pH 響應殼聚糖馬來酸鹽水凝膠制備及其緩釋性能

李 英，李 煦，王洪玲，陳思遠，丁俊陽，劉長霞

（滄州師范學院化學與化工系，河北滄州 061000）

水凝膠是一種具有三維網(wǎng)絡結構、良好溶脹性能和響應性能的功能軟物質，在藥物緩釋、組織工程、抗菌材料等領域應用廣泛[1-2]。響應性水凝膠能夠感應外界環(huán)境刺激（如pH、溫度、酶、離子等），控制藥物釋放[3-4]。其中，pH 響應型水凝膠在藥物緩釋體系中研究最廣泛，主要由于人體生理環(huán)境、病灶區(qū)域的pH 變化，水凝膠產(chǎn)生溶脹或收縮，進而緩釋藥物。pH 響應型水凝膠網(wǎng)絡結構中一般含有pH 敏感的酸性、堿性基團（羧基、磺酸基或氨基等）或基于pH 響應的動態(tài)共價鍵。根據(jù)響應型基團又可分為陰離子型、陽離子型和兩性離子型pH 響應性水凝膠藥物緩釋體系[5]。

殼聚糖是甲殼素脫乙?；a(chǎn)物，自然界中存在的唯一堿性多糖，含有大量的氨基和羥基活性基團，具有良好的生物相容性、成膜性、凝膠性和吸附性等，為其功能化提供方便[6-9]。離子交聯(lián)殼聚糖制備的聚陽離子型水凝膠在酸性介質中展現(xiàn)良好的溶脹性能[10-12]；羧甲基改性殼聚糖制備的陰離子型水凝膠在堿性介質中展現(xiàn)良好溶脹性能[13]。接枝聚合物-丙烯酸殼聚糖分子結構包含酸性和堿性基團，其在酸性、堿性介質中比中性介質中的溶脹度大，表現(xiàn)出兩性離子型特性[14]。Panda 等利用分子結構中同時存在酸性、堿性基團的小分子二肽自組裝構筑的水凝膠在酸性、堿性介質中釋藥能力高于中性介質[15]，展現(xiàn)了兩性離子型水凝膠特性。兩性離子型水凝膠由于其獨特的pH 響應性能，在藥物緩釋、組織工程、傳感器研究等方面應用范圍更加廣泛[16]。然而，兩性離子型pH 響應殼聚糖水凝膠在藥物緩釋方面的研究未見報道。

馬來酸在食品、醫(yī)藥等方面應用廣泛[17]。本課題組對殼聚糖馬來酸鹽（CS–Ma）的研究表明，馬來酸作為一種不飽和二元酸，一個羧基使殼聚糖氨基質子化，二者發(fā)生靜電作用；另一個羧基與氨基發(fā)生氫鍵作用，不飽和二元酸分子交聯(lián)兩個殼聚糖分子鏈，馬來酸分子間π–π作用促進超分子自組裝[18]。CS–Ma分子結構中存在羧基、氨基等酸性、堿性基團，有望構筑兩性離子型pH 響應殼聚糖水凝膠。有些保健食品或營養(yǎng)素微溶于水，易溶于堿性溶液，分子結構中可能存在酚羥基、氨基和羧基等基團。利用Na2CO3溶液調控CS-Ma 分子間氫鍵、靜電等非共價鍵作用使其膠凝化過程中，不僅可以改善這類物質的溶解性能，使其良好地分散在水凝膠中，而且可能改善其緩釋性能。以阿莫西林（Am）為模型，研究CS-Ma 凝膠體系的溶脹性能、緩釋性能的pH 響應性，為開發(fā)新型殼聚糖基pH 響應緩釋載體提供理論依據(jù)和實驗基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

殼聚糖 脫乙酰度85.7%，粘度200 cps，濟南海得貝海洋生物工程有限公司；馬來酸 分析純，天津市化學試劑一廠；pH 緩沖劑 上海偉業(yè)儀器廠；阿莫西林 分析純，上海衡山藥業(yè)有限公司。

