Fe3O4/羧甲基殼聚糖磁性載藥微球的制備及釋藥性能

韓利華 ,趙由春,高　揚,陳春江,王家喜,尚宏周

(1.唐山三友硅業(yè)有限責任公司，河北 唐山 063305；2.河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津 300130；3.華北理工大學(xué)化工學(xué)院，河北 唐山 063009)

Fe3O4/羧甲基殼聚糖磁性載藥微球的制備及釋藥性能

韓利華1,2,3,趙由春1,高揚3,陳春江1,王家喜2,尚宏周3

(1.唐山三友硅業(yè)有限責任公司，河北 唐山 063305；2.河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津 300130；3.華北理工大學(xué)化工學(xué)院，河北 唐山 063009)

摘要：通過乳化交聯(lián)法制備了負載有抗癌藥物5-氟尿嘧啶的Fe3O4/羧甲基殼聚糖磁性載藥微球。利用紅外光譜(IR)和掃描電鏡(SEM)對載藥微球的結(jié)構(gòu)與形貌進行了表征，研究了影響載藥微球載藥和釋藥性能的因素。IR測試顯示載藥微球中含有磁性Fe3O4；SEM照片顯示載藥微球尺寸均一，表面光滑。確定制備磁性載藥微球的最佳條件為：5-氟尿嘧啶0.5 g、磁性Fe3O40.2 g、戊二醛8 mL；磁性載藥微球在溫度為35~40 ℃、pH值為5.2的緩沖溶液中釋藥量達到峰值，適用于人體十二指腸腫瘤的治療。

關(guān)鍵詞：羧甲基殼聚糖；磁性Fe3O4；載藥微球；5-氟尿嘧啶；釋藥性能

近年來，靶向給藥作為一種新型藥物輸送方式引起了人們的廣泛關(guān)注[1-3]。磁性靶向給藥系統(tǒng)一般由藥物和磁性復(fù)合微球組成，通過注射進入體內(nèi)，可在外加磁場的作用下將藥物輸送到特定的病變部位釋放，能大幅降低藥物的使用劑量和毒副作用，提高治療效率[4]，在腫瘤治療領(lǐng)域具備潛在的應(yīng)用價值。但這一過程要求藥物載體的磁性可隨磁場的去除而消失，并可被安全地排出體外，因此藥物載體必須無毒、無害且具有一定的生物相容性。殼聚糖具有良好的生物相容性和較強的藥物緩釋能力[5]，改性成為羧甲基殼聚糖后其水溶性明顯提高，有利于更好地進入腫瘤細胞中，減輕患者對藥物的不耐受性，是理想的藥物載體。

作者在此選用羧甲基殼聚糖和磁性Fe3O4為藥物載體，以對腸道腫瘤、乳腺腫瘤、胰腺腫瘤等都具備較好療效的5-氟尿嘧啶為負載藥物，通過乳化交聯(lián)法制備Fe3O4/羧甲基殼聚糖磁性載藥微球，并對影響其載藥和釋藥性能的因素進行研究，以確定最佳的載藥、釋藥條件。

1實驗

1.1　試劑與儀器

殼聚糖(脫乙酰度96.12%)，浙江金殼化學(xué)有限公司；5-氟尿嘧啶(分析純)，江蘇美達化學(xué)品有限公司；液體石蠟、Span-80(化學(xué)純)、戊二醛(分析純)，天津光復(fù)精細化工研究所；FeCl3·6H2O、PEG-4000、氯乙酸、石油醚、冰醋酸、醋酸鈉、氫氧化鈉(分析純)，天津永大化學(xué)試劑有限公司；FeSO4·7H2O、乙醇、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、碳酸氫鈉(分析純)，天津天力化學(xué)試劑有限公司；鹽酸(分析純)，天津凱信化學(xué)工業(yè)有限公司。

