靜電噴射技術制備可酸致突釋給藥的殼聚糖微顆粒

王小雪，巨曉潔，2，褚良銀，2，謝銳，汪偉，劉壯

（1 四川大學化學工程學院，四川成都 610065；2 高分子材料工程國家重點實驗室，四川成都 610065）

近幾年，包載活性物質的聚合物微顆粒一直備受關注，由于它可以廣泛應用于藥物送達系統[1-2]、食品[3]、農用化學產品[4-5]等領域，起到維護活性物質的穩定性、控制釋放活性物質、減少環境污染等作用。其中，環境刺激響應型智能微顆粒在控制釋放和靶向釋放等方面具有更明顯的優勢，可以通過環境溫度、pH 值、磁場等因素的改變來實現控制釋放過程[6-7]。人體的不同組織器官部位有著不同的pH 值環境，并且在很多病理條件下人體的生理pH值也會發生很大的變化[8]。例如，胃液的pH 值在空腹的狀態下是1.2，而在飽腹的狀態下會達到5.0[9]。近年來隨著經濟的發展，人們的飲食習慣改變，情緒和工作壓力也持續增加，各年齡段胃潰瘍的發生率不斷增加，而胃酸紊亂是引起這類疾病的主要原因。酸抑制療法在近幾十年中一直被用來治療這類疾病。這種治療方法需要藥物在短時間內迅速釋放以緩解病人的癥狀[10]。因此，研發一種能在酸性條件下迅速釋放藥物的聚合物微顆粒作為藥物載體，具有重要的研究意義和應用前景。

殼聚糖作為自然界中唯一存在的聚陽離子型堿性多糖，具有良好的生物活性、生物相容性、體內可降解性等優點，在生物醫學和藥物控釋領域一直都備受關注[11-12]。在之前的工作中，作者發現通過對苯二甲醛與殼聚糖交聯形成的Schiff-base 結構具有明顯的pH 響應特性[13]。在中性環境中，經對苯二甲醛交聯的殼聚糖凝膠具有很好的穩定性，并且能夠維持其原有的形狀和結構完整。然而，在低pH值的酸性條件下，這種Schiff-base 結構會變得不穩定最終使殼聚糖凝膠分解。因此，通過對苯二甲醛交聯形成的殼聚糖微顆粒可以作為胃部突釋給藥的優良載體。

目前用于制備殼聚糖微顆粒的方法主要有乳化交聯法[14]、單凝聚法[15]、復凝聚法[16]、噴霧干燥 法[17-18]等，這些方法大多采用機械攪拌或者超聲來制備乳液，使得制備得到的殼聚糖微顆粒存在粒徑不可控、單分散性差的問題。粒徑不均一將會帶來用藥效果的重現性不好、藥物的生物利用度低、藥物靶向性差等諸多問題。隨著Shirasu Porous Glass（SPG）膜乳化技術和微流控技術的引入，為制備單分散性好的乳液、微顆粒提供了新的途徑。但是，在使用SPG 膜乳化技術制備殼聚糖微顆粒時，需要先對SPG 膜進行復雜的疏水處理；而微流控技術不僅裝置制備過程復雜，還較難實現產品的大規模生產[19-20]。近年來，靜電噴射技術（electrospraying technology）發展迅速，成為一種簡單、高效制備微米及納米尺度顆粒的新技術[21-22]。該方法設備簡單、成本低廉、操作方便，有利于大規模生產；而且制備所得的聚合物顆粒單分散性良好。利用這種技術能夠將藥物封裝在聚合物顆粒材料中，從而提高藥物的分散性與穩定性，而且藥物的包封率可以達到80%左右[23-25]。

因此，本工作采用靜電噴射技術來制備具有良好單分散性的殼聚糖載藥微顆粒。該方法是通過高壓靜電使含有藥物的殼聚糖水溶液噴射形成粒徑均一的液滴，當液滴進入油相接收液后可以形成單分散性良好的W/O 乳液模板，油相中的對苯二甲醛交聯劑擴散進入水相液滴與殼聚糖高分子發生交聯反應，最終獲得具有酸致溶解特性的殼聚糖微顆粒。研究中，以能夠抑制胃酸分泌的西咪替丁為模型藥物，考察了交聯劑濃度對殼聚糖微顆粒的藥物包封率以及載藥量的影響，并對微顆粒在酸性條件下的溶解特性以及體外釋藥行為作了研究。

