羥基磷灰石-氧化石墨烯復合微球的制備及性能

袁秋華，石鑫，吳文珊，代小毅，鐘駿熙，楊袁，簡友亮，李瑞龍，王濤

深圳大學化學與環(huán)境工程學院，廣東深圳 518071

羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）又稱堿式磷酸鈣，化學式為Ca5（PO4）3（OH），是牙齒和骨骼的主要無機組成成分，因HA 具有良好的生物相容性、生物活性和生物降解性，在醫(yī)療材料領域應用廣泛［1-2］.另外，由于HA具有離子交換特性，在廢水處理方面也有廣泛的應用［3-4］.HA可降解吸收，對人體基本不存在毒副作用，因此可作為藥物載體材料使用［5］.但是HA 作為生物材料單獨使用時脆性較大，且韌性較低［6］，為HA 提高的力學性能，目前主要是將HA與其他高分子材料進行復合［7-8］.

氧化石墨烯（graphene oxide，GO）是石墨烯的衍生物，其單層碳原子構成的二維空間的基面連接有大量親水性官能團，可以與其他的官能團進行?；王セ裙矁r反應［9］，具有超強吸附能力，對親/疏水藥物可以高負載.同時，在生物環(huán)境中，GO 具有良好的相容性、分散性、較高的載藥量和良好的緩釋特性等特點，能有效解決藥物易團聚和藥效短等問題［10］.

姜黃素（curcumin，Cur）是植物界很稀少的具有二酮的色素，其形態(tài)為橙黃色結晶粉末，味稍苦，不溶于水，可溶于乙醇和冰醋酸，常作為食用色素使用.有研究證明，姜黃素具有降血脂、抗腫瘤、抗炎、利膽和抗氧化等作用［11］.姜黃素的分子結構中有兩個活性酚結構，因此具有一定的抗氧化能力.作為一種天然酚性物質，Cur 還含有抗腫瘤和消炎物質，且有抗氧化特性，能誘導癌細胞凋亡［12］.此外，Cur 通過抑制核因子-kappa B（nuclear factor-kappa B，NF-κB）通路激活［13］和降低組織內活性氧水平等方式可延緩椎間盤退變進程［14-15］.但Cur 在水溶液中的溶解度不高，穩(wěn)定性差，而且在人體腸道內代謝快，生物利用率低，不能很好地發(fā)揮Cur 的作用［16］.因此，為提高Cur 的穩(wěn)定性與利用效率，將Cur作為目標藥物模型進行載藥復合微球的測試，為Cur治療食管癌、膝關節(jié)炎、阿爾茨海默病和糖尿病等提供參考.

模板法先通過較為簡單方便的途徑合成模板，再通過物理或化學方法將目標產物合成到模板上，去除模板后便可得到具有模板形貌與尺寸的目標產物，分為硬模板法和軟模板法［17］.本研究以合成的球狀碳酸鈣作為硬模板，通過水熱法以離子交換方式成功制備了球狀中空的HA-GO 復合微球，并通過X 射線粉末衍射（X-ray powder diffraction，XRD）、傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spec?troscopy，F(xiàn)TIR）、拉曼紅外光譜、場發(fā)射掃描電子顯微 鏡（field emission scanning electron microscope，F(xiàn)ESEM）和紫外可見光近紅外分光光度計（ultravio?let visible near-infrared spectrophotometers， UV-Vis-NIR）等測試手段對合成的復合微球進行表征分析，同時對其載藥和釋藥等性能進行研究.

1 實 驗

1.1 試劑與儀器

試劑：磷酸氫二鈉（（NH3）2HPO4）和二水氯化鈣（CaCl2·2H2O）購于上海阿拉丁試劑有限公司；碳酸鈉（Na2CO3）、 檸 檬 酸（C6H8O7）和 無 水 乙 醇（CH3CH2OH）購自廣州市東紅化工廠；姜黃素（C21H20O6，藥用級別，98%）購自上海源葉生物科技有限公司；氧化石墨烯購自湖南豐化材料發(fā)展有限公司；中國倉鼠卵巢細胞株購自江蘇凱基生物技術股份有限公司.

