pH敏感型交聯微球的制備

張建平，郭建峰，張 堯，楊 姣

（中北大學 化工與環境學院，山西 太原 030051）

石油化工新材料

pH敏感型交聯微球的制備

張建平，郭建峰，張 堯，楊 姣

（中北大學 化工與環境學院，山西 太原 030051）

采用鈰鹽-羥基氧化還原引發體系，以對苯乙烯磺酸鈉（SSS）和葡聚糖（Dex）為原料，通過自由基接枝聚合將聚對苯乙烯磺酸鈉（PSSS）接枝到Dex上，得到接枝共聚物Dex-g-PSSS，再通過交聯反應合成C（Dex-g-PSSS）微球。利用FTIR、光學顯微鏡、Zeta電位儀表征了試樣的結構和形態，研究了反應條件對PSSS接枝度的影響，考察了C（Dex-g-PSSS）微球在模擬胃液和結腸液中的溶脹率。表征結果顯示，C（Dex-g-PSSS）微球為交聯微球，其Zeta電位為絕對值較大的負值。實驗結果表明，在適宜的反應條件（硫酸鈰銨濃度12 mmol/L、H+濃度0.08 mol/L、Dex 5 g、SSS 5 g、50 ℃，6 h）下，可得到接枝度為11.86 g（基于100 g Dex-g-PSSS）的PSSS。C（Dex-g-PSSS） 微球有較明顯的pH敏感性，它在模擬胃液中的溶脹率僅有134%，在模擬結腸液中的溶脹率可達到678%，是潛在的口服結腸定位給藥系統基質材料。

pH敏感；交聯微球；葡聚糖；對苯乙烯磺酸鈉；口服結腸定位給藥系統；接枝聚合

口服結腸定位給藥系統（OCDDS）因具有減少口服藥物在胃與小腸的釋放、使藥物特定在結腸釋放、提高結腸病變部位的藥物濃度、降低藥物用量等優點［1-4］而成為近年來藥物制劑學的研究熱點。葡聚糖（Dex）具有無毒、生物可降解、極易改性和生物相容性好等優點，而且具有在胃和小腸中不降解、在結腸才易被葡聚糖酶降解的優勢［5］。目前Dex凝膠已被證實是一種良好的OCDDS基質材料［6-10］，但由于人體內的環境復雜，研究者一直試圖通過對Dex進行改性賦予其新的物理化學性能以提高其結腸定位效果［11-13］。

本工作采用鈰鹽-羥基氧化還原引發體系，以對苯乙烯磺酸鈉（SSS）和Dex為原料，通過自由基接枝聚合將陰離子聚電解質聚對苯乙烯磺酸鈉（PSSS）接枝到Dex上得到接枝共聚物Dex-g-PSSS，再通過交聯反應合成C（Dex-g-PSSS） 微球。利用FTIR、光學顯微鏡、Zeta電位分析了試樣的結構和形態，研究了反應條件對PSSS接枝度的影響，并考察了C（Dex-g-PSSS）微球在模擬胃液和模擬腸液中的溶脹率。

1 實驗部分

1.1 試劑

Dex：生化試劑，相對分子質量4×104，國藥集團化學試劑有限公司；SSS：分析純，成都西亞試劑有限公司；硫酸鈰銨：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；環氧氯丙烷：分析純，天津市福晨化學試劑廠；其他試劑均為市售分析純試劑。

1.2 C（Dex-g-PSSS）微球的制備和表征

1.2.1 合成原理

合成C（Dex-g-PSSS） 微球的反應原理見式（1）～（2）。通過氧化還原［14-15］反應，Ce4+首先與Dex的羥基發生反應生成初級自由基，再引發SSS 與Dex發生接枝聚合反應，得到接枝聚合物Dexg-PSSS。然后在堿性條件下，Dex-g-PSSS與開環的環氧基團發生親核取代反應，生成中間產物，中間產物繼續與Dex-g-PSSS發生親核取代反應，該反應遵循親核取代雙分子反應機理［16］，最終制得C（Dex-g-PSSS） 微球。