1 實驗部分

1.1 主要實驗材料和儀器

殼聚糖（脫乙酰度為85%、Mw= 5000），食品級，濟南海得貝海洋生物工程有限公司；對苯二甲醛，化學純，國藥集團化學試劑有限公司；聚甘油蓖麻醇三酯（PGPR 90），丹麥Danisco 公司；西咪替丁，阿達瑪斯試劑有限公司；其他所用化學試劑均為分析純，成都科龍化學試劑有限公司。

FA1104 型電子分析天平（精度為1mg），上海精密科學儀器有限公司；Seven Multi 型pH/電導率/離子綜合測試儀，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；TGL-16C 型飛鴿離心機，上海安亭科學儀器廠；TS2-60 型注射泵，保定蘭格恒流泵有限公司；SS-2534H 型靜電紡絲設備，北京永康樂業科技發展有限公司；DM4000 型熒光顯微鏡，德國Leica；JSM-7500F 型掃描電鏡（SEM)，日本電子公司；Prestige-21 型傅里葉紅外變換光譜儀（FT-IR），日本島津公司；UV-1700 型紫外-可見分光光度計（UV-vis），日本島津公司；TCS SP5 型激光共聚焦顯微鏡（CLSM），德國Leica。

1.2 殼聚糖載藥微顆粒的制備

如圖1 所示，靜電紡絲設備主要由注射泵、連接有金屬針頭的注射器、正高壓電源（H.V）、接地的磁力攪拌器組成。本研究中制備殼聚糖微顆粒時，是以混有藥物的殼聚糖水溶液作為噴射液，甲苯/正己醇的混合溶液（1/1，體積比）作為接收液。制備時，將配好的噴射液裝入注射器中，通過注射泵以140μL/h 的流速推動噴射液由金屬針頭流出，其中注射泵和注射器都垂直放置，在金屬針頭處施加高壓電源使噴射液滴在金屬針頭下形成噴射，高壓電源控制在5～6kV 之間使噴射液形成穩定的單錐噴射（cone-jet mode）即可。裝有油相接收液的玻璃培養皿作為接收器放在磁力攪拌器上并置于金屬針頭的正下方，金屬針頭與接收液液面之間的距離為5cm。在噴射過程中，接收液需要緩慢地攪拌（300r/min），以避免噴射液滴進入接收液中堆積、合并。

圖1 靜電噴射實驗裝置及載藥微顆粒制備過程的示意圖

殼聚糖水溶液在靜電高壓的作用下噴射形成單分散性良好的噴射液滴，噴射液滴進入接收液后形成W/O 乳液模板，油相接收液中對苯二甲醛交聯劑與水相液滴中的殼聚糖高分子發生交聯反應。為了確保水相中的殼聚糖高分子交聯完全，交聯過程持續反應8h，最終制備得到殼聚糖載藥微顆粒。將交聯好的殼聚糖微顆粒用異丙醇洗去微顆粒表面的油相接收液，然后分散在純水中。

噴射液和接收液的具體配制過程如下。

稱取0.2g 的殼聚糖加入到9mL 純水中，快速攪拌至完全溶解后加入0.5mL 的二甲基亞砜攪拌混勻；用1mol/L 的NaOH 溶液調節溶液的pH 值至6.3～6.5 之間；離心（8000r/min，20min）去除不溶性雜質，取上清液，加入0.5mL 溶有0.01g 西咪替丁的乙醇溶液攪拌混勻，即作為混有藥物的殼聚糖噴射液。