儀器：主要有日本島津傅里葉變換紅外光譜儀、德國Bruker 的（D8-ADVANCE）X 射線粉末衍射儀、日本電子株式會社公司的JSM-7800&TEAM型場發(fā)射掃描電子顯微鏡、英國雷尼紹公共有限公司的InVia Reflex 型激光顯微共聚焦拉曼紅外光譜儀以及Micromeritics 公司的全自動比表面積與孔隙度分析儀.

1.2 復合微球的制備

1.2.1 CaCO3-GO微球的合成

制備不同反應初始濃度的CaCl2溶液與Na2CO3溶液，向CaCl2溶液中加入0.5 mol/L 的檸檬酸控制劑攪拌溶解，加入質量濃度為0.1 mg/mL 的GO 超聲分散30 min，用1.0 mol/L NaOH 調節(jié)pH = 5.8.將Na2CO3溶液倒入CaCl2的混合溶液中，同時迅速攪拌，調節(jié)pH ≈11，攪拌1 h，靜置沉淀22 h.用去離子水和乙醇洗滌多次，于烘箱60～70 ℃干燥，制得CaCO3-GO 模板.根據CaCl2溶液與Na2CO3溶液的反應初始濃度共設4 組實驗，每組實驗中c（CaCl2）=c（Na2CO3），依次為0.1、0.3、0.5 和1.0 mol/L，獲得的CaCO3-GO 模板對應記作0.1CaCO3-GO、0.3CaCO3-GO、0.5CaCO3-GO和1.0CaCO3-GO.

1.2.2 HA-GO復合微球的制備

語篇中第二封信的送信人是寫信人自己陶嵐。這更饒有意味?！艾F(xiàn)在我卻又要向你說話了?！薄耙贿吘蛷乃麓鼉热〕鲆环庑?仔細地交給他,象交給一件寶貝一樣。蕭澗秋微笑地受去,只略略的看一看封面,也就仔細地將它藏進抽斗內,這種藏法也似要傳之久遠一般?！鄙院?“他很快的走到桌邊,將那封信重新取出來,用剪刀裁了口,抽出一張信紙,他靠在桌邊,幾乎和看福音書一樣,他看下去……”如此“授受”一個“文本”,耐人尋味。

分別稱取4 種不同初始濃度下制備的CaCO3-GO 樣品各1.0 g，各自加入到50 mL 去離子水中，再加入0.06 mol/L（NH4）2·HPO4攪拌溶解，用1.0 mol/L NaOH 調節(jié)溶液pH ≈11.于180 ℃下將混合溶液在反應釜中反應，控制水熱反應時間.待反應結束后，水洗3～5 次，干燥后收集.實驗對水熱反應時間（分別為3、6和12 h）和不同初始濃度制備的CaCO3-GO兩個因素通過正交實驗進行研究分析.4 種CaCO3-GO 模板生成的HA-GO 產物對應標記為0.1HA-GO、0.3HA-GO、0.5HA-GO和1.0HA-GO.

1.3 細胞毒性分析

依據ISO 10993.1-2018醫(yī)療器械的生物學評估標準對載體材料進行體外細胞毒性測試，采用CCK-8 法檢測細胞毒性［18］.稱取0.9 g 樣品浸泡在無水乙醇24 h，過濾干燥后紫外消毒滅菌.再將樣品浸泡在20 mL 的完全培養(yǎng)基中，37 ℃、CO2恒溫培養(yǎng)浸提24 h，采用微孔濾膜過濾，收回浸提液.并以此浸提液濃度為基準劃分體積分數(shù)梯度，依次為 1.0%、 5.0%、 10.0%、 20.0%、 50.0%、70.0%、80.0%和100.0%的浸提液和完全培養(yǎng)基9個梯度，以完全培養(yǎng)基作為對照組，其余作為實驗組.將中國倉鼠卵巢（Chinese hamster ovary，CHO）細胞接種于96 孔板，每組10 孔.各組分別加入200 μL對照培養(yǎng)液或不同濃度的浸提液.培養(yǎng)72 h后，在每孔加入CCK-8試劑，輕微震蕩后繼續(xù)放入恒溫細胞培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，2～3 h 后用實時酶聯(lián)免疫檢測儀測量各孔在450 nm 波長處的光密度值D（450），實驗重復測5次，取平均值，計算得出細胞相對增殖率.