Nicolet is5 傅里葉變換紅外光譜儀 美國賽默飛世爾科技有限公司；UV-2600 紫外可見分光光度計 日本島津企業(yè)管理有限公司；TM3030 臺式掃描電子顯微鏡 日本株式會社日立高新技術那珂事業(yè)所；LGJ–18 真空冷凍干燥機 北京松源華興科技發(fā)展有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 CS–Ma–Gel 制備方法

1.2.1.1 CS–Ma 濃度對凝膠的影響 根據(jù)文獻[18]方法制備CS-Ma。分別稱取2.5、5.0、10.0、20.0、25.0 mg CS-Ma 置于5 mL 螺口瓶中，加入1.0 mL 蒸餾水，攪拌至溶解。然后，分別加入0.5 mL 質量分數(shù)4%的Na2CO3溶液，室溫下攪拌0.5 h，利用“倒管”實驗[19]觀察CS-Ma 濃度對凝膠行為的影響。

1.2.1.2 Na2CO3濃度對凝膠的影響 稱取20.0 mg CS-Ma 置于5 mL 螺口瓶中，加入1.0 mL 蒸餾水，攪拌至溶解，然后分別加入0.5 mL 質量分數(shù)為0.5%、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%的Na2CO3溶液，室溫下攪拌0.5 h，利用“倒管”實驗觀察Na2CO3溶液濃度對凝膠行為的影響。

1.2.2 載藥CS-Ma-Gel 的制備方法 稱取0.20 g CS–Ma 置于 50 mL 燒杯中，加入10 mL 蒸餾水，充分攪拌至全部溶解，再加入0.02 g 阿莫西林（Am），攪拌均勻，最后加入5 mL 質量分數(shù)4%的Na2CO3溶液，室溫下攪拌0.5 h，得到包埋Am 的殼聚糖水凝膠（Am/CS-Ma-Gel），冷凍干燥，備用。

1.2.3 測試與表征

1.2.3.1 結構表征方法 a.紅外光譜（FT–IR）分析：分別取少量的CS-Ma、Am，冷凍干燥的CS-Ma-Gel、Am/CS-Ma-Gel 和適量KBr 粉末混合，充分研磨，裝入模具，15 MPa 下壓片1 min，測繪紅外光譜[12]。采集參數(shù)：掃描范圍4000～500 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描次數(shù)16 次。

b.掃描電子顯微鏡（SEM）觀察：將CS-Ma-Gel、Am/CS-Ma-Gel 樣品分別放入無水乙醇中，充分攪拌分散，轉移到單晶硅片上，真空干燥24 h，噴金60 s，利用SEM 觀察形貌，放大倍率18000 倍。

c.紫外光譜（UV）分析：分別取2 mL CS-Ma 溶液、Am 溶液于1 cm 比色皿中，測繪紫外光譜。分別取少量CS–Ma–Gel、Am/CS-Ma-Gel 于0.1 cm 的比色皿中，測繪紫外光譜[19]。設置掃描波長范圍為200～400 nm。

1.2.3.2 CS-Ma-Gel 溶脹性能測定 分別取pH2.00（HCl 溶液）、4.00、6.86 和9.18 的標準緩沖溶液25 mL于50 mL 燒杯中，稱量后的干凝膠片置入其中，每隔一段時間取出凝膠片，用濾紙將表面水擦干，稱重，記錄，重復以上操作，每個實驗平行三次，計算平均值，按下式計算干凝膠溶脹率（SR，%）[19]：

式中：m0表示干CS-Ma-Gel 質量，g；mt表示溶脹后的CS-Ma-Gel 質量，g。

1.2.3.3 Am/CS-Ma-Gel 藥物釋放率測定 稱取0.01 g干Am/CS-Ma-Gel，裝入無紡布袋中，浸入不同pH的介質中，每間隔一定時間，取出2 mL 溶液于比色皿中，測定吸光度值，利用相應的標準曲線計算Am 濃度，每個實驗平行三次，計算平均值，按下式計算累計釋放率（Q，%）[20]：