Nicolet380型紅外光譜儀，美國尼高力公司；S-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡，日本日立公司；UV1901型紫外可見分光光度計，北京普析通用儀器公司；PHS-3C型酸度計，賽多利斯科學(xué)儀器有限公司；再生纖維素管式透析袋(截留量14 000)，美國Viskase。

1.2　Fe3O4/羧甲基殼聚糖磁性載藥微球的制備

以FeCl3·6H2O、FeSO4·7H2O、PEG-4000等為原料，依據(jù)文獻[6]采用化學(xué)共沉淀法制備得到磁性Fe3O4。

以殼聚糖、氯乙酸等為原料，依據(jù)文獻[7]制備得到羧甲基殼聚糖。

將1.2 g羧甲基殼聚糖、一定質(zhì)量的磁性Fe3O4和一定質(zhì)量的5-氟尿嘧啶溶于40 mL去離子水中，攪拌至完全溶解，靜置至泡沫消失，即得水相溶液。在80 mL液體石蠟中加入2.4 mL Span-80，攪拌均勻，即得油相溶液。將水相緩慢加入到油相中，攪拌，乳化1.5 h后，滴加一定量的交聯(lián)劑戊二醛，35 ℃繼續(xù)攪拌2.5 h。將產(chǎn)物與乳液分離，用石油醚、乙醇、去離子水各沖洗3次，抽濾，40 ℃真空干燥，即得Fe3O4/羧甲基殼聚糖磁性載藥微球。

微球的載藥性能主要通過載藥量和包封率來表征，載藥量和包封率按式(1)、式(2)計算：

載藥量=(m藥物/m微球)×100%

(1)

包封率=(m包載藥物/m加入藥物)×100%

(2)

式中：m藥物為微球中藥物的質(zhì)量,g；m微球為微球的質(zhì)量，g；m包載藥物為微球中藥物包封的質(zhì)量,g;m加入藥物為加入的總藥量,g。

通過改變5-氟尿嘧啶、磁性Fe3O4和戊二醛的用量制備Fe3O4/羧甲基殼聚糖磁性載藥微球，并測定其載藥量和包封率，優(yōu)化Fe3O4/羧甲基殼聚糖磁性載藥微球的制備條件。

1.3　Fe3O4/羧甲基殼聚糖磁性載藥微球的藥物釋放

以冰醋酸、醋酸鈉、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、碳酸氫鈉和氫氧化鈉為原料分別配制pH值為5.2、7.4和9.2的緩沖溶液。分別在10 mL pH值為5.2、7.4和9.2的緩沖溶液中加入0.1 g Fe3O4/羧甲基殼聚糖磁性載藥微球，將裝有緩沖溶液的透析袋放入100 mL燒杯中，并加入40 mL與透析袋內(nèi)pH值相同的緩沖溶液，測定不同時間燒杯中液體的吸光度。

將0.1 g Fe3O4/羧甲基殼聚糖磁性載藥微球加入到10 mL pH值為5.2的緩沖溶液中，將裝有緩沖溶液的透析袋放入150 mL燒杯中，加入90 mL pH值為5.2的緩沖溶液。將燒杯分別放在不同溫度的恒溫水浴中72 h，取燒杯中液體測定吸光度。

1.4　5-氟尿嘧啶標準曲線的繪制

用紫外可見分光光度計測定不同條件下5-氟尿嘧啶在266 nm的吸光度，繪制5-氟尿嘧啶的標準曲線。

1.5　測試表征

將羧甲基殼聚糖粉末、磁性Fe3O4粉末及Fe3O4/羧甲基殼聚糖磁性載藥微球粉末溴化鉀壓片后進行紅外光譜測試。將Fe3O4/羧甲基殼聚糖磁性載藥微球表面噴金處理，用掃描電鏡觀察其形貌。

2結(jié)果與討論

2.1　紅外光譜分析

圖1為羧甲基殼聚糖、Fe3O4/羧甲基殼聚糖磁性載藥微球和磁性Fe3O4的紅外光譜。

圖1　羧甲基殼聚糖(a)、Fe3O4/羧甲基殼聚糖磁性載藥微球(b)和磁性Fe3O4(c)的紅外光譜Fig.1　IR Spectra of carboxymethyl chitosan(a),Fe3O4/carboxymethyl chitosan magnetic drug carrying microspheres(b) and magnetic Fe3O4(c)