1.4 微球包封率及載藥量分析

配制一系列姜黃素無水乙醇溶液測定吸光度，計算回歸方程，建立標準曲線.

分別稱取4 種CaCO3-GO 模型生成的HA-GO 樣品各50 mg，將它們置于姜黃素的乙醇溶液中勻速混合24 h.在8 000 r/min 下離心15 min，分離并收集上清液，重復加入無水乙醇離心，使收集到的上清液總量為20 mL.測量上清混合液的光密度，通過與之前姜黃素乙醇溶液的標準曲線對比，計算微球的載藥量和包封率，并設置3個平行實驗以減少誤差.同時取空白樣，置于無水乙醇中同樣操作，排除空白微球的浸出物對測試過程的影響.包封率和載藥量的計算公式為

1.5 微球體外釋藥測定

按2015 版中國藥典的規(guī)定對載藥微球進行體外釋放試驗［19］，釋放溶液使用體積分數(shù)為20%的乙醇稀鹽酸溶液來模擬人工胃液（pH=1.5）. 稱取50 mg 載藥樣品，放入透析袋中，然后放入釋放溶液中，在37 ℃水浴條件下攪拌，進行藥物緩釋實驗.分別于0.5、1、2、4、8、12、24、48、72 和96 h 時取出4 mL 釋放溶液，同時補充4 mL 模擬的人工胃液，測量各個時間點釋放溶液的在波長為（427±1）nm處吸光度，同樣進行3個平行樣測試，減小誤差.緩沖液中藥物的累積釋放率E為

其中，V0為緩沖溶液的總體積（單位：mL）；V為每次取出緩沖溶液的體積（單位：mL）；ρn為第n次吸取緩沖溶液時測定的藥物質量濃度（單位：mg/mL）；ρi為第i次置換取樣時測定的藥物溶液質量濃度（單位：mg/mL）；m(藥物)為載藥微球中包裹的藥物質量（單位：mg）.

2 結果與討論

2.1 四種CaCO3-GO的XRD表征

圖1 為不同反應濃度條件下制備的CaCO3-GO的XRD 圖譜.碳酸鈣主要有文石、方解石和球霰石3種無水結晶相.方解石是熱力學最穩(wěn)定，能量最低的晶型，而球霰石是熱力學最不穩(wěn)定.能量最高，文石介于兩者之間［20］.低反應濃度（c（CaCl2）=c（Na2CO3）= 0.1 mol/L）與高反應濃度（c（CaCl2）=c（Na2CO3）= 1.0 mol/L）得到的XRD 圖譜顯示均為方解石晶型，根據比對方解石的標準卡片（PDF#05-0586），圖譜的強衍射峰基本與方解石的（104）、（018）和（116）等晶面符合，進而可以判斷合成的為方解石的碳酸鈣.對比球霰石的標準卡片（PDF#33-0268），在0.3 mol/L 反應條件下，出現(xiàn)球霰石的衍射峰，其（112）和（114）晶面衍射峰強度很高，不過仍然顯示存在方解石的衍射峰.在0.5 mol/L 時，也可以明顯看出兩種晶型的衍射峰同時存在，但方解石的衍射峰強度強一些.說明在低反應濃度時生成的主要是熱力學較穩(wěn)定的方解石晶型的CaCO3，在增大反應濃度后，部分方解石晶型向球霰石晶型轉化，但濃度增大到一定程度時，存在形式又轉化為穩(wěn)定的方解石.說明反應濃度確實影響碳酸鈣的晶型變化，在適當?shù)姆磻獫舛认驴梢陨汕蝣笔?GO的特征衍射峰在2θ=11.7°處，可能由于本實驗中強度太弱，沒有檢測到.

圖1 不同反應濃度制備的CaCO3-GO的XRD圖譜Fig.1 The XRD patterns of CaCO3-GO prepared with different reaction concentrations.

2.2 四種CaCO3-GO的FTIR表征

圖2 不同反應濃度制備的CaCO3-GO的FTIR圖譜Fig.2 FTIR images of CaCO3-GO prepared with different reaction concentrations.

