茶樹精油殼聚糖復合材料的緩釋行為研究*

葛　彥，葛明橋

(1. 江南大學 生態紡織教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122;

2. 南通大學 紡織服裝學院，江蘇 南通 226019)

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茶樹精油殼聚糖復合材料的緩釋行為研究*

葛彥1,2，葛明橋1

(1. 江南大學 生態紡織教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122;

2. 南通大學 紡織服裝學院，江蘇 南通 226019)

摘要：以茶樹精油、殼聚糖為主材，利用風干法、凍干法制備4種茶樹精油殼聚糖復合材料，并測定材料中松油烯-4-醇的體外釋放，運用改良的溶脹控釋動力學模型對材料釋放行為進行擬合和分析，探討了茶樹精油脂質體殼聚糖凍干材料的釋放機理。結果表明，改良的溶脹控釋模型能較好地描述茶樹精油殼聚糖復合材料中的松油烯-4-醇體外釋放行為，R2在0.9584～0.9976之間。茶樹精油的分布和結合方式會對模型的擬合產生偏差。松油烯-4-醇在脂質體殼層上的分配效應控制茶樹精油脂質體殼聚糖凍干材料的釋藥，導致松油烯-4-醇勻速、緩慢的擴散過程。

關鍵詞：茶樹精油；殼聚糖；復合材料；緩釋；松油烯-4-醇

0引言

茶樹精油是一種天然抑菌成分，濃度越高，抑菌效果越顯著[1]。同時茶樹精油組分受到光、溫度、空氣的作用極易揮發和氧化[2]，有報道支持這些氧化產物對人體皮膚有致敏性[3-4]。殼聚糖是一種重要的高分子基材，具有良好的生物相容性、生態相容性、廣譜抗菌性、促進傷口愈合等功效，被廣泛應用于食品科學、農業、醫藥和紡織行業中[5-7]。因此，理想的茶樹精油殼聚糖復合材料不僅能夠很好地包封住茶樹精油組分，還能夠提供容納組織液的豐富孔道以及捕獲致病微生物的致密網狀結構。

本文以茶樹精油、殼聚糖為主材，運用不同制備方法獲得4種茶樹精油殼聚糖復合材料，對材料中松油烯-4-醇的體外釋放進行了比較分析，運用釋放動力學模型探討了茶樹精油脂質體殼聚糖凍干材料的緩釋機理。

1實驗

1.1主要實驗材料與試劑

茶樹精油，TTO，南寧創新醫藥科技有限公司，松油烯-4-醇含量為46.96%；殼聚糖，CS，平均分子量為500 kDa，脫乙酰度80%；正十二烷、松油烯-4-醇，GC，梯希愛(上海)化成工業發展有限公司；大豆卵磷脂、膽固醇、乙酸、吐溫-80等其它試劑為分析純，購自于國藥集團化學試劑有限公司。

1.2主要實驗儀器

THZ-C型空氣恒溫振蕩器，太倉市實驗設備廠；ZXRD-7230型全自動鼓風干燥箱，上海智城分析儀器制造有限公司；2.5 L冷凍干燥機，美國Labconco公司；GC-2014C型氣相色譜儀，日本島津公司。

1.3茶樹精油殼聚糖復合材料的制備

1.3.1茶樹精油殼聚糖風干膜(A)

準確稱取0.6 g殼聚糖溶于30 mL乙酸溶液(2%(體積分數))中，攪拌均勻后加入0.12 mL甘油，形成殼聚糖乙酸溶液。取0.12 mL吐溫-80與0.15 mL茶樹精油混合均勻，加入到殼聚糖乙酸溶液中，高速均質后靜置脫泡即得鑄膜液；將鑄膜液倒入9 cm培養皿中，在烘箱中室溫風干，即得茶樹精油殼聚糖風干膜。

1.3.2茶樹精油殼聚糖凍干材料(B)

將1.3.1的鑄膜液倒入9 cm培養皿中，放入真空冷凍干燥箱中，-5 ℃預凍6 h，然后以10 ℃/h的速率降溫至-55 ℃，維持30 min，再降溫至-80 ℃，維持1 h，再升溫至-55 ℃，同時真空度維持在1.2 Pa以下，冷凍干燥72 h，即得茶樹精油殼聚糖凍干材料。

1.3.3茶樹精油脂質體殼聚糖風干膜(C)

