雙孔道管狀有序介孔炭對維生素B12的吸附緩釋性能

王小蓉 郝廣平 陸安慧 李文翠

(精細化工國家重點實驗室,大連理工大學化工學院,遼寧大連116023)

雙孔道管狀有序介孔炭對維生素B12的吸附緩釋性能

王小蓉 郝廣平 陸安慧 李文翠*

(精細化工國家重點實驗室,大連理工大學化工學院,遼寧大連116023)

通過納米鑄型法,以硅基介孔分子篩SBA-15為模板,糠醇為碳源,草酸作為聚合催化劑合成了具有雙孔道管狀有序介孔炭CMK-5.利用粉末X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)和氮氣物理吸附法等對其結構進行了表征.結果表明合成的CMK-5具有有序結構,比表面積和孔容積分別高達1856 m2·g-1和2.10 cm3· g-1,在3.1和5.5 nm具有集中的雙孔分布.由于獨特的雙孔道結構特點,CMK-5在120 min內快速吸附維生素B12至平衡,吸附量高達943 mg·g-1,遠高于商用活性炭.CMK-5吸附維生素B12后可以直接用于緩釋,動態緩釋濃度維持在～9 mg·L-1,適用于維生素B12分子在人體內的緩釋.

有序介孔炭;雙孔道;維生素B12;吸附;藥物緩釋

1 引言

維生素B12(VB12)作為參與體內多種代謝的水溶性維生素,其針劑藥物需要頻繁給藥,給患者造成不便.藥物緩釋劑能在較長時間內維持體內有效濃度,可大大提高藥效.因此藥物緩釋材料是目前熱門的研究課題之一.1-4自2001年Vallet-Regi等5首次使用介孔硅MCM-41作為藥物載體,介孔材料在控制藥物緩釋載體方面的應用引起廣泛的關注.介孔炭材料由于具有高比表面積、尺寸可調、形貌可控、表面易官能化、無生理毒性等優點被認為是極具潛力的藥物緩釋載體.但一些介孔材料對藥物分子的吸附效率低,6-9藥物緩釋速率快,10-12不能滿足人體的需求.如Zhai等13對介孔炭CMK-3進行表面改性再注入熱響應聚合物來作為布洛芬的緩釋載體,它對布洛芬的負載量僅為25%,因此需要選擇合適的載體來提高載藥量.以硅基介孔分子篩SBA-15為模板,通過納米鑄型法合成的介孔炭CMK-5由于具有高比表面積,有序的雙孔道結構和化學穩定性而被廣泛應用于催化、氫存儲、分離提純和吸附大分子等領域,14-17但在藥物緩釋載體方面還未見報道.鑒于這種納米鑄型法合成的炭含有豐富的中孔,且中孔尺寸主要集中在3-6 nm,因此其特別適合于大分子的吸附富集.本文以大分子藥物VB12(分子尺寸為1.84 nm×1.41 nm×1.14 nm)18為例,研究了CMK-5對VB12的吸附及緩釋能力.

2 實驗部分

2.1 實驗試劑

糠醇購自上海金山亭新化學試劑廠,為化學純;草酸購自華北地區特種化學試劑開發中心,為分析純;1,3,5-三甲苯、碳酸氫鈉、磷酸氫二鉀、氯化鎂、氯化鈣、硫酸鈉、三羥甲基氨基硅烷、VB12均購自國藥集團化學試劑有限公司,其中VB12為生物純,其它均為分析純;氫氧化鈉、氯化鈉、氯化鉀均購自天津市科密歐化學試劑有限公司,為分析純;濃鹽酸、乙醇購自天津市富宇精細化工有限公司,為分析純.

2.2 CMK-5的合成

硅基介孔分子篩SBA-15參照文獻19合成. CMK-5是以SBA-15為模板,糠醇為碳源,草酸作為聚合催化劑合成.具體的合成過程13如下:分別量取4 mL糠醇,4 mL 1,3,5-三甲苯于10 mL玻璃瓶中,加入40 mg草酸作為聚合催化劑,溶解搖勻.稱取0.5 g SBA-15模板放到10 mL玻璃瓶中,加入上面配置好的聚合物溶液900 μL,等體積浸漬.密封后50°C老化24 h,再90°C老化24 h.將干燥后的聚合物在氮氣氣氛下于850°C熱解4 h.用質量分數為7%的氫氧化鈉-乙醇水溶液去除氧化硅模板,取出后過濾得到CMK-5,水洗至pH=7,再用乙醇洗滌3次并于50°C干燥后得到CMK-5有序介孔炭產品.

