海藻酸鈉海綿的制備及其藥物控釋性能

伍甜甜，趙 睿，陳宇欣，蔡 卓，喻湘華，李 亮

武漢工程大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430205

隨著現代科技醫療的迅速發展，人們對藥物載體材料的要求越來越高，不但要求無毒，還需要具有良好的生物相容性、降解性和可控性［1-4］。海藻酸鈉屬于天然多糖高分子材料，它具有優異的生物相容性、降解性和pH敏感性等多種優良特性，被廣泛應用于吸附材料、生物材料和組織工程［5-11］。但是海藻酸鈉凝膠在吸水溶脹后易破裂，而且載藥后易出現藥物突釋現象，較難滿足實際使用要求［12］。為了擴大其作為藥物載體材料的應用，急需提高其性能。海綿具有獨特的多孔狀結構，廣泛應用于生物醫學及其吸水保水等領域。由于海綿具有優異的力學性能和保水率，若將海藻酸鈉通過一定的條件制備成海綿，將可以改變其易碎和強度低等問題。

本研究以氯化鈣為交聯劑，通過冷凍干燥制備海藻酸鈉海綿，并將環丙沙星負載在海綿內得到載藥海綿，對其藥物釋放行為進行研究。然后對載藥海綿通以不同的電壓，測試其藥物釋放速率和藥物釋放率。實驗結果表明，通過控制外加電壓，可以控制載藥海藻酸鈉海綿的釋放行為，達到控釋和緩釋的效果。

1 實驗部分

1.1 海藻酸鈉海綿的制備

配置一定質量分數的海藻酸鈉水溶液，在-20℃冷凍后，置于凍干機中凍干。所得凍干的樣品在氯化鈣水溶液中浸泡6 h，取出用去離子水多次清洗，再次進行冷凍干燥處理，得到海藻酸鈉海綿。

1.2 表征與測試

采用掃描電子顯微鏡（scanning electron micro?scope，SEM）和萬能拉力機分別表征微觀形貌和力學性能。

將干重m0和體積V0的海藻酸鈉海綿放在裝水的燒杯中，浸泡不同時間t后取出，擦掉表面多余的水分，稱重m1。再將其充分浸泡至吸收飽和后取出，擦掉表面多余的水分，稱重m2，計算海綿吸水速率R和海綿吸水率A，具體計算公式如下：

配置質量分數為0.9%的生理鹽水，同樣用上述方法測量海藻酸鈉海綿吸收生理鹽水的性能。

1.3 載藥海藻酸鈉海綿的制備及控釋測定

將海藻酸鈉海綿浸泡在環丙沙星水溶液中12 h，取出擦掉表面多余水分，50℃烘干得載藥海藻酸鈉海綿。將載藥海藻酸鈉海綿浸泡在蒸餾水中，每隔1 h取溶液5 mL，同時補加5 mL蒸餾水，利用紫外可見吸收光譜儀（ultraviolet-visible spec?trometer，UV-vis）測量溶液的吸光度，得到藥物釋放情況。

將載藥海藻酸鈉海綿接在兩電極體系上，對陽極施加一定的電壓，并每隔一段時間測定其吸光度，計算在外加電壓下的藥物釋放情況。

2 結果與討論

2.1 微觀形貌與力學性能

圖1（a）～圖1（d）是海藻酸鈉溶液質量分數分別為1%、2%、2.5%和3%時，制備得到的海藻酸鈉海綿的SEM圖。由圖1可知，海藻酸鈉海綿內部呈多孔狀結構，有利于海綿吸收水分。海藻酸鈉質量分數對海藻酸鈉海綿的微觀結構有一定的影響：在質量分數為1%與3%時，海綿的層與層之間堆疊，折皺增多；當質量分數為2%與2.5%時，制備的海綿多孔通道較多，這些通道使水分子能夠在其中流動，將表現出良好的吸水率。但是海藻酸鈉溶液質量分數對所得的海綿力學強度影響不大，這些海藻酸鈉海綿的拉伸強度在0.16 MPa～0.19 MPa之間，如圖1（e）所示，這可以歸結為海綿通過氯化鈣溶液的交聯處理，Ca2+與海藻酸鈉的Na+發生交換，并且與2條海藻酸鈉分子鏈的羧基相連，從而形成交聯［13］。

圖1 不同質量分數制備的海藻酸鈉海綿的SEM圖：（a）1%，（b）2%，（c）2.5%，（d）3%，（e）對應的拉伸強度Fig.1 SEM images of sodium alginate sponges prepared with mass fraction of（a）1%，（b）2%，（c）2.5%，（d）3%，（e）tensile strength of corresponding sponeges