選擇甲苯和正己醇的混合溶液作為油相接收液，其在常溫下的黏度很小為2.62mPa·s，密度為0.846g/cm-3（小于水的密度），由此可以使噴射液滴到達接收液液面后能夠迅速浸沒于接收液中形成W/O 乳液模板，避免噴射液滴浮在接收液液面與后面的噴射液滴合并。分別量取正己醇和甲苯以1∶1的體積比混合均勻作為溶劑，加入60g/L 的PGPR 90、0.6%（體積比）的四甲基乙二胺和2.0%的對苯二甲醛，攪拌至完全溶解，即作為油相接收液。其中，對苯二甲醛為交聯劑；PGPR 90 為油溶性表面活性劑，可使所得W/O 乳液穩定；四甲基乙二胺為堿性試劑，可以通過加快交聯反應的速度來避免乳液的絮凝與合并。

1.3 殼聚糖微顆粒的形貌及化學結構表征

采用熒光顯微鏡觀察分散在油相溶液中的殼聚糖微顆粒的形貌；采用SEM 觀察干態殼聚糖微顆粒的形貌。

采用FT-IR 分別對殼聚糖空白微顆粒、西咪替丁藥物、包載有西咪替丁藥物的殼聚糖微顆粒的化學結構進行表征，樣品采用溴化鉀壓片法制備。

1.4 殼聚糖載藥微顆粒包封率及載藥量的測定

用pH = 2、37℃的鹽酸溶液配制具有不同濃度的西咪替丁溶液，用UV-vis 在218nm 處分別測定不同藥物溶液的吸光度值，繪制藥物濃度與吸光度之間的標準曲線。

準確稱取一定量的殼聚糖載藥微顆粒，用5mL的鹽酸溶液（pH = 2、37℃）將微顆粒溶解，用UV-vis測定該溶液在218nm 處的吸光度值，通過標準曲線計算出藥物的含量。

微顆粒藥物包封率、載藥量的計算公式如式（1）、式（2）所示。

式中，C 為計算得到的西咪替丁濃度，μg/mL；M1為實際加入藥物的量，μg；M2為微顆粒的總質量，μg。

1.5 殼聚糖載藥微顆粒的酸響應性能的表征

酸致溶解實驗是在實驗室自制的玻璃凹槽中進行的，首先取少量分散在純水中（pH = 6.4）的殼聚糖載藥微顆粒混懸液，滴加在自制的玻璃凹槽中，使用溫控熱臺作為控溫裝置，控制其溫度為37℃；然后，加入過量的pH = 2、37℃的鹽酸溶液（模擬胃液），在CLSM 下拍攝微顆粒的變化過程。

對于控釋實驗，首先用UV-vis 測定并繪制藥物在pH = 6.4、37℃的純水溶液中的濃度-吸光度標準曲線。然后分別在37℃下pH = 2 的鹽酸溶液和pH = 6.4 的純水環境中對殼聚糖載藥微顆粒的釋藥效果進行對比研究。準確稱取10 組殼聚糖載藥微顆粒，分別編號為1、2、3、4、5、1′、2′、3′、4′、5′，將1～5 組分別分散在5mL、pH = 2 的鹽酸溶液中，1′～5′組分別分散在5mL、pH = 6.4 的純水中，通過恒溫水浴控制各個樣品的溫度于37℃。在1min 時取1 和1′號樣品，過濾后測定其吸光度值，并通過標準曲線計算溶液中藥物含量；在5min 時取2 和2′號樣品，過濾后測定其吸光度值并計算藥物含量；以此類推，分別依次在10min、30min、60min 時取3 和3′、4 和4′、5 和5′號樣品，過濾測定其吸光度值并計算藥物含量，并進一步計算出累計釋藥率，具體的計算公式如式（3）所示。