由圖1a可知，3 437 cm-1為O-H和N-H的伸縮振動峰，1 628 cm-1為-NH2的彎曲振動峰，1 324 cm-1為-COOH中C-O的伸縮振動峰，1 072 cm-1為β-1,4糖苷鍵的伸縮振動峰。由圖1c可知，577 cm-1處有明顯的Fe-O特征峰[8]。由圖1b可知，F(xiàn)e3O4/羧甲基殼聚糖磁性載藥微球中上述特征峰全部存在，但某些峰的位置和強度發(fā)生了不同程度的變化。-NH2的彎曲振動峰偏移到了1 610 cm-1，且峰形變寬，強度減弱，說明-NH2與戊二醛中的-CHO發(fā)生了交聯(lián)反應(yīng);577 cm-1的Fe-O特征峰偏移到了554 cm-1處，說明磁性Fe3O4被成功負載于羧甲基殼聚糖微球中。

2.2　Fe3O4/羧甲基殼聚糖磁性載藥微球的形貌分析(圖2)

圖2　Fe3O4/羧甲基殼聚糖磁性載藥微球的SEM照片(×6000)Fig.2　SEM Image of Fe3O4/carboxymethyl chitosan magnetic drug carrying microspheres(×6000)

從圖2可以看出，載藥微球具有較好的球型結(jié)構(gòu)，且尺寸較均一，粒徑在3.0~4.5μm之間，微球表面比較光滑。這樣的結(jié)構(gòu)有利于藥物的均勻負載和釋放。

2.3　磁性羧甲基殼聚糖微球的載藥性能

2.3.15-氟尿嘧啶用量對載藥量和包封率的影響(圖3)

圖3　5-氟尿嘧啶用量對載藥量和包封率的影響Fig.3　Effect of 5-fluorouracil dosage on drug loading efficiency and encapsulation rate

從圖3可以看出，載藥量隨5-氟尿嘧啶用量的增加而顯著上升，但包封率卻先升后降;當5-氟尿嘧啶用量為0.5 g時，包封率達到最大；當5-氟尿嘧啶用量從0.5 g增加到0.7 g時，包封率顯著下降，繼續(xù)增加用量，包封率無明顯變化。綜合考慮，確定最佳的5-氟尿嘧啶用量為0.5 g。

2.3.2磁性Fe3O4用量對載藥量和包封率的影響(圖4)

圖4　磁性Fe3O4用量對載藥量和包封率的影響Fig.4　Effect of magnetic Fe3O4 dosage on drug loading efficiency and encapsulation rate

從圖4可以看出，隨著磁性Fe3O4用量的增加，載藥量持續(xù)下降，包封率則是先升后降;當磁性Fe3O4用量達到0.2 g時，包封率最高；繼續(xù)增加用量，包封率下降明顯。因此，確定最佳的磁性Fe3O4用量為0.2 g。

2.3.3交聯(lián)劑用量對載藥量和包封率的影響(圖5)

圖5　交聯(lián)劑用量對載藥量和包封率的影響Fig.5　Effect of crosslinking agent dosage on drug loading efficiency and encapsulation rate

從圖5可以看出，交聯(lián)劑戊二醛的用量從4 mL增加到12 mL，載藥量和包封率都呈上升趨勢。說明交聯(lián)劑加入的越多，交聯(lián)程度越高，包裹的藥物越多，包覆越緊密。但戊二醛的用量從8 mL增加到12 mL時，載藥量和包封率的增速均放緩，說明戊二醛的用量在達到8 mL后，繼續(xù)增加用量對載藥量和包封率的提升效果不再明顯。因此，戊二醛用量為8 mL即可。