2.3 四種CaCO3-GO的FESEM表征

100～200 nm，呈束狀聚集（如0.1 mol/L 時）；當反應濃度增大到0.3 mol/L 時，出現(xiàn)球狀顆粒，且表面光滑，球狀比較完整，部分呈橢球狀，夾雜少許棒狀顆粒，球形的粒徑為0.9～2.0 μm，粒徑分布比較均勻；當濃度增至0.5 mol/L 時，球狀減少，多呈圓餅狀且大小不一，同時還有不太規(guī)則的棒狀存在；當高反應濃度1.0 mol/L 時，基本上沒有微米級的可辨識形貌，只有納米顆粒呈團聚分布.從圖3可明顯看出，反應濃度對碳酸鈣是否能呈現(xiàn)微球狀的形貌有重要的影響.

圖3 （a）0.1CaCO3-GO、（b）0.3CaCO3-GO、（c）0.5CaCO3-GO和（d）1.0CaCO3-GO的FESEM圖像Fig.3 FESEM images of(a)0.1CaCO3-GO,(b)0.3CaCO3-GO,(c)0.5CaCO3-GO,and(d)1.0CaCO3-GO.

2.4 四種HA-GO的XRD分析

圖4為4種不同初始反應濃度制備的CaCO3-GO水熱后生成的HA-GO 的XRD 圖譜.總體來看，碳酸鈣的衍射峰基本消失.與HA的標準卡片（PDF#09-0432）對比可以看出，不同反應濃度下生成的HA-GO 復合物均出現(xiàn)HA 的特征衍射峰［21-22］.說明CaCO3轉化成了HA，且純度也比較高.同時，在2θ≈11°時有很微弱的峰，此處為HA 與GO 重疊的衍射峰.

圖4 不同初始反應濃度制備的CaCO3-GO水熱后生成的HA-GO的XRD圖譜Fig.4 XRD patterns of HA-GO generated from CaCO3-GO prepared by different initial reaction concentrations after hydrothermal treatment.

2.5 四種HA-GO的FTIR分析

圖5 為不同初始反應濃度制備的CaCO3-GO 水熱后生成的HA-GO 的傅里葉紅外圖譜.由圖5 可見，在569和605 cm-1處為PO43-基團的彎曲振動峰，1 050 cm-1處的吸收峰為PO43-基團的伸縮振動吸收峰［23］.同時還發(fā)現(xiàn)，712 cm-1處的球霰石的CO32-基團振動峰已消失，745 cm-1處方解石的特征吸收峰也不再出現(xiàn).1 462 cm-1和415 cm-1處為GO的C—O振動峰，也為CO32-基團的C—O振動峰，可能是由于水熱反應后仍有部分CO32-存在于HA 中.3 500 cm-1處的吸收峰應該是GO 的—OH 峰.結合上述XRD 分析，碳酸鈣已基本轉化為HA，說明該水熱反應條件下陰離子交換比較徹底.

圖5 不同初始反應濃度制備的CaCO3-GO水熱后生成的HA-GO的傅里葉紅外圖譜Fig.5 FTIR patterns of HA-GO generated from CaCO3-GO prepared by different initial reaction concentrations after hydrothermal treatment.

2.6 四種HA-GO的FESEM分析

2.7 不同水熱時間制備的HA-GO的XRD分析

圖7是在180 ℃進行CaCO3-GO水熱反應，反應時間分別為3、6 和12 h 生成的HA-GO 的XRD 圖譜.由圖7 可見，當反應時間為3 h 時，對比標準卡片已經出現(xiàn)HA 的晶相，而球霰石的特征衍射峰仍然存在，說明兩者共同存在，此時CaCO3已經開始轉化為HA.經過高溫高壓，PO43-開始跟CaCO3中的CO32-進行交換［24］，但仍有CaCO3的衍射峰，說明部分CaCO3沒有轉化成功.而隨著時間的延長，交換越來越徹底，在反應6 h 和12 h 時，已經沒有CaCO3的衍射峰，說明CaCO3已完全轉化為HA.