式中，Ci為第i 號樣品計算得到的西咪替丁的濃度，μg/mL；Mi為第i 號樣品微顆粒的總質量，μg；DL 為微顆粒的載藥量。

2 結果與討論

2.1 殼聚糖載藥微顆粒的形貌及化學結構

圖2 殼聚糖載藥微顆粒的熒光照片及SEM 照片

通過采用靜電噴射技術，成功制備出了殼聚糖載藥微顆粒。圖2 分別為制備得到的殼聚糖載藥微 顆粒的熒光顯微照片和SEM 照片。可以看出，由于對苯二甲醛與殼聚糖反應形成的Schiff-base 結構使得微顆粒呈現綠色熒光，制備得到的微顆粒具有比較均一的粒徑大小和良好的分散性。殼聚糖微顆粒呈現出不規則的形狀，這是由于微顆粒表面的凹陷引起的，這種凹陷的形貌在SEM 照片[圖2(b)]看得更為清楚。這種凹陷是由于噴射液中的乙醇在噴射過程中揮發引起的[26-27]。在噴射過程中，乙醇會從噴射液滴表面揮發導致噴射液滴表面的殼聚糖濃度高于噴射液滴內部殼聚糖的濃度，從而使噴射液滴形成凹陷，盡管噴射滴表面和內部的殼聚糖存在濃度差但是高分子的擴散速度很慢而且噴射過程時間非常短，使得噴射液滴在進入接收液之前不能恢復成球形，而進入接收液后，接收液中的交聯劑會先與噴射液滴表面的殼聚糖發生交聯使其凹陷形狀固化，最終使殼聚糖微顆粒呈現不規則的形狀。

圖3 分別為殼聚糖空白微顆粒(a)、西咪替丁藥物(b)、殼聚糖載藥微顆粒(c)的FT-IR 圖譜。從殼聚糖空白微顆粒的 FT-IR 圖譜中可以看到，在1050cm-1處有殼聚糖分子中C—O 的伸縮振動吸收峰，在3400cm-1附近有殼聚糖分子中—OH 和未反應的—NH2的伸縮振動峰的重疊；從藥物分子的FT-IR 圖譜中可以看到，在1640cm-1和2190cm-1有兩個比較強的特征吸收峰，分別為藥物分子中C=N 和C≡N 的伸縮振動吸收峰；而在殼聚糖載藥微顆粒的FT-IR 圖譜中，既有殼聚糖分子的特征吸收峰，又有藥物分子的特征吸收峰，結果顯示藥物被成功包封于殼聚糖微顆粒中。

圖3 空白微顆粒、藥物及載藥微顆粒的FT-IR 圖譜

2.2 交聯程度對殼聚糖載藥微顆粒包封率及載藥量的影響

交聯劑的濃度會影響殼聚糖凝膠網絡結構的交聯程度[14，19]，即凝膠的致密程度，從而可能會影響殼聚糖微顆粒的包封率和載藥量。因此，考察了交聯劑對苯二甲醛的濃度對殼聚糖微顆粒的藥物包封率及載藥量的影響。如圖4 所示，分別考察了交聯劑質量分數為0.5%、1%、2%時制備得到的殼聚糖載藥微顆粒的藥物包封率和載藥量。本實驗中，2%的交聯劑質量分數為其在油相接收液中的最大溶解濃度，當交聯劑質量分數大于2%時，交聯劑在接收液中不能完全溶解而使接收液呈渾濁狀態，從而影響微顆粒的制備。

圖4 不同交聯劑含量制備得到載藥微顆粒的包封率及 載藥量

這種以對苯二甲醛為交聯劑制得的殼聚糖載藥微顆粒，對于西咪替丁藥物的包封率和載藥量與文獻中通過噴霧干燥方法、以戊二醛為交聯劑制得的殼聚糖載藥微球的結果類似[18]。結果表明，交聯劑濃度會影響藥物的包封率和載藥量。由圖4(a)可以看出，當交聯劑質量分數為0.5%和1%時，制備得到的載藥微顆粒的包封率均比較低，分別為51%和54%。而當交聯劑質量分數增加到2%時，微顆粒的藥物包封率可以達到80%。這是因為，當交聯劑濃度較低時，微顆粒的表面結構比較疏松，這就使得 微顆粒包載的藥物在油相接收液中攪拌反應8h 以及后續的離心濃縮、洗滌過程中容易泄露出來，從而降低微顆粒的包封率。而當交聯劑的濃度增加時，可以形成網絡結構比較致密的凝膠微顆粒，得到包封率較高的殼聚糖載藥微顆粒。同樣的，當交聯劑的濃度比較低時，與殼聚糖的反應速度慢，而且形成的凝膠網絡結構比較疏松，因此，得到的微顆粒的載藥量也比較低，如圖4(b)所示，繼續增加交聯劑的質量分數到2%時，其與殼聚糖的反應速度加快，形成的凝膠微顆粒的網絡結構也比較致密，從而能夠得到載藥量較高的殼聚糖微顆粒。