式中：Q 表示Am 釋放率，%；Cn表示第n 次溶液中Am 的濃度，mg/mL；V 表示浸泡溶液的體積，mL；m0表示Am/CS-Ma-Gel 中Am 的質量，mg。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 8.5 軟件，多曲線疊加繪制紅外、紫外光譜圖，溶脹和藥物釋放測定實驗重復3 次，數(shù)據(jù)結果用“平均值±標準差”表示并繪制圖譜。

2 結果與分析

2.1 CS-Ma-Gel 制備

2.1.1 CS-Ma 濃度對凝膠的影響 按照實驗方法“1.2.1.1”，“倒管”實驗結果如圖1 所示。由圖1 可以看出，當瓶中CS–Ma 濃度為6.7 mg/mL 時，凝膠開始形成；濃度為13.3 mg/mL 時，凝膠完全。因此，CS–Ma 臨界成膠濃度為13.3 mg/mL。

圖1 CS–Ma 濃度對膠凝行為的影響Fig.1 Effect of CS-Ma solution concentration on CS–Ma gelation

2.1.2 Na2CO3溶液濃度對凝膠的影響 按照實驗方法“1.2.1.2”，“倒管”實驗結果如圖2 所示。

圖2 Na2CO3 溶液濃度對凝膠行為的影響Fig.2 Effect of NaCO3 solution concentration on CS–Ma gelation

凝膠是凝膠因子的溶解與沉淀達到平衡時的介穩(wěn)狀態(tài)[21]。由圖2 可知，當Na2CO3溶液濃度為1.36%時凝膠完全，可能是由于殼聚糖的–NH3+部分去質子 化–NH2，馬來酸的–COOH 部分離子化–COO–，該條件下殼聚糖與馬來酸之間的靜電作用（–NH3+···–COO–）、氫鍵作用（–COOH···–NH2）較強，有利于分子間的超分子組裝，凝膠形成。

通過以上實驗可知，CS–Ma 的臨界成膠濃度為13.3 mg/mL，Na2CO3溶液質量分數(shù)為1.36%。

2.2 CS–Ma–Gel 結構表征

2.2.1 紅外光譜分析結果 由CS–Ma 的紅外光譜（圖3（a））可知：1659 cm-1處為馬來酸C=C 雙鍵與殼聚糖酰胺I 帶（νC=O）的重疊峰；CS–Ma 在1451 cm-1，610 cm-1處出現(xiàn)馬來酸=C–H 伸縮振動和變形振動峰；在CS–Ma 紅外光譜中，殼聚糖1595 cm-1處的酰胺II 帶（δN-H）和氨基（δN-H）彎曲振動峰質子化后紅移至1562 cm-1而且加強；CS–Ma 在1400 cm-1處出現(xiàn)–COO–特征振動峰，而且在1713 cm-1處仍然保留–COOH 振動峰，以上現(xiàn)象表明，殼聚糖分子鏈上成功引入馬來酸分子，殼聚糖的–NH3+與馬來酸–COO–發(fā)生靜電作用[18]。由CS–Ma–Gel 的紅外光譜（圖3（b））可知，CS–Ma 凝膠后，1562 cm-1處振動峰藍移，1713 cm-1處–COOH 振動峰減弱，1520 cm-1出現(xiàn)新特征峰，主要是殼聚糖的–NH3+部分去質子化–NH2，馬來酸的–COOH 部分離子化–COO–，它們之間發(fā)生靜電、氫鍵等作用[12,22-23]，交聯(lián)凝膠形成。由Am/CS–Ma–Gel 的紅外光譜（圖3（c））可知，在1624 cm-1，1400 cm-1處出現(xiàn)–COO–伸縮振動峰[24]，在1172～891 cm-1區(qū)間（圖3 斜線陰影區(qū)）出現(xiàn)糖環(huán)中C–O–C 和C–O 振動峰和β糖苷鍵的特征峰[25]，在1620～1200 cm-1區(qū)間（圖3 方格陰影區(qū)）內出現(xiàn)Am（圖3（d））復雜的振動峰；Am（圖3（d））3534 cm-1，3374 cm-1，3463 cm-1處的氨基，羥基振動峰，在Am/CS–Ma–Gel 的紅外光譜圖（圖3（c））中發(fā)生明顯變化。以上變化表明Am 與殼聚糖之間發(fā)生氫鍵、靜電作用，可能發(fā)生共組裝。