采用薄膜水化法制備含有1%(體積分數)茶樹精油的脂質體懸液，獲得的脂質體松油烯-4-醇包封率為97.81%[8]。

準確稱取0.6 g殼聚糖溶于15 mL乙酸溶液(2%(體積分數))中，攪拌均勻后加入0.12 mL甘油，形成殼聚糖乙酸溶液。取15 mL茶樹精油脂質體懸液加入該殼聚糖乙酸溶液中，高速均質后靜置脫泡即得鑄膜液；將鑄膜液倒入9 cm培養皿中，在烘箱中室溫風干，即得茶樹精油脂質體殼聚糖風干膜。

1.3.4茶樹精油脂質體殼聚糖凍干材料(D)

將1.3.3的鑄膜液倒入9 cm培養皿中，按照1.3.2凍干程序凍干，即得茶樹精油脂質體殼聚糖凍干材料。

1.4茶樹精油殼聚糖復合材料中總松油烯-4-醇的含量測定

將茶樹精油殼聚糖復合材料稱重后分別置于具塞錐形瓶中，加入50 mL無水乙醇，振蕩12 h，通過氣相色譜法測定乙醇中的松油烯-4-醇含量[8]，計算復合材料中總松油烯-4-醇含量。

1.5茶樹精油殼聚糖復合材料的松油烯-4-醇體外釋放測定

將茶樹精油殼聚糖復合材料剪成直徑2 cm的圓片，稱重后分別置于具塞錐形瓶中，加入100 mL，12 mmol/L pH值為7.2 PBS緩沖液，置于空氣恒溫振蕩器中，37 ℃，振蕩頻率150 r/min，設定2，4，8，12，24，48，72，120和168 h取樣，通過氣相色譜法檢測松油烯-4-醇的含量。松油烯-4-醇累積釋藥率根據累積釋藥百分率式(1)計算

(1)

其中，CTR為累積松油烯-4-醇體外釋放率；cT為測得的PBS中松油烯-4-醇濃度，g/mL；V為PBS溶液的體積，mL；wT為復合材料中松油烯-4-醇的質量濃度，g/g；m為樣品的質量，g。

2結果與討論

2.1材料中松油烯-4-醇的釋放行為

測定茶樹精油殼聚糖復合材料的釋放行為，結果如圖1所示。

圖1　茶樹精油殼聚糖復合材料的松油烯-4-醇釋放

Fig 1 Terpinen-4-ol release of tea tree oil/chitosan composites

由圖1可知，茶樹精油殼聚糖復合材料的累積釋藥率基本隨著時間的增加而增大，表明在整個釋藥過程中，復合材料中的松油烯-4-醇都有釋放。其中，B材料釋藥速率最大。其主要原因是由于缺乏脂質體包封，整個材料中的松油烯-4-醇處于完全游離的狀態。與其它復合材料相比，它具有更高的游離松油烯-4-醇濃度和較大的孔隙率。由緩釋藥物擴散機理可知，當多孔材料表面濃度與介質濃度之間存在松油烯-4-醇濃度梯度時，有利于松油烯-4-醇擴散到介質中去，并且當濃度梯度增大時，擴散速度會加快，而當孔隙率較大時，擴散系數也增大，導致擴散速率進一步增大。因此，B材料初始釋藥速率最大，在4 h內即釋放完全。

A材料由于其孔隙率小于B材料，因此松油烯-4-醇的擴散速率減小。但是,隨著材料在PBS中不斷地溶脹，孔隙率也在不斷地增大。在2～4 h時，由于A材料的松油烯-4-醇濃度梯度大于B材料，而它們經過2 h的溶脹具有相似的孔隙率和擴散系數，根據Fick定律，此時的A材料釋藥速率要超過B材料。8 h，A材料的松油烯-4-醇也釋放完全。

在2 h內，D材料約3%的游離松油烯-4-醇突釋之后，進入勻速釋藥期，由于脂質體膜對茶樹精油的包封，松油烯-4-醇的釋放速率很慢。盡管殼聚糖凍干材料的孔隙率較大，具有較大的擴散系數，但是由于松油烯-4-醇在脂質體外層的分配系數也很大，因此松油烯-4-醇濃度梯度較小，使得釋藥速率被控制得較低。松油烯-4-醇的釋放速率大約為0.04%/h，經1周的釋放，材料中僅有10%左右的松油烯-4-醇被釋放到PBS中。