由此，為了得到包封率和載藥量均較高的殼聚糖微顆粒，需要選擇合適的交聯劑濃度。實驗結果表明，最佳交聯劑質量分數為2%。

2.3 殼聚糖載藥微顆粒的酸響應性能

為了評價所制備得到的殼聚糖載藥微顆粒在酸性條件中溶解的能力，對微顆粒在pH = 2、37℃的鹽酸溶液中的溶解過程進行了研究，并通過CLSM拍攝了其在酸性溶液中的溶解過程。如圖5 所示，當微顆粒的周圍環境從純水溶液改變為pH = 2 的酸性溶液時，微顆粒先迅速溶脹然后在32s 內完全溶解。殼聚糖微顆粒在酸性溶液中先溶脹是因為殼聚糖微顆粒中游離的氨基在酸性條件中質子化使得殼聚糖分子鏈之間產生靜電斥力，而最終殼聚糖微顆粒在酸性介質中完全溶解，是由于殼聚糖與對苯二甲醛反應生成的Schiff-base 結構在酸性介質中的水解作用。以上實驗結果顯示，制備所得的殼聚糖微顆粒具有在酸性條件下分解的能力，因此，可以被用于胃部酸抑制劑的突釋給藥系統。

圖5 載藥微顆粒在酸性條件下溶解的CLSM 截圖

為了證明制備得到的殼聚糖載藥微顆粒能夠在服藥過程的中性pH 值環境中保持結構穩定，而在低pH 值酸性條件下能夠迅速溶解并釋放藥物，對比研究了殼聚糖載藥微顆粒分別在pH = 2、37℃的鹽酸溶液和pH = 6.4、37℃的純水中的釋藥效果。圖6 所示為殼聚糖載藥微顆粒分別在pH = 2、37℃的鹽酸溶液和pH = 6.4、37℃的純水中的釋放曲線。由圖中可以看出，當殼聚糖載藥微顆粒分散在pH = 2、37℃的鹽酸溶液中，1min 內即可達到最大的藥物釋放率，起到快速釋放藥物的效果。這一酸致突釋現象與圖5 中殼聚糖微顆粒在pH = 2、37℃的鹽酸溶液中迅速溶解的現象一致，當微顆粒環境改變為pH = 2 的酸性溶液時，微顆粒可以在32s 內完全溶解。與之相反，當殼聚糖載藥微顆粒分散在pH = 6.4、37℃的純水中時，藥物釋放率在10min 內僅有少量釋放，這主要是由分布在微顆粒表面的藥物擴散到純水環境中引起的。隨后，微顆粒在純水中的釋藥率趨于平緩，在1h 內釋藥率僅為12.5%，說明包封于微顆粒內部的藥物在服藥過程的中性pH 值環境中不會大量泄漏。

圖6 載藥微顆粒分別在pH = 2、pH = 6.4，37℃的環境中藥物的累計釋放率

3 結 論

（1）利用靜電噴射技術，以西咪替丁作為模型藥物，以含有藥物的殼聚糖水溶液為噴射液，甲苯/正己醇的混合溶液為接收液，成功制備得到單分散性良好的殼聚糖載藥微顆粒。

（2）交聯劑對苯二甲醛的含量能夠影響殼聚糖載藥微顆粒的藥物包封率和載藥量，當交聯劑濃度為2%時，殼聚糖微顆粒的包封率及載藥量最大，分別為80%和3.8%。

（3）以對苯二甲醛為交聯劑制備得到的殼聚糖微顆粒，在中性條件下能夠保持結構完整，而在酸性條件下由于Schiff-base 結構的不穩定性致使微顆粒迅速溶解。

（4）體外釋藥結果表明，制備得到的殼聚糖載藥微顆粒在pH = 2、37℃的模擬胃酸溶液中，1min內即可達到最大的釋藥效果，具有明顯的酸致突釋給藥特性。

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