圖3 凝膠及原料紅外光譜Fig.3 FT-IR spectra of xerogel and raw material powder

2.2.2 紫外光譜表征 由圖4（a）表明，CS–Ma 溶液在211 nm 處最大吸收峰歸屬于馬來酸的不飽和雙鍵特征峰[17]；在CS–Ma–Gel 中，該吸收峰加寬而且發(fā)生紅移，并在260 nm 附近產(chǎn)生新的吸收峰（圖4（c）），表明在CS–Ma–Gel 形成過程中，分子間發(fā)生π–π超分子相互作用[18]。Am 溶液在248 和290 nm 特征吸收峰歸屬于苯酚特征峰（圖4（b）），在Am/CS–Ma–Gel 中，Am 溶液290 nm 處的特征吸收峰藍移至280 nm（圖4（d）），說明Am 發(fā)色團在凝膠過程中發(fā)生H–聚集[26]。

圖4 原料溶液及凝膠的紫外光譜Fig.4 UV spectra of gels and raw material solution

2.2.3 電子掃描顯微鏡表征 由圖5（a）可以看出，CS–Ma–Gel 微觀形貌為纖維狀。正如紅外光譜（圖3）、紫外光譜（圖4）表征表明，CS–Ma–Gel 形成過程中分子間發(fā)生氫鍵、靜電、π–π堆積等非共價鍵作用，殼聚糖分子鏈間通過馬來酸分子交聯(lián)進行超分子有序組裝，形成纖維結構（圖6）。由圖5（b）可以看出，載藥凝膠Am/CS–Ma–Gel 微觀結構為片狀，結構均勻，沒有分相現(xiàn)象。紅外光譜（圖3）、紫外光譜（圖4）表明，Am 與殼聚糖分子之間存在氫鍵、靜電作用而且自身發(fā)生H–聚集。以上結果表明，Am 較好地分散在CS–Ma–Gel 的網(wǎng)狀結構中而且參與了超分子組裝（圖6），微觀結構由CS–Ma–Gel 較細的纖維結構變成Am/CS–Ma–Gel 的片狀結構。

圖5 CS–Ma–Gel 和Am/CS–Ma–Gel 的電子掃描顯微鏡圖Fig.5 SEM images of CS–Ma–Gel and Am/CS–Ma–Gel