C材料的表現介于A材料與D材料之間。由于采用風干干燥的方式，致使較大的茶樹精油脂質體受到一定程度的破壞，茶樹精油游離出來結合到殼聚糖網絡中，而較小的茶樹精油脂質體仍然保存較好。材料中茶樹精油的結合方式比較復雜，這樣導致了C材料的釋藥速率介于A材料與D材料之間。

2.2茶樹精油殼聚糖復合材料的釋放動力學表征

藥物釋放動力學是表征載體藥物釋放有效性的重要特征之一，良好的數據相關性可以很好地解釋藥物在載體中的釋放機制。根據溶脹控釋的移動前沿理論和能量定律，Korsmeyer等建立的一個簡便的半經驗方程式(2)來描述溶脹控釋系統中的藥物釋放[9]

(2)

通過引入延遲時間的概念，Kim、Fassihi和Ford等將Korsmeyer的半經驗方程進行了修正[10-12]。在經過估算突釋效應后，修正后的方程如式(3)

(3)

式中，tlag表示藥物釋放時滯；b為在突釋效應時所釋放的藥物總量。

利用式(3)對茶樹精油殼聚糖復合材料的松油烯-4-醇體外釋放行為進行擬合，擬合效果如圖2所示，擬合參數如表1所示。

其中，僅有C的R2值稍低，其它材料擬合度均達到0.99以上。與之前的分析一致，C材料中茶樹精油的分布與結合情況較為復雜，因此方程的擬合度較差。A、B、C3種材料的n均小于0.45，說明復合材料的釋藥受Fick擴散的控制，但是D材料，0.45

圖2　茶樹精油殼聚糖復合材料改良后溶脹控釋模型擬合

茶樹精油殼聚糖復合材料釋放動力學方程參數ktlagnbR2A93.52.000.01621.93×10-110.9945B26.42.000.011672.40.9976C55.52.000.1321.65×10-120.9584D0.1082.000.8093.140.9945

從表1還可以看出，4種材料的藥物釋放時滯相同，即溶劑浸潤材料的時間相同，說明藥物釋放時滯只與基材的量有關。

考察4種材料的突釋效應，發現風干膜由于存在溶劑浸潤、殼聚糖分子舒展、膨脹過程，突釋效應并不十分明顯。而凍干膜由于存在冰升華后留下的大量孔洞，因此，殼聚糖分子舒展、膨脹過程不明顯，能引起突釋效應。直接證據就是D材料突釋效應為3.14%，與脂質體中未包封的松油烯-4-醇所占百分比接近。而B材料由于沒有脂質體的包封，茶樹精油大部分以游離的狀態存在于材料孔壁上，突釋效應達到72.4%。

2.3茶樹精油脂質體殼聚糖凍干材料的松油烯-4-醇體外釋放機理

D材料中松油烯-4-醇的濃度分布如圖3所示。根據材料的結構特征和松油烯-4-醇的濃度分布可以將松油烯-4-醇的釋放模型分為兩個階段：第1階段，材料表層及孔隙中的游離松油烯-4-醇大量溶出，擴散推動力Δc為cb-c，此過程是突釋階段，由液膜擴散控制；第2階段，殼聚糖材料孔隙表面脂質體及脂質體中的松油烯-4-醇，在材料內部與主流體相之間的濃度梯度作用下向材料表層擴散，擴散推動力Δc為cr-cb。

圖3茶樹精油脂質體殼聚糖凍干材料內外的松油烯-4-醇濃度分布

Fig 3 The distribution of terpinen-4-ol concentration inside and outside tea tree oil/chitosan freeze-drying composite

由于茶樹精油各組分親水性和疏水性的原因，使得它們在脂質體不同結構之間發生了不等分配(圖4)。根據理想稀溶液的分配定律，有式(4)

(4)

式中，K為分配系數，松油烯-4-醇的辛醇-水分配系數對數值為3.26[2]，由此推測cmax為cr的1 800多倍。因此，通過脂質體包封以及吐溫80親水層[13]、殼聚糖包衣降低了松油烯-4-醇的濃度梯度，減弱了松油烯-4-醇向脂質體外的擴散速率。

圖4　茶樹精油脂質體的松油烯-4-醇濃度分布

Fig 4 The distribution of terpinen-4-ol concentration in tea tree oil liposomes

由于分配效應成為了D材料中松油烯-4-醇體外釋放的主要限制步驟，因此，整個材料的松油烯-4-醇釋放可以看作為脂質體中松油烯-4-醇的釋放。采用擴散控釋動力學模型中的球形儲庫型模型對材料進行模型擬合。

