極性官能團(tuán)存在，極性官能團(tuán)對(duì)具有極性的GTFX分子造成不均勻吸附，而GTFX的極性更會(huì)加劇這一趨勢(shì)，因此，利用Freundlich方程擬合的結(jié)果較為理想。該方程計(jì)算得到的焓值較小，表明吸附過(guò)程主要為物理吸附。另外，Kf的值隨著溫度的增加而下降，表明低溫更有利于熱力學(xué)的吸附。

以Freundlich方程擬合得到的ΔH通過(guò)式(5)和式(6)計(jì)算得到了吸附過(guò)程的ΔG和ΔS，如表2所示。

式中:ΔG—吸附的Gibbs自由能變，kJ/mol；ΔS—吸附的熵變，J/mol。

由表可知，ΔS為正值，是由于吸附過(guò)程中溶質(zhì)的吸附伴隨著溶劑的脫附，吸附過(guò)程伴隨著熵減少，脫附過(guò)程導(dǎo)致熵增加，如果溶劑脫附引起的熵增超過(guò)溶質(zhì)吸附引起的熵減，則ΔS為正值[11]。由于GTFX的分子體積較水分子大很多，可以置換出較多的水分子，使得水脫附引起的熵增加遠(yuǎn)大于GTFX吸附引起的熵減少，因此，熵變?yōu)檎?。而?jì)算得到的吸附焓為負(fù)值，表明吸附為放熱過(guò)程，也利于吸附的發(fā)生，但相比于熵的貢獻(xiàn)，占比很小(ΔH與TΔS相比，占比大的對(duì)吸附貢獻(xiàn)大)，因而，整個(gè)吸附過(guò)程為熵驅(qū)動(dòng)為主。從等溫吸附線也可以看出，不同溫度下的等溫吸附線在一定程度上存在交叉，這也從另一個(gè)角度說(shuō)明溫度對(duì)吸附的影響并不顯著，吸附主要應(yīng)為熵驅(qū)動(dòng)。同時(shí)測(cè)得吉布斯自由能ΔG＜0，表明吸附質(zhì)從溶液到吸附劑表面的吸附過(guò)程是自發(fā)過(guò)程。

表2 椰殼活性炭(AC)對(duì)GTFX的熱力學(xué)參數(shù)Table 2 Calculated thermodynam ic properties for adsorption of GTFX onto AC

2.3 椰殼活性炭改性前后的體外釋放實(shí)驗(yàn)與動(dòng)力學(xué)分析

2.3.1 體外釋放實(shí)驗(yàn) 用自制簡(jiǎn)易緩釋裝置，模擬體內(nèi)環(huán)境，對(duì)椰殼活性炭、氨水改性椰殼活性炭(NH3·H2O-AC)及硝酸改性椰殼活性炭(HNO3-AC)做GTFX的體外釋放試驗(yàn)。首先進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，得到NH3·H2O-AC吸附GTFX的量為0.39 g/g，HNO3-AC吸附GTFX的量為0.48 g/g，AC的吸附量為0.45 g/g。根據(jù)GTFX最大吸收波長(zhǎng)282nm處的吸光度值及標(biāo)準(zhǔn)曲線求出藥物濃度，進(jìn)而計(jì)算藥物累積釋放量，繪制加替沙星的體外釋放曲線，結(jié)果如圖3所示。3種不同活性炭對(duì)加替沙星的累積釋放曲線大致可分為以分為前期突釋、中期緩釋和后期平衡釋放3個(gè)階段。突釋階段，藥物釋放量較大，釋放的速度也較快，維持大約60～100min；緩釋階段，藥物釋放量變的較平穩(wěn)，釋放速度比較緩慢，維持時(shí)間大約100～300min；而平衡釋放階段，藥物濃度變化基本穩(wěn)定，釋藥速率平緩，可認(rèn)為達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)[8-9]。

圖3 3種不同活性炭的累積釋藥量與時(shí)間曲線Fig.3 Release curves of GTFX adsorpted by three different types of activated carbons

同時(shí)，圖3還顯示，3種活性炭的緩釋釋放量存在差異。相同緩釋條件下，HNO3-AC的釋放量最大，NH3·H2O-AC與AC的釋放量接近，且低于無(wú)改性活性炭釋放量，可見(jiàn)，對(duì)緩釋效果改進(jìn)不明顯。這是因?yàn)椋跛嵫趸男允够钚蕴慨a(chǎn)生較多的極性官能團(tuán)，尤其是含氧官能團(tuán)羧基、酚羥基、內(nèi)酯基的量均較未改性前有較大增長(zhǎng)[12]，可能因此導(dǎo)致改性后活性炭對(duì)GTFX的吸附量增大。而氨水改性使得活性炭中極性官能團(tuán)如羧基、酚羥基、內(nèi)酯基減少，使得活性炭對(duì)GTFX的吸附能力有所降低；另，硝酸的酸性及氨水的堿性都可能導(dǎo)致活性炭的腐蝕，使活性炭比表面積增加或減少[13]。通過(guò)碘值及亞甲基藍(lán)值的比較，硝酸改性的活性炭碘值及亞甲基藍(lán)值有分別由1100mg/g和120mL/g增加到1200mg/g和130mL/g，而氨水改性的活性炭碘值及亞甲基藍(lán)值則分別減少到1000mg/g和110mL/g，總體變化并不顯著。因此，認(rèn)為主要是由于改性引入了極性官能團(tuán)，這些官能團(tuán)與加替沙星的極性官能團(tuán)相互作用，導(dǎo)致硝酸改性活性炭的緩釋性能變化明顯。