圖6 （a）0.1HA-GO、（b）0.3HA-GO、（c）0.5HA-GO、（d）16 000倍鏡下的0.3HA-GO和（e）22 500倍鏡下的1.0 HA-GO的SEM圖Fig.6 SEM images of(a)0.1HA-GO,(b)0.3HA-GO,(c)0.5HA-GO,(d)high magnification of 0.3HA-GO,and(e)1.0 HA-GO.

圖7 不同水熱時間制備的HA-GO的XRD圖譜Fig.7 XRD patterns of HA-GO prepared at different hydrothermal times.

2.8 不同水熱時間制備的HA-GO的FESEM表征

圖8為不同水熱反應時間（3、6和12 h）條件下制備的HA-GO 的SEM 圖像.由圖8 可以看出，樣品基本都呈球狀，并保持模板CaCO3的形態(tài).水熱反應時間3 h 的樣品，微球表面粗糙，且有微小的顆粒存在.反應時間為6 h 時，微球更加粗糙，表面顆粒變大.增加水熱時間至12 h，有的微球破碎，表面粗糙，內部呈現(xiàn)中空結構，有網絡狀微結構存在.結合XRD 分析，可以看出水熱反應時間為6 h 時能獲得形貌較好、轉化徹底的HA-GO微球.

圖8 水熱時間分別為（a）3 h、（b）6 h和（c）12 h制備的HA-GO的SEM圖Fig.8 SEM images of HA-GO prepared with hydrothermal time of(a)3 h,(b)6 h,and(c)12 h.

因此，以下實驗將使用0.3HA-GO且水熱反應時間為6 h、形貌較好的復合微球進行相關測試分析.

2.9 HA-GO的拉曼分析

圖9為HA-GO復合微球的拉曼光譜.從圖9可見，在1 350 cm-1處，GO 和0.3HA-GO 都有1 個明顯的振動峰，稱為D 帶，這是石墨烯的無序振動峰.位于1 600 cm-1的峰屬于石墨烯的本征拉曼模式，稱為G 帶.589 和960 cm-1分別對應于v3（PO43-）反對稱變角振動峰及v1（PO43-）對稱伸縮振動峰，是HA 的特征峰.用D 帶與G 帶的強度比（ID/IG）表征石墨烯材料的無序度.GO 的ID/IG=0.85，HA-GO 的ID/IG=0.94，復合樣品擁有較高的ID/IG，表明復合樣品中GO的缺陷密度增加.

圖9 GO和0.3HA-GO復合微球的拉曼光譜Fig.9 Raman spectra of GO and 0.3HA-GO composite microspheres.

2.10 HA-GO的N2吸附脫附分析

圖10是0.3HA-GO微球的Barrett-Joyner-Halenda（BJH）孔徑分布圖以及吸脫附等溫曲線.根據吸脫附等溫曲線可知，微球的吸脫附等溫曲線符合典型的Ⅲ型等溫線，其滯后環(huán)為H3 型［25］，說明微球的組成微粒之間存在許多狹縫型的孔隙，觀察相應SEM 圖也可相互印證這點.測得比表面積為22.71 m2/g.根據孔徑大小分類：孔徑≤2 nm為微孔；孔徑介于2～50 nm 的為介孔；孔徑≥50 nm 為大孔.通過BJH法分析微球孔徑可知，微球的平均孔徑為30～50 nm，屬于介孔材料.結合以上分析可知，制備的HA-GO 復合微球是內部中空結構的介孔材料.

圖10 HA-GO 微球的BJH孔徑分布圖及吸脫附等溫曲線（a）BJH孔徑分布；（b）吸脫附等溫曲線Fig.10 Adsorption-desorption isotherm curve of HA-GO microspheres.(a)BJH pore size distribution map,(b)adsorption and desorption isotherms.

2.11 細胞毒性測試分析

通過體外培養(yǎng)CHO 細胞評估HA-GO 復合微球對細胞增殖的影響，結果如圖11.CCK-8的結果表明，以對照組統(tǒng)計學數(shù)量為參考標準，不同濃度的浸提液對細胞增殖基本沒有負面影響，說明含復合微球物質的培養(yǎng)液沒有毒性，因而復合微球對細胞增殖基本上沒有毒性.