球形儲庫型模型可模擬為由一個包裹著藥物儲庫核心的聚合物囊殼構成。它假設藥物包載于一個球殼內，球殼外徑為R，內徑為Ri，藥物擴散釋放必須穿過厚度為(R-Ri)的聚合物球殼層[14]。當觀測時間足夠長(即t趨向于無窮大)，藥物通過球殼的擴散速率(即釋放速率)趨于恒定，得到式(5)

(5)

式中，D為擴散系數；Cmax為儲庫中藥物的含量。由于藥物在儲庫中的含量有限，對于不同的儲庫型制劑，理想狀態的擴散釋藥只能在一定時間內發生；此外，藥物的累積釋放量也不可能隨著時間的延長而無限增加。經式(5)進一步簡化，得式(6)

(6)

將式(6)用于D材料松油烯-4-醇體外釋放的模型擬合，取t∈[8,168]，得到擬合方程式

模型擬合度R2達到0.9987，說明球形儲庫型模型適用于D材料的松油烯-4-醇體外釋放，在藥物突釋后該過程符合零級動力學過程。

3結論

(1)運用不同制備方法成功獲得4種不同的茶樹精油殼聚糖復合材料。在整個釋藥過程中，復合材料中的松油烯-4-醇都有釋放，其累積釋藥率基本隨著時間的增加而增大，其中，B材料釋藥速率最大，只有D材料保持勻速、緩慢釋藥。

(2)茶樹精油殼聚糖復合材料可以用修正的Korsmeyer-Peppas模型進行描述，A、B、C材料的釋藥受Fick擴散的控制，但是D材料的釋藥屬于非Fickian擴散或不規則擴散。D材料的松油烯-4-醇體外釋放受分配效應控制。

(3)材料D突釋效應小，釋放速率慢。殼聚糖的吸附性與茶樹精油脂質體的殺菌性能有機結合，有可能創造一種微環境，通過殼聚糖的網絡及表面正電荷吸引、吸附、捕獲微生物細胞，這些微生物細胞能與局部的含有高濃度茶樹精油的脂質體發生融合、吞噬，破壞細胞膜，使細胞內物質變性，引起菌體死亡。殺菌的整個過程在材料內部完成，有助于提高材料D的殺菌效果和作用時間，避免殺菌劑與皮膚接觸可能引起的過敏或炎癥反應。

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Sustained-release behavior of tea tree oil-chitosan composite materials

GE Yan1,2，GE Mingqiao1

(1. Key Laboratory of Eco-Textiles (Jiangnan University)，Ministry of Education，Wuxi 214122，China;2. School of Textile and Clothing，Nantong University，Nantong 226001，China)

Abstract:Four kinds of tea tree oil-chitosan composites were prepared using methods of air-drying and freeze-drying based on the main ingredients including tea tree oil and chitosan. We determined the release of terpinen-4-01 in vitro and used improved swelling controlled release kinetic models to fit and analyze the release behavior of materials in order to discuss the release mechanism of tea tree oil liposome/chitosan freeze-drying material. The results showed that improved swelling controlled release kinetic models could describe the release behavior of terpinen-4-01 in vitro from tea tree oil liposome/chitosan freeze-drying composite because R2 was between 0.9584 and 0.9976. The distribution and combination mode of tea tree oil with composites would produce bias in model fitting. Terpinen-4-01 release depended on the distribution effect of terpinen-4-01 in liposome shell of tea tree oil liposome/chitosan freeze-drying material, resulting in the uniform and slow diffusion process of terpinen-4-01.

Key words:tea tree oil; chitosan; composite material; sustained-release; terpinen-4-01

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.02.025

文獻標識碼：A

中圖分類號：R318.08

作者簡介：葛彥(1981-)，女，江蘇南通人，在讀博士，師承葛明橋教授，從事功能性材料制備研究。

基金項目：國家高技術研究發展計劃(863計劃)資助項目(2012AA030313); 教育部創新團隊資助項目(IRT1135)；南通市科技計劃資助項目(MS12015065)

文章編號：1001-9731(2016)02-02125-05

收到初稿日期：2015-05-05 收到修改稿日期：2015-09-15 通訊作者：葛明橋，E-mail：ge_mingqiao@126.com