1.2.2 Dex-g-PSSS的制備過程

采用鈰鹽-羥基氧化還原引發體系，使Dex與SSS接枝聚合得到接枝聚合物Dex-g-PSSS。具體方法為：將5 g Dex溶于50 mL蒸餾水中，倒入裝有攪拌器、冷凝管、氮氣導管和溫度計的四口燒瓶中，通N230 min，升溫至50 ℃后在N2保護下依次加入5 g SSS、引發劑硫酸鈰銨溶液和濃硫酸，保溫反應6 h，冷卻至室溫；蒸發反應中的大部分水，然后用甲醇沉淀；再在索氏抽提器中用甲醇抽提24 h以除去少量未反應的SSS和未接枝的PSSS；60 ℃下真空干燥至恒重，得到Dex-g-PSSS。

Dex ：dextran；SSS：sodium styrene sulfonate；PSSS：poly （sodium 4-styrene sulfonate）；Dex-g-PSSS：dextran grafted poly （sodium 4-styrene sulfonate）；C（Dex-g-PSSS）：crosslinking dextran grafted poly（sodium 4-styrene sulfonate）

1.2.3 C（Dex-g-PSSS）微球的制備

利用交聯反應制備C（Dex-g-PSSS） 微球：將6 g Dex-g-PSSS溶于20 mL 去離子水中作為水相、將6 mL環氧氯丙烷、3 g 司班 60和100 mL液體石蠟攪拌均勻作為油相。將水相跟油相分別加入到250 mL 的三口瓶中，攪拌使其分散均勻，加熱至70 ℃，分批次加入40%（w）的 NaOH 水溶液 5 mL，反應3 h 后升溫至 90 ℃，固化 7 h。產物用乙醇和石油醚反復洗滌，然后在真空干燥箱中干燥至恒重，最終制得C（Dex-g-PSSS） 微球。

1.3 分析與表征

用Malvern Instruments 公司Zetasizer Nano-Z 型Zeta 電位分析儀在不同pH下測定試樣的Zeta電位；用Perkin-Elmer 公司1700 型傅里葉變換紅外光譜儀（KBr壓片）對試樣的化學結構進行表征；采用電導滴定法［17］測定Dex-g-PSSS中PSSS 的接枝度；用Olympus公司Olympus BX51型光學顯微鏡觀察試樣的微觀結構。

1.4 溶脹率的計算

用0.1 mol/L HCl模擬胃液，pH=7.4的磷酸鹽緩沖液模擬結腸液。分別移取15 mL模擬胃液和模擬結腸液，置于若干個50 mL的具塞錐形瓶中，再分別稱取50 mg C（Dex-g-PSSS） 微球加入上述錐形瓶中，37 ℃下恒溫振蕩，每隔一段時間，稱其質量（微球試樣取出后用濾紙擦去表面水分立即稱量），按式（3）計算微球的溶脹率（Rs）。用溶脹率可衡量微球的吸水能力。

式中，md為溶脹前微球的質量。g；mw為溶脹后微球的質量，g。

2 結果與討論

2.1 試樣的表征

2.1.1 FTIR的表征結果

試樣的FTIR譜圖見圖1。從圖1可看出，在Dex-g-PSSS 和 C（Dex-g-PSSS）的譜圖中出現了若干新峰：1 637，1 401 cm-1處出現了歸屬于苯環骨架振動的特征吸收峰；1 128，1 010 cm-1處出現了分別歸屬于磺酸基中SO3伸縮振動和S＝O鍵對稱伸縮振動的特征吸收峰；1 151 cm-1處的吸收峰歸屬于醚鍵的不對稱伸縮振動。在C（Dex-g-PSSS）的譜圖中，2 852 cm-1處出現了新的吸收峰，該吸收峰可能歸屬于交聯聚合生成的亞甲基C—H鍵的伸縮振動。表征結果顯示，SSS與Dex發生了接枝聚合。

圖1 試樣的FTIR譜圖Fig.1 FTIR spectra of samples.

