NanoSe-LMH-CS-SA復合載藥微球的制備與緩釋性能研究

吳永軍，吉 民，劉 燕，劉紅梅

1馬鞍山師范高等專科學校 食品工程系，馬鞍山 243041；2馬鞍山豐原制藥有限公司，馬鞍山 243000

現有補硒制劑主要采用無機硒、有機硒作為硒源，存在毒性較大，吸收利用率低等一系列弊端，限制了補硒制劑的臨床與日常應用[1]。相比而言，納米硒(NanoSe)易于吸收利用，是己知硒制品中安全性最高的，無疑是補硒的最佳硒源[2]。

殼聚糖(chitosan，CS)是一種無毒的天然高分子多糖，其生物相容性好，無致突與致敏性，具有促進組織再生、調節免疫、降血壓、降血脂及排毒等重要生理功能。殼聚糖作為一種聚陽離子電解質，結構上含有大量氨基，在酸性消化液中能膨脹成粘稠的膠體物質，有效阻滯包埋藥物的溶出與擴散，在緩(控)釋藥物載體、靶向藥物載體、骨架劑、成膜劑等領域具有廣泛應用[3]。

海藻酸鈉(sodium alginate，SA)是一種具有生物相容性、可降解的天然聚陰離子多糖，被廣泛應用于緩釋制劑的開發中。當殼聚糖與海藻酸鈉混合時，殼聚糖分子鏈上的大量氨基與海藻酸鈉的分子鏈上的大量羧基通過靜電引力聚集成電解質膜，可有效包裹芯材、增強微球的穩定性、調節藥物釋放速度[4]。海藻酸是難溶性弱酸，沉淀pH值為3.6以下，溶解pH值為5.8，所以在進行微膠囊化過程中要調節混合液的pH值。

賴氨酸是谷物中的第一限制性氨基酸，以稻谷小麥為主食的膳食結構會導致我國居民賴氨酸攝入量不足，引發機體蛋白質代謝障礙，進而出現一系列生長發育問題[5]。L-鹽酸賴氨酸(L-lysinemonohydrochloride，LMH)易溶于水，且屬于GRAS物質，可用于人體日常補充賴氨酸。

納米藥物(制劑)是以微納米級高分子材料為壁材，以一定包埋方式負載納米級藥物芯材，制成具備微球、微囊、膠束等特殊結構的新型藥物(制劑)；其具有緩控釋放、靶向增濃、提高藥物生物相容性及吸收利用率等突出優勢[6,7]。本研究以帶有相反電荷的殼聚糖、海藻酸鈉作為壁材，吸附包裹NanoSe芯材，添加LMH作為復合營養物，CaCl2做交聯劑，使用復凝聚法制備了NanoSe-LMH-CS-SA復合載藥微球(簡稱復合載藥微球)；實驗測試了壁材比、芯壁比、交聯溫度、交聯劑用量對包埋率的影響，進而通過BBD設計優化微球制備工藝條件；借助體外釋放實驗測試了復合載藥微球在兩種不同模擬消化液中的硒釋放率，以期為緩釋型補硒制劑的研究與開發應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

殼聚糖(BR，脫乙酰度>85%，美國Sigma試劑公司)；海藻酸鈉(AR，成都西亞化工股份有限公司)；LMH(BR)、CaCl2(AR)、CH3COOH(AR)、HCl(AR)、NaHCO3(AR)、NaOH(AR)、無水酒精(AR)(國藥集團上海化學試劑有限公司)；KH2PO4(AR，天津博迪化工有限公司)；NanoSe溶膠(10.9 mg/mL，粒徑20～50 nm，pH=3.0±0.5，煙臺佳隆納米產業有限公司)；蒸餾水。