2.3 樣品表征

粉末X射線衍射(XRD)在德國STADI P衍射儀上測定,掃描范圍0.85°-2°,掃描速率0.02(°)· min-1;使用美國Micromeritics公司的ASAP 2020型全自動氮吸附比表面積測試儀在-196°C下測試氮氣吸附-脫附曲線,比表面積采用Brunauer-Emmett-Teller(BET)法計算,孔徑分布采用Barret-Joyner-Halenda(BJH)法計算;用日本Hitachi S-5500電子掃描顯微鏡(SEM)觀察介孔材料的形貌;透射電子顯微鏡(TEM)為日本Hitachi HF 7500高分辨透射電子顯微鏡,加速電壓為200 kV;VB12溶液的濃度測定采用上海天美科學儀器有限公司UV2300型紫外可見分光光度計.

2.4 維生素B12的吸附

配制質量濃度為500 mg·L-1的VB12溶液.將25 mg CMK-5加入到50 mL的VB12溶液中,恒溫25°C磁力攪拌,轉速為400 r·min-1.用紫外可見分光光度計在λmax=361 nm處測吸附后VB12溶液的濃度.按下式計算吸附量:qt=V×(C0-Ct)/m,qe=V× (C0

-Ce)/m.其中,qt為t時刻VB12的吸附量,qe為平衡吸附量,V為溶液體積,C0為溶液起始濃度,Ct為t時刻溶液濃度,Ce為平衡濃度,m為吸附劑的質量.

2.5 維生素B12的緩釋

首先將VB12負載在CMK-5上:將250 mg CMK-5加入到500 mL質量濃度為500 mg·L-1的VB12溶液中,吸附溫度為25°C,400 r·min-1磁力攪拌24 h.我們研究了兩種緩釋條件:在固定體積溶液中的靜態緩釋和在流動相液體中的動態緩釋.靜態緩釋過程如下:將吸附后的溶液過濾,干燥后得到CMK-5/VB12樣品,放入500 mL的類人體液中,室溫磁力攪拌24 h,為第一輪緩釋.第二輪緩釋是將第一次緩釋后的樣品過濾干燥,再放入500 mL新鮮的類人體液中,室溫磁力攪拌24 h.依次做第三輪.動態緩釋采用帶有過濾膜的玻璃管,將第三輪靜態緩釋后的樣品擔載在膜上,新鮮的類人體液以一定的速度流經樣品,緩釋的溶液再慢慢地滲透從玻璃管下方流出,定時取樣進行測量,共緩釋6 d.類人體液按文獻20配制.

3 結果與討論

圖1 (a)SBA-15,SBA-15/C,CMK-5的小角XRD圖;(b)CMK-5的掃描電鏡圖Fig.1 (a)XRD patterns of SBA-15,SBA-15/C,and CMK-5;(b)SEM image of CMK-5Inset in Fig.1(b)is the TEM image of SBA-15.

3.1 介孔炭CMK-5的結構表征

圖1(a)為模板SBA-15,炭硅復合物(SBA-15/C)及產品CMK-5的小角XRD衍射圖.從圖中可以看出,SBA-15/C及CMK-5在2θ=0.80°-1.80°區間內均出現三個明顯的衍射峰,分別對應(100)、(110)、(200)晶面,這是六方相介孔結構的典型特征衍射峰.21說明CMK-5很好地復制了SBA-15的結構.13

圖1(b)為CMK-5平行于孔道方向觀察到的掃描電鏡圖,從圖中可以看出CMK-5具有兩種孔道.其六方有序的環狀結構平行于CMK-5的孔道方向,孔道結構規整.對照圖1(b)中插入部分的SBA-15透射電鏡圖,可以發現CMK-5很好地復制了SBA-15規整的二維六方孔道結構.