2.1.2 光學顯微鏡的表征結果

C（Dex-g-PSSS）微球的光學顯微鏡照片見圖2。從圖2可看出，C（Dex-g-PSSS）微球為交聯微球，但微球的大小不均一。造成微球大小不均一的因素較多，如攪拌轉速、油水比及交聯劑用量等。

圖2 C（Dex-g-PSSS）微球的光學顯微鏡照片Fig.2 Optical microscope image of C（Dex-g-PSSS） microspheres.

2.1.3 Zeta電位曲線的表征結果

試樣在不同pH下的Zeta電位見圖3。從圖3可看出，Dex的Zeta電位為正值，且絕對值非常小，說明Dex基本不帶電荷；Dex-g-PSSS的Zeta電位發生了根本性的變化，其Zeta電位為負值，且絕對值較大，說明Dex-g-PSSS帶有較多的負電荷。這是因為在Dex-g-PSSS上接枝了PSSS，而PSSS為陰離子聚電解質，PSSS上的磺酸鈉基團在水介質中全部電離，使聚合物表面帶上高密度的負電荷。C（Dex-g-PSSS）微球的Zeta電位絕對值較Dex-g-PSSS有一定下降，但在所測的pH范圍內，C（Dex-g-PSSS）微球的Zeta電位仍為絕對值較大的負值，說明其表面也帶有較多的負電荷。

圖3 試樣在不同pH下的Zeta電位Fig.3 Zeta potential curves of the samples at different pH.Dex ；Dex-g-PSSS；C（Dex-g-PSSS）

2.2 反應條件的影響

2.2.1 引發劑用量的影響

硫酸鈰銨濃度對PSSS接枝度的影響見圖4。從圖4可看出，PSSS接枝度隨硫酸鈰銨濃度的增加呈先增大后減小的趨勢，這是由于隨硫酸鈰銨濃度的增大，Dex上的初級自由基數目增多，故PSSS的接枝度增大；但硫酸鈰銨過量會產生大量的自由基，引起過多的PSSS發生均聚，同時過量的硫酸鈰銨也會使接枝聚合鏈的氧化終止被加速，初級自由基的氧化終止也被加?。?8-19］，導致接枝度下降。所以硫酸鈰銨濃度為12 mmol/L較適宜。

2.2.2 硫酸用量的影響

為抑制Ce4+的水解，接枝聚合需在酸性介質中進行。硫酸用量（即H+濃度）對PSSS接枝度的影響見圖5。從圖5可看出，隨H+濃度的增加，PSSS接枝度呈先增大后減小的趨勢。這是因為，隨H+濃度的增加，Ce4+的水解能力變弱，則Ce4+的濃度就越高，故接枝度隨之增大；但當Ce4+與羥基生成初級自由基時會生成H+，所以H+過量反而會抑制初級自由基的生成，接枝度也隨之降低。因此H+適宜的濃度為0.08 mol/L。

圖4 硫酸鈰銨濃度對PSSS接枝度的影響Fig.4 Effect of ammonium cerous sulfate concentration on the grafting degree（GD） of PSSS.Conditions：Dex 5 g，SSS 5 g，c（H+）=0.08 mol/L，50 ℃，6 h. GD based on per 100 g Dex-g-PSSS，the same below.

圖5 硫酸用量對PSSS接枝度的影響Fig.5 Effect of sulfuric acid dosage on GD of PSSS.Conditions：Dex 5 g，SSS 5 g，c（ammonium cerous sulfate）=0.012 mol/L，50 ℃，6 h.