S-4800掃描電鏡(日本Hitachi)；LS-13-320激光粒度分析儀(美國貝克曼庫爾特)；Nicolet6700傅立葉紅外光譜儀(美國尼高力)；DTG-60H熱重-差熱分析儀(日本島津)；Vario EL III元素分析儀(德國元素分析系統公司)；TU-1901紫外可見分光光度計(北京普析)；BPZ-6210-2B真空干燥箱(上海一恒)；DZTW-500型恒溫電熱套磁力攪拌器(上海力晨)；TS-110X50恒溫水浴搖床(上海天呈)；FA1104型分析天平(上海舜宇恒平)；TGL-16C型離心機(常州中捷)；PHS-3C電子pH計(上海雷磁)

1.2 實驗方法

1.2.1 復合載藥微球制備

以1.0%乙酸溶液100 mL先后溶解1 g殼聚糖及1g CaCl2，配制成的殼聚糖與CaCl2濃度均為10 mg/mL的混合溶液，記為A液；同時，以1.0%海藻酸鈉溶液(pH 5.8)100 mL溶解0.5 g LMH，配制5 mg/mL的LMH溶液，再以此LMH溶液稀釋定量NanoSe溶膠，1 000 rpm均質10 min，記為B液。

用帶8號針頭的50 mL注射器吸取40 mL B液，自30 mm高度緩慢滴至10 mL A液中(每滴入20 mL B液調整一次滴加高度)，使用HCl、NaHCO3溶液調節pH=5.0，300 rpm轉速下40 ℃恒溫交聯60 min，離心分離沉淀，用蒸餾水清洗沉淀3遍，40 ℃真空干燥得到NanoSe-LMH-CS-SA復合載藥微球。

1.2.2 復合載藥微球結構表征

NanoSe-LMH-CS-SA復合載藥微球的形貌使用SEM電鏡進行檢測，微球粒徑分布使用激光粒度分析儀檢測，微球的有機結構采用傅立葉紅外光譜儀分析，微球的熱效應采用熱重-差熱分析儀分析。檢測條件如下。

1.2.2.1 形貌檢測

SEM采用Hitachi S4800型掃描電鏡，復合載藥微球樣品用酒精分散滴于銅片上并經噴金處理，二次電子檢測器成像，加速電壓5 kV，工作距離9 mm，對應放大倍率為22 000倍；工作距離9.1 mm，對應放大倍率為40 000倍。

載藥微球粒度分布檢測采用貝克曼庫爾特LS-13-320激光粒度分析儀，檢測條件為：固體激光器功率5 mW，檢測波長780 nm，濕法檢測、SOP模式，紅光折射率1.82，吸收率0.1。

1.2.2.2 紅外光譜檢測

紅外光譜分析采用美國尼高力Nicolet6700傅立葉紅外光譜儀，檢測條件為：光譜范圍4 000～500 cm-1，光譜分辨率0.8 cm-1，噪音峰-峰值1×10-5Abs，KBr壓片。

1.2.2.3 熱穩定性檢測

微球熱穩定性分析采用日本島津DTG-60H熱重-差熱分析儀，檢測條件為：N2氛，氣體流速30 mL/min，升溫速率10 ℃/min。

1.2.2.4 元素組成分析

C、H、N元素分析使用Vario EL III元素分析儀，檢測條件為：高純O2壓力0.20 MPa、流速10 mL /min，高純He壓力0.12 MPa、流速200 mL/min；燃燒爐溫度1 150 ℃，還原爐溫度850 ℃，樣品以錫紙包裹進樣。Se元素含量檢測使用鄰苯二胺紫外分光光度法[8]，平行測定三次取均值。

1.2.3 體外釋放單因素實驗

自配硒標準溶液，采用鄰苯二胺紫外分光光度法于335 nm波長下測硒標液樣品吸光度A，以未加入復合載藥微球模擬消化液為空白對照，繪制硒標準曲線[2]。

準確移取復合載藥微球微球10 mg至筒狀透析袋內，用透析夾固定兩端浸于100 mL 2種不同pH值模擬消化液中，以HCl溶液(pH=1.0)作為模擬胃液，以磷酸鹽緩沖溶液(pH 6.8)作為模擬小腸液。37 ℃恒溫水浴搖床震蕩，開始實驗后間隔一段時間取袋外消化液1 mL，以鄰苯二胺紫外分光光度法測定其吸光度、折算硒含量，并補充等量的模擬消化液，平行測得3次取均值，計算以下指標。