進一步采用物理吸附法測試了樣品的吸脫附曲線.從圖2(a)中可以看出SBA-15,SBA-15/C和CMK-5的氮氣吸附等溫線都是IV型,為典型的介孔材料的吸附特征.從圖2(b)中可以看出CMK-5為雙孔分布,分別為脫除模板孔壁后產生的3.1 nm的孔道和未填滿SBA-15產生的5.5 nm的孔道.樣品的織構參數列于表1中,脫除模板后,CMK-5的比表面積及孔容高達1856 m2·g-1和2.10 cm3·g-1.

3.2 CMK-5吸附VB12性能

圖3中顯示了CMK-5對VB12的吸附量隨時間的變化曲線.由圖3可見,在剛開始的30 min內,吸附量快速增加,VB12負載量達到平衡負載量的89.10%.在120 min CMK-5對VB12達到吸附飽和,平衡吸附量為943 mg·g-1,遠高于文獻22-24報道的其它規則的介孔炭.CMK-5具有高比表面積,大孔容及雙孔道有序結構,有利于VB12分子的運載和傳輸.為了進行對比,本文選取規則的介孔炭CMK-3及不規則的介孔椰殼活性炭(AC)來吸附VB12.前期的研究結果證明CMK-3和CMK-5是分別由體相填充和表面涂層SAB-15孔道而復制的介孔炭.25-28CMK-3的介孔孔道結構與CMK-5雙孔體系中的一種孔道結構相似,即脫除模板后產生的孔隙.因此通過對比這兩種炭吸附VB12的結果可以反應出雙孔道結構與材料性能之間的構效關系.表1列出了這兩種材料的織構參數及對VB12的平衡吸附量,其吸附曲線見圖3.

圖2 SBA-15,SBA-15/C,CMK-5的氮氣吸附-脫附曲線(a)和BJH孔徑分布(b)Fig.2 N2adsorption-desorption isotherms(a)and BJH pore size distributions(b)of SBA-15,SBA-15/C,and CMK-5

表1 樣品的織構參數和平衡吸附量Table 1 Textural parameters of the samples and equilibrium adsorption capacities

由圖3可見,CMK-3對VB12的平衡吸附量為471 mg·g-1,在4 h后基本達到吸附平衡.AC對VB12的平衡吸附量僅為200 mg·g-1.CMK-3和AC的吸附速率較CMK-5要慢,一方面是因為CMK-5具有大孔容及高比表面積,對VB12的吸附容量大;另一方面是CMK-5具有雙孔道結構,5.5 nm的大孔道有利于VB12快速擴散到內部.因此,它達到吸附平衡的時間短.而CMK-3雖然都為介孔,但孔徑稍大于VB12分子,分子擴散運動進入內部需要一定的時間,因此吸附速率較CMK-5要慢.AC具有不規則的大孔、介孔和微孔.VB12經過AC表面的大孔快速進入內部,但是AC的介孔小且不規則,分子很難進入孔道內部或在孔道內部的擴散運動受阻礙,因此AC對VB12的吸附速率及吸附量都很低.這些都說明CMK-5的雙孔道規則結構有利于維生素B12的吸附.

圖3 CMK-5,CMK-3,AC對VB12的吸附量隨時間變化曲線Fig.3 Time-resolved adsorption capacity of VB12 on CMK-5,CMK-3,andAC

3.3 CMK-5/VB12在類人體液中的緩釋性能

與CMK-3及AC相比,CMK-5對大分子藥物VB12的吸附效果最好.因此我們選取CMK-5作為VB12的載體,研究其負載VB12后在類人體液中的緩釋性能.

圖4(a)是三輪靜態緩釋的濃度隨時間的變化曲線,第一輪緩釋的速率很快,濃度在2 h就基本達到平衡,為28 mg·L-1.后兩輪的緩釋濃度要低于第一輪,這可能是因為CMK-5對VB12的吸附量大.由于濃度差,在CMK-5表面及5.5 nm大孔道里的藥物分子快速脫附下來擴散至溶液中.隨時間的延長,溶液與CMK-5表面濃度達到平衡.比較三輪靜態緩釋,濃度及速率隨次數的增加依次降低,這可能是由于表面的藥物分子脫附后,孔道內壁的藥物分子先脫附下來至孔道中,然后再由孔道慢慢擴散至材料表面,最后擴散至溶液當中.