圖6 Am/CS–Ma–Gel 組裝機理示意圖Fig.6 Diagram of Am/CS-Ma-Gel assembly mechanism

2.3 CS–Ma–Gel 溶脹性能

在不同pH 介質中，CS–Ma–Gel 溶脹性能如圖7所示。由圖7 可知，在pH2.00 酸性介質中，CS–Ma–Gel 的溶脹率先增大后減小；由凝膠照片可以看出，凝膠體積先增大又不斷減小，在酸性環(huán)境中，殼聚糖分子溶脹后不斷溶解的結果。在pH4.00 的介質中，隨著時間的延長，CS–Ma–Gel 的溶脹率不斷增加，最后趨于平衡，最大溶脹率為2200%。由凝膠照片可以看出，當CS–Ma–Gel 達到溶脹飽和時，凝膠片體積增大，仍能保持原來形狀，可能是由于該pH 條件下，殼聚糖氨基以–NH2和質子化–NH3+形式存在，馬來酸羧基以–COOH 和離子化–COO–形式存在，不僅使CS–Ma–Gel 網(wǎng)絡中有充分的電荷，具有較強的親水性能和較高的滲透壓[27]，而且還具有較強的靜電作用和氫鍵作用，保持凝膠網(wǎng)絡不被破壞，使CS–Ma–Gel只溶脹不溶解。在pH6.86 的介質中，隨著時間的延長，CS–Ma–Gel 的溶脹率先增加后減小，然后趨于平衡。由凝膠照片可以看出，CS–Ma–Gel 達到最大溶脹率760%后，凝膠體積又開始縮小，但沒有發(fā)現(xiàn)溶解跡象，平衡溶脹率為410%。殼聚糖氨基的pKa為6.2～6.8[28]，在中性條件下，殼聚糖質子化–NH3+不斷去質子化，凝膠網(wǎng)絡帶電性逐漸降低，滲透壓減小，外界緩沖溶液滲透壓大于凝膠內部滲透壓，凝膠網(wǎng)絡中的水不斷滲出，溶脹性能減小。在pH9.18 的介質中，隨著時間的延長，CS–Ma–Gel 的溶脹率先增加后減小，然后趨于平衡。由凝膠照片可以看出，CS–Ma–Gel 達到最大溶脹率1300%后，凝膠體積又開始縮小，但沒有發(fā)現(xiàn)溶解跡象，平衡溶脹率為820%。堿性條件下，殼聚糖質子化–NH3+不斷去質子化，凝膠網(wǎng)絡正電荷減少，導致殼聚糖分子鏈伸展能力和滲透壓降低，因而溶脹能力下降；然而，馬來酸的pKa2為6.23，在堿性條件下馬來酸的第二個–COOH 離子化–COO–，負電荷增加，凝膠網(wǎng)絡帶電性得到一定補償，滲透壓被保持，最后平衡溶脹率820%，明顯高于中性條件下的平衡溶脹率410%。

圖7 CS–Ma–Gel 在不同pH 介質中溶脹曲線（n=3）Fig.7 Swelling ratio curves of CS–Ma–Gel in different pH media (n=3)

在不同pH 介質中，開始階段CS–Ma–Gel 的溶脹率均快速增加，這主要由于離子型凝膠接觸水后，凝膠網(wǎng)絡內滲透壓大，水被吸入[27]，殼聚糖高分子鏈上質子化–NH3+互相排斥，分子鏈伸展，凝膠溶脹。在pH2.00、4.00、6.86 和9.18 的介質中，CS–Ma–Gel最大溶脹率分別為800%、2200%、760%和1300%，這主要是由于隨著介質pH 的變化，殼聚糖–NH2和質子化–NH3+、馬來酸-COOH 和離子化–COO–以不同形式存在，使CS–Ma–Gel 網(wǎng)絡中電荷、親水性能和滲透壓大小不斷變化導致凝膠溶脹性能變化。在酸性、堿性介質下，CS–Ma–Gel 的溶脹性能比中性介質強，展現(xiàn)了兩性離子型pH 響應性水凝膠的特點，有望擴寬其在藥物緩釋體系中的應用[5]。

2.4 Am/CS–Ma–Gel 藥物釋放行為

在不同pH 介質中，Am/CS–Ma–Gel 藥物釋放行為如圖8 所示。由圖8 可知，在pH2.00、4.00、6.86和9.18 的介質中，Am/CS–Ma–Gel 42 h 累計釋藥率分別為24.6%、70.4%、35.7%和50.4%，展現(xiàn)了pH響應性能。Am/CS–Ma–Gel 最大釋藥率與CS–Ma–Gel的最大溶脹率呈正相關（圖9）。在pH4.00 酸性和pH9.18 堿性環(huán)境下，Am/CS–Ma–Gel 的藥物釋放性能比pH6.86 中性介質效果好，具有兩性離子型pH響應水凝膠特性，主要因為CS–Ma–Gel 凝膠網(wǎng)絡中存在酸、堿基團（如氨基和羧基），當環(huán)境pH 發(fā)生變化時，水凝膠的溶脹或收縮實現(xiàn)靶向釋藥[29]。