(1)

(2)

(3)

借助單因素實驗考察壁材比、芯壁比、復凝pH值、交聯劑用量對復合載藥微球包埋率的影響。

1.2.3.1 壁材比對包埋率的影響

1.2.3.2 芯壁比對包埋率的影響

1.2.3.3 CaCl2用量對包埋率的影響

依據“1.2.1”制備流程，在條件實驗確定的壁材比和芯壁比下，改變交聯劑CaCl2用量(0.25、0.5、0.75、1.0、1.25、1.5、1.75、2.0g)，其余制備條件不變，制備復合載藥微球樣品。隨后采用“1.2.3”體外釋放實驗方法，提取消化實驗開始后1 h的消化液，測量微球在兩種消化液中的包埋率。

1.2.3.4 復凝pH值對包埋率的影響

依據“1.2.1”制備流程，在條件實驗確定的壁材比、芯壁比和交聯劑CaCl2用量下，考慮到壁材殼聚糖只能溶解于酸性溶液[9]，所以將復凝pH設定在弱酸性環境，使用HCl、NaHCO3溶液改變復凝pH值(3.5～4.0、4.0～4.4、4.5～5.0、5.0～5.5、5.5～6.0)，其余制備條件不變，制備復合載藥微球樣品。隨后采用“1.2.3”體外釋放實驗方法，提取消化實驗開始后1 h的消化液，測量微球在兩種消化液中的包埋率。

1.2.4 響應面優化復合載藥微球制備條件

在“1.2.3”單因素實驗基礎上，采用BBD響應面設計實驗，確定的最佳條件優化復合載藥微球制備工藝，制備優化型復合載藥微球，對比優化前后微球的包埋率和載藥量；借助體外釋放實驗，測試優化型復合載藥微球在兩種模擬消化液中0.5～12 h的釋放性能。

2 實驗與分析

2.1 微球結構分析

2.1.1 微球形貌表征與粒徑分析

復合載藥微球樣品的SEM如圖1所示，圖中微球分散良好、表面凹凸不平，部分微球表面具有不規則的凹坑和孔洞，使其具有較大的比表面積，且上述凹坑或孔洞還可成為內部藥物擴散的通道。復合載藥微球樣品的激光粒度分析檢測結果如圖2所示，載藥微球樣品的中粒徑D50為10.7 μm，大部分微球樣品(D10～D90)分布在6.2～12.9 μm范圍內。

A液中殼聚糖(CS)膠束帶正電荷，B液中溶有的海藻酸鈉(SA)膠束帶負電荷，同時賴氨酸(Lys)的等電點PI=9.74，溶于B液(pH<7)的L-鹽酸賴氨酸(LMH)電離后以陽離子形式存在。試驗中，當少量B液緩慢滴入大量A液，混合溶液的黏度較低，兩種帶有相反電荷的壁材在CaCl2作用下會迅速完成交聯、混凝、聚沉，形成小粒度微球[10]。

圖1 復合載藥微球樣品的SEM形貌Fig.1 The SEM of drug-loading microspheres

圖2 復合載藥微球樣品的激光粒度分析Fig.2 Particle size analysis of drug-loading microspheres

2.1.2 紅外光譜分析

如圖3所示，CS的紅外吸收圖譜中，3 430 cm-1處的寬峰是-OH與-NH2的收縮振動多重耦合峰，1 640cm-1處是酰胺I譜帶的羰基吸收和-NH2振動吸收的多重耦合峰。SA的紅外吸收圖譜中，3 430 cm-1處的寬峰是-OH的收縮振動峰，1 630 cm-1處是-COO-的收縮振動峰。LMH的紅外吸收圖譜中，2 940 cm-1處是C-H振動峰，1 622 cm-1處是-CO-的吸收峰，1 595cm-1和1 340 cm-1處是-COO-的不對稱和對稱收縮振動峰，1 550 cm-1處吸收峰以及低波數范圍出現的上下波動可能是Cl-的影響，這在LMH標準IR譜中同樣可見。