圖11 不同體積分數(shù)的微球浸提液培養(yǎng)下的細胞相對增殖率Fig.11 Relative proliferation rates in culture extracts of different amounts of the microspheres.

2.12 姜黃素的標準曲線的繪制

通過紫外分光光度計測定得到姜黃素在無水乙醇中的最佳吸收波長為（427 ± 1）nm.同時，在（427±1）nm 波長處測定配置的一系列姜黃素乙醇溶液的吸光度，繪制標準曲線如圖12.通過線性擬合，發(fā)現(xiàn)在姜黃素乙醇溶液質量濃度為0.05～2.0 μg/mL內呈良好線性關系.

圖12 姜黃素在無水乙醇中的標準曲線Fig.12 Standard curve of curcumin in absolute ethanol.Black square is the experimental data，and red line is the fitting curve.

2.13 HA-GO的載藥性能及藥物釋放曲線

包封率和載藥量是衡量載藥微球載藥性能的重要指標，載藥量和包封率高可使微球材料得到充分利用，從而減少原材料的浪費和給藥次數(shù)，減輕患者頻繁給藥的痛苦，臨床應用價值更高.圖13 為復合微球的包封率及載藥量，由圖13 可見，0.3HA-GO 的樣品擁有較好的負載能力，其載藥量達 到（2.95 ± 0.19）%，包 封 率 達 到（20.90 ±0.31）%.這主要是因為0.3HA-GO 形成的是表面粗糙內部中空的微球，給藥物提供了更多的著位點，利于藥物吸附.

圖13 HA-GO的包封率與載藥量的柱狀圖Fig.13 Histograms of drug encapsulation efficiency(black)and drug loading(red)of HA-GO.

由于姜黃素屬于醇溶性物質，因此使用體積分數(shù)為20%的乙醇稀鹽酸溶液（pH=1.5）作為模擬人工胃液進行體外釋藥測試（圖14）.由圖14 可以看出，載藥復合微球初釋放時呈平穩(wěn)釋放，沒有明顯的突釋現(xiàn)象，在給藥后120 h 時的累計釋放率達到72%.由曲線的走勢來看，釋放率還在緩慢抬升，說明藥物后期還會釋放，最終藥物累積釋放率將高于72%，說明HA-GO 微球既能起到緩釋，又能基本將藥物完全釋放.

圖14 載藥微球在體積分數(shù)為20%乙醇的模擬人工胃液（pH=1.4）中的累積釋放率隨時間變化Fig.14 Cumulative release rate of drug-loaded microspheres in artificial gastric juice(pH=1.4)supplemented with volume fraction of 20%ethanol changes with time.

結 語

綜上研究可知，初始底物的反應濃度很大程度上影響CaCO3-GO 復合粉末的微觀形貌，是CaCO3能否形成球狀結構的重要影響因素.而在轉化過程中，水熱時間是轉化進程是否完成的重要因素，CaCO3-GO 復合粉末的基本微觀形貌決定了轉化后的HA-GO 復合粉末的形貌.研究結果表明，球狀碳酸鈣作為硬模板，通過水熱法以離子交換方式能成功制備球狀中空的HA-GO 復合微球.球形CaCO3-GO 的最優(yōu)反應條件為0.3 mol/L 的反應濃度.制備球形HA-GO的最優(yōu)合成條件為：使用0.3 mol/L 的CaCl2溶液和0.3 mol/L 的Na2CO3溶液制備的CaCO3-GO 復合產物，在180 ℃的高壓反應釜中水熱反應6 h.制備得到的CaCO3-GO復合微球的粒徑為5.1～7.7 μm，孔徑為30～50 nm.制備的HA-GO 復合微球，以姜黃素作為藥物模型進行載藥性能及釋放性能的測試.結果發(fā)現(xiàn)，球狀結構的微球的確能提高藥物的負載量，復合微球的包封率能達到（20.90 ± 0.31）%、載藥量達到（2.95 ±0.19）%，對姜黃素起到了緩釋作用，并且釋放較為徹底.研究結果表明，HA-GO 載藥復合微球展現(xiàn)出良好的醫(yī)用前景.