圖8 不同pH 介質中藥物釋放曲線（n=3）Fig.8 Drug release curves in different pH media (n=3)

圖9 不同pH 介質中最大溶脹率與藥物最大釋放率關系圖Fig.9 Correlation curves between maximum swelling rate and maximum drug release rate

由圖8 可知，在pH2.00、4.00、6.86 和9.18 的介質中，Am/CS–Ma–Gel 在開始藥物釋放速率均較快，一方面是由于凝膠表面的Am 釋放到溶液中，另一方面是由于開始階段CS–Ma–Gel 溶脹速率快，隨著時間的延長，溶脹能力逐漸減?。╬H6.86、pH9.18）或溶脹速率減緩（pH4.00）（如圖7），因而藥物釋放速率降低。在pH4.00 酸性環(huán)境下，Am/CS–Ma–Gel 具有最好的藥物釋放和緩釋性能。由CS–Ma–Gel 溶脹曲線（圖7）所示，開始50 min 快速溶脹，然后緩慢溶脹，10 h 才達到溶脹平衡。Chen 等[30]認為載藥凝膠的釋放分為三步，第一步是黏附于表面的藥物釋放，釋放速率快；而后凝膠內部的藥物基于溶脹藥物釋放，屬于緩釋階段；最后是溶脹的凝膠由外向內被浸蝕，藥物釋放。在pH4.00 介質中，Am 釋放過程符合該釋放模型。在pH2.00 酸性介質中，該凝膠釋藥量和釋藥速率均最小，這可能是由于較強酸性條件下，殼聚糖溶解，溶液粘稠，被包封的Am 藥物分子不能被釋放出來。

馬來酸交聯(lián)殼聚糖構筑的CS–Ma–Gel 展現(xiàn)了獨特的pH 響應性能，在弱酸性和堿性介質中均能展現(xiàn)較好的藥物緩釋性能，有利于其在特殊環(huán)境下的藥物靶向釋放。目前，離子交聯(lián)和動態(tài)共價鍵交聯(lián)的pH 響應殼聚糖水凝膠，在藥物緩釋過程主要表現(xiàn)在酸性條件下緩釋性能較好[10,31-32]，酸性、堿性條件下藥物釋放率高于中性條件下的兩性離子型pH 響應殼聚糖水凝膠未見文獻報道。CS–Ma–Gel 凝膠的溶脹特點和Am 參與凝膠共組裝共同克服了離子交聯(lián)殼聚糖水凝膠（如三聚磷酸鹽）的藥物突釋行為，10 min 釋藥100%[33]，實現(xiàn)了載藥凝膠的藥物緩釋性能和pH 響應性。

3 結論

以馬來酸為離子交聯(lián)劑，利用Na2CO3溶液調控分子間氫鍵作用、靜電作用等超分子組裝驅動力，構筑了離子交聯(lián)的殼聚糖水凝膠。CS–Ma–Gel 形成過程中，馬來酸交聯(lián)殼聚糖分子鏈有序組裝成均勻纖維狀結構，Am 較好地分散在CS–Ma–Gel 中并參與了超分子組裝。在pH2.00、4.00、6.86 和9.18 的緩沖溶液中，CS–Ma–Gel 溶脹率分別為800%、2200%、760%和1300%，酸性和堿性介質中溶脹率高于中性條件下的溶脹率，展現(xiàn)了兩性離子型pH 響應水凝膠的特點。在pH2.00、4.00、6.86 和9.18 的緩沖溶液中，Am/CS–Ma–Gel 42 h 累計釋藥率分別為24.6%、70.4%、35.7%和50.4%，釋藥行為與溶脹性能呈現(xiàn)正相關，表明高分子凝膠的溶脹性能直接影響著其藥物釋放能力。CS–Ma–Gel 制備方法簡單、綠色，具有良好環(huán)境響應性，為兩性離子型pH 響應水凝膠的構筑提供簡單方法，為開發(fā)殼聚糖新型藥物緩釋材料奠定了理論和實驗基礎。