圖4(b)是CMK-5/VB12樣品動態緩釋濃度隨時間的變化曲線,研究發現,溶液的濃度維持在9 mg· L-1左右(該濃度是每天多次取樣測量的平均值),這表明經過前三輪的靜態緩釋,CMK-5表面的VB12已經全部釋放出來.動態緩釋的VB12是來自于孔道內部及孔壁上的.經過6天的緩釋,其濃度維持不變,表明孔道內部及孔壁上吸附的VB12是以相同的速率擴散至溶液中.CMK-5介孔材料作為VB12的高載藥量載體,在動態緩釋過程中能一直源源不斷地緩釋,并且其吸附VB12后就能直接用于緩釋,不需要做其他處理如熱響應或pH響應.29,30上述研究結果表明CMK-5介孔材料在流動液中對VB12具有顯著的緩釋行為,并且能夠保持流動液中VB12的濃度基本恒定.人體內的液體是流動的,并且對VB12是一個消耗的過程.試想,如果將其用于人體藥物緩釋,這將是一個邊消耗邊緩釋補充和維持VB12濃度穩定的過程.基于能夠在流動相中長時間維持藥物的濃度恒定這一顯著特點,CMK-5的性能要優于其它快速釋放藥物的緩釋劑.31,32當然,需要指出的是由于這類介孔炭材料的生物相容性及毒性研究尚不明確,因此能否將其作為藥物的緩釋載體進行實際應用,還需要開展后續的研究.我們希望本文的研究工作能為未來如何設計高效的藥物吸附和緩釋材料提供一點參考.

圖4 CMK-5/VB12靜態緩釋濃度(a)和動態緩釋濃度(b)隨時間變化曲線Fig.4 Cumulative release of VB12 under static condition(a)and dynamic condition(b)

4 結論

以硅基介孔分子篩SBA-15為模板,糠醇為碳源,草酸為聚合催化劑合成的CMK-5具有雙孔道管狀有序介孔結構,大孔容及高比表面積.CMK-5對大分子藥物VB12的吸附量高達943 mg·g-1,是一種非常好的高載藥量載體.其吸附VB12后能直接用于緩釋并且具有很好的可控性能,動態緩釋能維持在一定的濃度,適合用于人體內VB12分子的定量釋放.

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April 18,2011;Revised:June 14,2011;Published on Web:June 27,2011.

Adsorption and Release Behavior of Vitamin B12 in Tubular Structured Ordered Mesoporous Carbon

WANG Xiao-Rong HAO Guang-Ping LU An-Hui LI Wen-Cui*
(State Key Laboratory of Fine Chemicals,School of Chemical Engineering,Dalian University of Technology, Dalian 116023,Liaoning Province,P.R.China)

Ordered mesoporous carbon with hexagonal arrays consisting of tubular-type pores(CMK-5) was synthesized via a nanocasting process by the direct use of SBA-15 as a template,furfuryl alcohol as a carbon source and oxalic acid as the catalyst.The structure of CMK-5 was analyzed by different techniques including scanning electron microscopy,powder X-ray diffraction and N2adsorption analysis. The specific surface area and pore volume were found to be 1856 m2·g-1and 2.10 cm3·g-1,respectively, with mesopore sizes concentrated at 3.1 and 5.5 nm.Because of the unique structure the adsorption capacities of CMK-5 towards vitamin B12 was found to be as high as 943 mg·g-1in a short period of 120 min,which is significantly higher than that of commercial activated carbon.The composites of CMK-5 and vitamin B12 without any treatment gave slow-release performance in a simulated body fluid.The concentration of the release solutions remained 9 mg·L-1under dynamic conditions.A high loading capacity and slow release rate of vitamin B12 on the CMK-5 support suggested that CMK-5 might have a potential application in drug delivery.

Ordered mesoporous carbon;Dual-model pore channel;Vitamin B12;Adsorption; Drug release

?Corresponding author.Email:wencuili@dlut.edu.cn;Tel/Fax:+86-411-84986122.

The project was supported by the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China(20100041110017).

高等學校博士學科點專項科研基金(20100041110017)資助項目

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