2.3.2 動(dòng)力學(xué)分析 為了進(jìn)一步了解活性炭對(duì)加替沙星的緩釋效果，取時(shí)間在100min突釋階段內(nèi)藥物釋放數(shù)據(jù)，按Higuchi方程(式(7))和零級(jí)動(dòng)力學(xué)方程(式(8))進(jìn)行擬合:

式中:W—藥物釋放量，mg；t—緩釋時(shí)間，min；A、B—常數(shù)。

對(duì)3種不同活性炭分別進(jìn)行上述2種方程擬合，結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可看出，3種不同活性炭用Higuchi方程擬合的相關(guān)系數(shù)較大，均在0.98以上，表明3種活性炭對(duì)藥物的緩釋過(guò)程更符合Higuchi方程[8]。以上實(shí)驗(yàn)說(shuō)明可以通過(guò)活性炭改性方法改善活性炭的緩釋性能。

表3 體外釋藥動(dòng)力學(xué)模型擬合結(jié)果Table 3 The fitting results of dynam ics simulation

3 結(jié)論

3.1 椰殼活性炭對(duì)GTFX有較好的負(fù)載能力，可以用作喹諾酮藥物的緩釋載體。活性炭對(duì)GTFX的吸附更符合Freundlich方程描述的表面不均勻的多層吸附，可能是由于活性炭本身的極性官能團(tuán)及GTFX的極性官能團(tuán)作用。該方程測(cè)得焓變?yōu)?1.737 4 kJ/mol，說(shuō)明活性炭對(duì)GTFX的吸附過(guò)程為放熱過(guò)程，且ΔH＜20 kJ/mol，表明吸附過(guò)程主要為物理吸附。同時(shí)測(cè)得吉布斯自由能ΔG＜0，表明吸附質(zhì)從溶液到吸附劑表面的吸附過(guò)程是自發(fā)過(guò)程。而對(duì)熵變?chǔ)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)吸附過(guò)程主要是熵驅(qū)動(dòng)。

3.2 對(duì)椰殼活性炭經(jīng)氨水和硝酸改性前后對(duì)GTFX的釋放過(guò)程進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn):3種活性炭對(duì)GTFX的釋放過(guò)程均符合Higuchi方程釋藥模式，硝酸氧化改性椰殼活性炭較椰殼活性炭的緩釋性能有較大的提升。

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Adsorption and Controlled Release of Gatifloxacin by Coconut Shell Activated Carbon

ZHANG Jiaqiang，TAN fei，XIAO Linlong，HUANG Biao

(College of Material Engineering，F(xiàn)ujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou 350002，China)

The adsorption and controlled release of gatifloxacin(GTFX)from aqueous solution by coconut shell activated carbon were studied.The adsorption isothermsweremeasured atdifferent temperatures.The standard changes of free energy，enthalpy and entropy in adsorption processes were calculated from the Freundlich equation.And the adsorption of GTFX was in accord with Freundlich equation.TheΔH of absorption was-1.737 4 kJ/mol，which demonstrated that the absorption was an exothermic process，andΔH with less than 20 kJ/mol indicated that the adsorption processwasmostly physical adsorption.Meanwhile，Gibbs free energy(ΔG)was determined to be less than zero.This indicated that the adsorption was a spontaneous process.The results indicated that the value ofΔS was themain driving force of adsorption.Compared with the originalactivated carbon，the controlled release capacity of nitrate modified sample increased and that of ammonia water modified sample decreased.The different activated carbon controlled release processesmarched with Higuchiequation.

adsorption；activated carbon；thermodynamics；gatifloxacin；controlled release

TQ35

:A

:1673-5854(2017)01-0039-05

10.3969/j.issn.1673-5854.2017.01.007

2016-03-24

福建省自然科學(xué)基金(2011J01283)資助

張加強(qiáng)(1992—)，男，安徽六安人，研究生，主要從事生物質(zhì)材料的研究

?通訊作者:譚非，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向:生物質(zhì)材料；E-mail:1001tf＠163.com。