2.4　Fe3O4/羧甲基殼聚糖磁性載藥微球的釋藥性能

圖6為Fe3O4/羧甲基殼聚糖磁性載藥微球在不同pH值和不同溫度下的釋藥百分率。

從圖6a可以看出，pH值為5.2和7.4時，釋藥百分率在0~72 h內(nèi)緩慢增加，72 h時達到最大值，72 h

圖6pH值(a)和溫度(b)對磁性載藥微球釋藥性能的影響

Fig.6Effect of pH value(a) and temperature(b) on drug release properties of magnetic drug carrying microspheres

后釋藥百分率無明顯變化；pH值為9.2時，釋藥百分率在96 h達到最大值。磁性載藥微球的最大釋藥百分率在pH值為5.2時最高，為53.80%，遠高于pH值為7.4和9.2的釋藥百分率。人體十二指腸的pH值為5.8[9]，因此，F(xiàn)e3O4/羧甲基殼聚糖磁性載藥微球適用于人體十二指腸腫瘤的治療。從圖6b可以看出，磁性載藥微球的釋藥百分率在35~40 ℃達到最大值，符合人體的體溫范圍，說明磁性載藥微球在人體體溫下可達到最大的藥物釋放量，在人體抗癌靶向給藥領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。

3結(jié)論

通過乳化交聯(lián)法制備了Fe3O4/羧甲基殼聚糖磁性載藥微球，并將抗癌藥物5-氟尿嘧啶負載于微球上。結(jié)果表明，載藥微球的載藥性能受投藥量、磁性Fe3O4用量及交聯(lián)劑用量等多種因素影響，在5-氟尿嘧啶用量為0.5 g、磁性Fe3O4用量為0.2 g、戊二醛用量為8 mL時，載藥微球的載藥量和包封率最佳。磁性載藥微球在溫度為35~40 ℃、pH值為5.2的緩沖溶液中藥物釋放量最大。該載藥微球在人體十二指腸腫瘤的治療領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Preparation and Drug Release Properties of Fe3O4/Carboxymethyl Chitosan Magnetic Drug Carrying Microspheres

HAN Li-hua1,2,3,ZHAO You-chun1,GAO Yang3,CHEN Chun-jiang1，WANG Jia-xi2，SHANG Hong-zhou3

(1.TangshanSanyouSiliconIndustryCo.,Ltd.，Tangshan063305,China；2.SchoolofChemical

EngineeringandTechnology,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300130,China；3.CollegeofChemical

Engineering,NorthChinaUniversityofScienceandTechnology,Tangshan063009,China)

Abstract：Fe3O4/Carboxymethyl chitosan magnetic drug carrying microspheres were prepared by emulsion crosslinking method,in which 5-fluorouracil were loaded.Structure and morphlogy of the drug carrying microspheres were characterized by infrared spectroscopy(IR) and scanning electron microscopy(SEM).The factors affecting the drug loading and release properties of the drug carrying microspheres were investigated.IR Test showed that the drug carrying microspheres contained magnetic Fe3O4.SEM Image indicated that drug carrying microspheres were homogeneous in size and surface was smooth.The optimal preparation conditions of magnetic drug carrying microspheres were as follows:0.5 g 5-fluorouracil,0.2 g magnetic Fe3O4,8 mL glutaraldehyde.Releasing content of magnetic drug carrying microspheres reached a peak at 35~40 ℃，pH value 5.2 buffer solution,which was applicable to the treatment of human duodenum tumor.

Keywords：carboxymethyl chitosan;magnetic Fe3O4;drug carrying microspheres;5-fluorouracil;drug release property

中圖分類號：O 646.8

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5425(2015)05-0033-04

doi：10.3969/j.issn.1672-5425.2015.05.008

作者簡介：韓利華(1972-),男，博士，教授，主要從事應(yīng)用化學(xué)及環(huán)境技術(shù)的研究，E-mail:tshlh@heuu.edu.cn。

收稿日期：2015-01-26

基金項目：河北省自然科學(xué)基金資助項目(B2014209200)