實驗結果表明，在適宜的反應條件（硫酸鈰銨濃度12 mmol/L、H+濃度0.08 mol/L、Dex 5 g、SSS 5 g、50 ℃，6 h）下，PSSS的接枝度為11.86 g（基于100 g Dex-g-PSSS）。

2.3 交聯微球的溶脹率

C（Dex-g-PSSS）微球在模擬胃液和模擬結腸液中的溶脹率曲線見圖6。從圖6可看出，在模擬胃液中，C（Dex-g-PSSS）微球的溶脹率僅有134%，而在模擬結腸液中，C（Dex-g-PSSS）微球的溶脹率在6 h內達到678%。說明C（Dexg-PSSS）微球有較明顯的pH敏感性，是潛在的OCDDS基質材料。C（Dex-g-PSSS）微球的溶脹率隨pH的增大而增大，這是因為C（Dex-g-PSSS）微球中有許多磺酸基團，當pH較小時，磺酸基主要以和H2SO3形式存在，C（Dex-g-PSSS）微球的帶電性較小，分子鏈間的相互作用力也較小，溶脹率較低；隨pH的增大，磺酸基更多的以-SO32-形式存在，微球帶電性逐漸增大，分子鏈間的相互作用力也變大，溶脹率隨之變大。

圖6 C（Dex-g-PSSS）微球在模擬胃液和模擬結腸液中的溶脹率Fig.6 Swelling ratio of C（Dex-g-PSSS） microspheres in the simulated gastric and intestinal juices.In the stimulated intestinal juice；In the stimulated gastric juice

3 結論

1）利用鈰鹽-羥基氧化還原引發體系，將Deg 與SSS發生接枝聚合反應得到接枝聚合物Dex-g-PSSS，再通過交聯反應得到C（Dex-g-PSSS） 微球。C（Dex-g-PSSS）微球為交聯微球，且微球大小不均一，同時其Zeta電位為絕對值較大的負值。

2）在適宜的反應條件（硫酸鈰銨濃度12 mmol/ L、H+濃度0.08 mol/L、Dex 5 g、SSS 5 g、50 ℃，6 h）下，PSSS的接枝度為11.86 g。

4）C（Dex-g-PSSS）微球有較明顯的pH敏感性，它在模擬胃液中的溶脹率僅有134%，在模擬結腸液中的溶脹率可達到678%，是潛在的OCDDS基質材料。

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（編輯 鄧曉音）

Preparation and Characterization of pH Sensitive Crosslinked Microspheres

Zhang Jianping，Guo Jianfeng，Zhang Yao，Yang Jiao
（Department of Chemical Engineering，North University of China，Taiyuan Shanxi 030051，China ）

A graft copolymer，Dex-g-PSSS，was synthesized through free radical graft copolymerization of sodium 4-styrene sulfonate（SSS） and dextran（Dex） with cerium salt-hydroxyl group redox initiation system. And then C（Dex-g-PSSS） microspheres were prepared by crosslinking reaction. Dex，Dex-g-PSSS and C（Dex-g-PSSS） were characterized by means of FTIR，optical microscope and Zeta potential analyzer. The swelling ratios of C（Dex-g-PSSS） in the simulated gastric and intestinal juices were studied. The results showed the crosslinked microsphere structure and negative Zeta potential of C（Dex-g-PSSS）. Under the optimum conditions of c（ammonium cerous sulfate） 0.012 mol/L，c（H+） 0.08 mol/L，Dex 5 g，SSS 5 g，50 ℃ and 6 h，the grafting degree of PSSS was 11.86 g（based on 100 g Dex-g-PSSS）. C（Dex-g-PSSS） possesses obvious pH sensitivity and its swelling ratios in the simulated gastric and intestinal juices reached 134% and 678%，respectively. The C（Dex-g-PSSS） microspheres are a potential material for oral colon-specific drug delivery system.

pH sensibility；crosslinked microsphere；dextran；sodium 4-styrene sulfonate；oral colon-specific drug delivery system；graft copolymerization

1000-8144（2015）03-0370-05

TQ 316.343

A

2014 - 09 - 10；［修改稿日期］ 2014 - 12 - 03。

張建平（1987—），男，河北省張家口市人，碩士生，電話 18234194531，電郵 zhanjianping12345@163.com。聯系人：郭建峰，電話 0351 - 3945368，電郵 jianfengguo@nuc.edu.cn。

山西省科技攻關項目（20130321017 - 03）；海南省重點科技計劃項目（ZDXM20130089）。