微球的紅外吸收圖譜中，兩種壁材3 430 cm-1處的吸收峰在微球中沒有改變，說明微球中SA和CS中原有的氫鍵結構沒有改變；CS的1 640 cm-1處-NH2振動吸收峰和SA的1 630 cm-1處-COO-的收縮振動峰紅移至1 622 cm-1處，與LMH的-CO-吸收峰合并，說明兩種壁材復凝聚形成微球主要依靠CS上氨基與SA的羧基形成氫鍵。而LMH上1 595 cm-1和1 340 cm-1處-COO-的不對稱和對稱伸縮(收縮)振動峰在微球上沒有出現，可能是其在微球形成過程中與壁材CS和SA中的-NH2和-OH形成了氫鍵所致，此時C-H受到壁材CS和SA中苯環或糖環的影響，C-H振動加強，由2 940 cm-1紅移至2 926 cm-1。整體而言，微球與其主要組成的紅外光譜在形態上大致相同。綜合以上，能夠證實兩種壁材主要是以氫鍵和靜電作用復凝聚形成復合載藥微球。

2.1.3 熱重-差熱分析

復合載藥微球樣品及其組成材料的熱穩定性分析如圖4所示。圖中微球的DTA-TGA圖譜有別于微球組分CS、SA、LMH的DTA-TGA插圖，微球與其組分的具有不同的熱分解溫度，說明CS、SA、LMH在復合載藥體系中并非簡單的混合，存在氫鍵和靜電作用等結合力使得壁材復凝聚形成微球。

由微球的TGA曲線可見，微球的受熱減重可分為“失水，脫羧，熱分解”三個階段。從室溫加熱至800 ℃，該微球樣本的失重率為88.50%。其中：190 ℃以內，隨著溫度的升高，復合載藥微球樣品先后失去其中的物理和化學結合水，失重20.35%；190～480 ℃，微球中的CS-SA殼膜、LMH發生脫羧反應，其有機部分中羧基逐漸分解成CO2，致使微球樣本快速失重45.01%。考慮到微球的結構，CS-SA殼膜可能先于LMH發生脫羧；480～525 ℃，微球有機部分CS、SA、LMH的碳骨架開始發生熱分解，裂解出CO2、CO、H2O等，微球繼續減重18.33%；525 ℃之后，微球失重不明顯。由微球的DTA曲線可見，77 ℃處的吸熱峰對應吸附水的脫除，位置與TGA曲線中失重第一臺階吻合；強放熱峰出現的位置對應有機物熱分解快速失重，其位置與TGA曲線中失重第三臺階吻合，分解溫度為516 ℃。

圖3 復合載藥微球樣品及組分的的紅外光譜Fig.3 The infrared spectrums of drug-loading microspheres and its components

圖4 復合載藥微球樣品及組分的TGA-DTA分析Fig.4 The TGA-DTA of drug-loading microspheres and its components

2.1.4 微球元素組成分析

微球及其組分的主要元素分析如表1所示，其中微球C、H、N、Se四種元素的含量分別為34.92%、6.53%、5.01%和2.47%。由于微球組分CS和SA、LMH中分別自帶Na+和Cl-；同時，在復凝聚法制備微球過程中添加的CaCl2、混合磷酸鹽會帶入Ca、P等雜質；結合微球形成主要借助氫鍵及靜電作用，故無法通過減量法計算O含量、進而推導微球可能的組成式。

表1 復合載藥微球與其組分的主要元素組成分析Table 1 Major elemental analysis of type II drug-loading microspheres and its components

2.2 體外釋放單因素實驗

2.2.1 壁材比對包埋率的影響

圖5 壁材比、芯壁比對載藥微球樣品包埋率的影響Fig.5 The influence of ratio of wall to wall and ratio of core to wall to the embedding rate of microspheres注：a：模擬小腸液；b：模擬胃液，下同。Note:a:Simulated small intestinal juice;b:Simulated gastric juice,the same below.