2.2 海綿吸水性能

圖2為不同質量分數制備的海藻酸鈉海綿的吸水率和吸水速率圖。分別研究了海藻酸鈉海綿對純水與生理鹽水的吸收情況。從圖2可以看出，隨著海藻酸鈉溶液質量分數的增加，海藻酸鈉海綿對純水與生理鹽水的吸收率與吸收速率均增加：當海藻酸鈉溶液質量分數為2.5%時，其吸收率和吸收速率均達到最大；隨著海藻酸鈉溶液質量分數繼續增加到3%時，海綿對純水與生理鹽水的吸收率與吸收速率均大幅降低。這與SEM表征結果一致，在質量分數為1%與3%時，制得的海藻酸鈉海綿微結構中所含的通道較少，不利于較多較快地吸收水分。當海藻酸鈉溶液質量分數為2.5%時，所得海綿的宏觀樣貌最為光滑平整，微觀孔洞較多且分布相對均勻，有利于水分較多較快地吸收。

圖2 不同質量分數制備的海藻酸鈉海綿的（a）吸水率，（b）吸水速率Fig.2 （a）Water absorption，（b）water absorption rate of sodium alginate sponges prepared with different mass fractions

2.3 載藥海綿的藥物釋放性能

圖3（a）為不同海藻酸鈉質量分數制備的海藻酸鈉海綿負載環丙沙星的釋放曲線。由圖3（a）可以看出，不同海藻酸鈉質量分數制得的海綿負載環丙沙星的釋放曲線的趨勢基本相同，均是先快后慢直至平衡。這主要是由于初期藥物的解吸現象導致最開始一個階段的釋放速度較快，解吸完全后藥物通過介質擴散，釋放速度逐漸變慢直到保持平衡為止［14］。不同海藻酸鈉質量分數制備的海綿，藥物釋放率也是隨著海藻酸鈉質量分數的增加而上升，在海藻酸鈉質量分數為2.5%時環丙沙星的釋放率最高，但是在海藻酸鈉質量分數為2.5%時達到藥釋平衡卻最慢，這主要是由于吸水率越高，載藥率也就越高，從而導致了達到藥物釋放平衡所用的時間變長。隨著海藻酸鈉質量分數的增加，所得海綿內孔與孔互相連通，連通的孔結構導致海綿具有較高的吸水率與載藥率。從而在進行藥物釋放時，能較快地與外界體系進行交換，有利于藥物的快速釋放。隨著海藻酸鈉的質量分數進一步增加，減弱了海綿利于吸水的孔隙結構，使海綿吸水率明顯降低，導致載藥率也下降［15］。

進一步研究了海藻酸鈉質量分數為2.5%時制得的海藻酸鈉海綿在0 V、1.5 V與2.5 V電壓下的藥物釋放曲線，如圖3（b）所示。由圖3（b）可以看出，不論是否外加電壓，載藥海綿的藥物釋放率初期均很快，然后速率慢慢降低，直到平衡。但是在通電條件下，藥物釋放率隨著電壓的提高而增大。而且其達到釋放平衡的時間也縮短。在0 V電壓時約32 h藥物釋放才會達到平衡，且釋放率只有63%；在2.5 V電壓時，釋放速度加快，10 h以內就能達到釋放平衡狀態，而且釋放率也比在不通電情況下大得多，可達約95%。這主要是由于在通電情況下，海綿接觸的是陽極，而陽極失電子，導致其附近的電解液pH降低［16］，海藻酸鈉上的－COO-轉變－COOH，電離度降低，海藻酸鈉親水性下降，使其網絡結構收縮，加快海綿內部的藥物釋放，增大藥物釋放量。因此通過改變外加電壓來改變緩釋介質的pH值實現藥物控制釋放。

圖3 載藥海綿的釋放曲線：（a）不同質量分數的海藻酸鈉，（b）不同電壓下，（c）交替外加電壓下Fig.3 Drug release curves of drug-loading sodium alginate sponges：（a）sodium alginate sponges with different mass fractions，（b）at different voltages，（c）at alternating external voltages

進一步研究了在交替外加2.5 V電壓時，載藥海綿的藥物釋放情況，如圖3（c）所示。在交替電壓下的藥物釋放曲線和普通情況下的釋放曲線總體趨勢相類似。藥物釋放速率前期較快，后期逐漸達到平穩。從電壓“開-關”的一次循環來看，通電時釋藥速率較快，斷電時釋藥速率較慢。海綿對于藥物釋放的可逆程度隨著時間延長而下降，隨著電壓的“開-關”循環次數的增加而下降。這是由于通電后，pH值的下降導致海綿收縮，藥物釋放加快；而當斷電時海綿發生溶脹，導致藥物回吸，故釋放速率明顯降低。

3 結 語

本文通過冷凍干燥法制備海藻酸鈉海綿前驅體，進而用氯化鈣溶液對其交聯后得到多孔的海藻酸鈉海綿，研究了海藻酸鈉海綿的吸水性能，及其載藥后的藥物控制釋放性能，對比了在不通電和通電條件下載藥海綿的藥物釋放行為的區別，探究外加電壓對于藥物控釋的影響，為研究藥物控釋體系提供了一種新的思路和方法。