2.2.2 芯壁比對包埋率的影響

2.2.3 CaCl2用量對包埋率的影響

如圖6(1)所示，改變交聯劑CaCl2用量，采用“1.2.3.3”流程制備出的不同復合載藥微球樣品置于兩種模擬消化液中1 h后，包埋率均出現急增緩減的變化趨勢，最大包埋率對應的CaCl2用量為0.75 g(7.5 mg/mL)。實驗現象說明交聯劑CaCl2用量的增大并不能持續提高復合載藥微球的藥物包埋率，這是由于交聯劑用量超過了飽和交聯所需濃度時，多余的鈣離子一部分游離于體系中使溶液的離子強度增大，剩余的部分鈣離子會吸附在微球表面的高分子壁材殼膜上，導致其極性增強、親水性增大[13]。兩者結合致使復合載藥微球樣品的溶脹速度加快，藥物包埋率降低。

圖6 CaCl2用量、復凝pH對載藥微球樣品包埋率影響Fig.6 The influence of dosage of CaCl2 and complex coacervation pH to the embedding rate of microspheres

2.2.4 復凝pH值對包埋率的影響

如圖6(2)所示，隨著復凝pH的增大，采用“1.2.3.4”流程制得的不同復合載藥微球樣品置于兩種模擬消化液中1 h后，測得的微球包埋率均呈現先增后減的變化趨勢。此種現象可能與海藻酸鈉的自身性質有關，海藻酸鹽沉淀pH值為3.6以下，溶解pH值為5.8[14]，使用其作為壁材包裹芯材，當溶液酸性減弱時，有利于微球壁材中海藻酸鈉溶解，導致微球殼膜加速崩解，藥物釋放率激增，包埋率驟減。圖中，采用復凝pH=4.0～4.5制備的復合載藥微球樣品在模擬小腸液中具有最大的包埋率；而在模擬胃液中，雖然采用復凝pH=4.5～5.0制備的復合載藥微球樣品具有最大的包埋率，但與復凝pH=4.0～4.5時制備的微球樣品的包埋率差別不大(△=0.1%)。綜合考慮之下，為了減緩微球殼膜的溶解，提高包埋率，選取復凝pH=4.0～4.5作為制備條件。

2.3 響應面優化復合載藥微球制備工藝與緩釋性能分析

2.3.1 響應面實驗設計與結果

在單因素實驗結果上，根據Box-Benhnken設計原理構建響應面實驗，因素及水平如表2所示。響應面試驗設計及結果如表3所示，其中1～24號是析因實驗，25～29號為中心試驗，中心實驗重復5次以衡量實驗誤差。

2.3.2 方差分析

使用Design-Exper8.0.6軟件對表3中的實驗數據進行多元回歸分析，得回歸方程：

包埋率=80.72+8.32A+5.47B+9.13C+4.10D-2.61AB-6.02AC+3.76AD-8.14BC-5.03BD+0.33CD-7.19A2-8.93B2-7.65C2-11.93D2(4)

由表4所示，該回歸模型極顯著(P<0.000 1)，模型的相關系數R2=0.971 4，調整相關系數RAdj=0.942 7，失擬項P=0.070 9>0.05不顯著，說明該回歸模型(式4)能夠充分擬合實驗數據，可利用此回歸模型優化復合載藥微球的制備工藝。表3中：一次項A、B、C、D，交互項AC、BC、BD，二次項A2、B2、C2、D2極為顯著；交互項AD顯著；AB、CD不顯著。比較各因素的F值，得出各因素對載藥微球包埋率影響的主次順序為：交聯劑用量(C)>壁材比(A)>芯壁比(B)>復凝pH(D)。

表2 因素水平與編碼Table 2 Factor levels and code

表3 BBD響應面設計方案與實驗結果Table 3 Box-Behnken experimental design and results

表4 回歸方程的方差分析Table 4 Analysis of variance for the developed regression model

2.3.3 響應面圖分析與優化

為了更直觀地探討上述因素之間的交互影響，固定任意兩個因素，考察另兩因素間的交互作用。利用Design-Exper軟件繪制兩因素交互作用的3D響應面圖，如圖7所示。

3D響應面曲面坡度的陡峭程度反映因素間交互作用的強弱；曲面的最高點與等高線圖的圓心點對應，指向給定的因素水平下因素交互作用的極值。圖7中，AC、BC的交互作用峰面明顯比其他4個交互作用峰面陡峭，說明在整個6個交互作用中AC、BC的交互作用是最顯著的，這與表3方差分析中AC、BC交互作用的P值(PAC=0.001 5、PBC=0.000 1)分列倒數第一和倒數第二相吻合。

圖7 兩因素交互作用對包埋率影響的響應面圖Fig.7 Response surface plots of embedding rate showing the interactive effects of two factors

2.3.4 體外模擬緩釋性能驗證

依據“1.2.3”體外釋放實驗方法，考察優化后的復合載藥微球在兩種模擬消化液浸泡(0.5～12 h)后的釋放效果，如圖8所示。

圖8 優化后的復合載藥微球體外模擬緩釋性能Fig.8 The in vitro slow-release performance of optimized composite carrier drug microsphere注：a：模擬胃液；b：模擬小腸液。Note:a:Simulated gastric juice; b:Simulated small intestinal juice.

實驗表明，優化后的復合載藥微球在(0.5～12 h)時間范圍內的藥物累積釋放率呈現“慢―快―慢”的變化趨勢。微球在模擬消化液中浸泡的初期，致密的高分子壁材殼膜還來不及全面溶脹崩解、其結構尚完整，只有微球表面粘附和淺表層夾帶的少量NanoSe開始釋放，對應第一階段“慢”釋放(圖8中0.5～1 h)；隨著浸泡時間的延長，高分子壁材殼膜由表及里開始全面溶脹崩解，大量釋放通道出現，內部芯材的藥物釋放速度加快，表現為一定程度的突釋，對應第二階段“快”釋放(圖8中1～5 h)；隨著微球殼膜的徹底破壞及芯材表層中藥物濃度的降低，微球內部載藥向外擴散的難度逐漸增大，藥物擴散速度開始減慢，進入第三階段“慢”釋放(圖8中5～12 h)[15,16]。

相同時間下，復合載藥微球在模擬胃液中的累積釋放率大于其在模擬小腸液中，說明消化液pH降低有利于藥物釋放。體外模擬消5、7 h，載藥微球在模擬胃液和模擬小腸液中的累積釋放率達到73.08%和57.95%、78.57%和65.80%。考慮到混合型食物消化排空進入大腸需要5～7 h，在此時間內，微球已將大部分藥物平穩釋放出去，緩控釋效果達到預期設想。

3 結論

SEM形貌表征與激光粒徑分析證實，以殼聚糖(CS)、海藻酸鈉(SA)為壁材，納米硒(NanoSe)為芯材，L-鹽酸賴氨酸(LMH)作為復合營養物，采用一步復凝法制備的NanoSe-LMH-CS-SA復合載藥微球具有較小的粒度分布，其表面不規則凸凹結構有助于增大微粒比表面積大，適合作為緩控釋載體。紅外光譜分析證實CS和SA通過靜電作用復凝聚構成微球殼膜，復合營養物LMH在成球過程中與壁材存在一定的靜電作用。

在體外模擬消化0.5～12 h范圍內，載藥微球的整個釋藥過程突釋短、緩釋長，體外模擬消化12 h，在模擬胃液和模擬小腸液中累積釋放率分別達到84.29%和74.45%，證實本實驗制備的NanoSe-LMH-CS-SA復合載藥微球具備良好的緩控釋作用。相比于現有的補硒制劑，微球負載的NanoSe具有突出的低毒高效性，同時復合的LMH可有效調節我國居民膳食性賴氨酸攝入不足，契合當前營養強化劑強調“功能復合”的設計開發思路，有望成為一種高效的復合緩釋型補硒制劑。