SDS對SB3-12膠束表面電荷密度的調控作用及對藥物增溶的影響

邢肇碧，過治軍，張雨微，劉君玲，王玉潔，白光月,＊

1河南師范大學化學化工學院，精細化學品綠色制造河南省協同創新中心，綠色化學介質與反應教育部重點實驗室，河南 新鄉453007

2河南科技學院化學化工學院，河南 新鄉453003

1 引言

表面活性劑在水介質中能夠形成多種聚集體，在仿生及生物制藥方面的應用研究已經取得了長足的進展1-6。其中膠束聚集體是最簡單也是應用最廣泛的聚集形態，在提高藥物分子的溶解度、生物利用度、增強在生理環境下的穩定性和功能性等方面都有重要的研究和應用價值1,5,7。兩性離子表面活性劑是一類特殊的兩親分子，從電荷性質的角度考慮，由于相反電荷之間的靜電中和作用，具有一定的非離子表面活性劑的特征8-13；當與離子表面活性劑混合時，如極性端基為磺酸基的甜菜堿型表面活性劑SB3-12與陰離子表面活性劑SDS混合，由于SB3-12的季銨正電荷與SDS的DS-陰離子的靜電作用10-13，具有類似于相反電荷表面活性劑的強協同效應14，但是不會發生由于電荷中和而聚沉15。這種混合膠束的一個更重要的特征是膠束極性雙層的凈電荷隨著陰離子表面活性劑組分分數的增加連續改變，由電中和轉變為負電荷膠束。

兩性離子/離子混合表面活性劑對膠束表面電荷密度的調節作用本質上的特征就是能夠實現膠束極性層的物理及化學性質的微調，這對與膠束極性層及柵欄層性質相關的各種應用是非常重要的，尤其是在藥物應用方面，將會明顯地影響藥物分子的溶解、緩釋、功能性釋放、穩定性等。蘆丁(Rutin, Quercetin-3-O-Rhamnosylglucoside)是一種常見的膳食類黃酮類化合物，具有抗菌、抗炎、抗癌、抗糖尿病等許多藥理功能，在臨床治療上已經得到廣泛應用16-20。由于蘆丁中7位的酚羥基在中性pH下可以部分解離成陰離子，使溶解度提高21，而蘆丁的二糖基團能夠進一步增加水溶性，與其它黃酮類化合物比較更有利于在生理環境下的輸送，盡管如此，在水介質中溶解度低、穩定性差22,23仍然是限制其活性成分生物利用率的主要因素之一。利用表面活性劑聚集體作為蘆丁的載體，能夠有效地提高蘆丁的濃度24,25和活性基團的氧化穩定性26-28。兩性離子甜菜堿表面活性劑具有較好的生物相容性和低的細胞毒性8，能夠廣泛地應用于外用、口服和注射類藥劑中。當采用離子表面活性劑作為添加劑調節混合膠束極性層的電荷性質時，能比單一表面活性劑更有效地選擇性溶解微溶化合物。

蘆丁分子的芳香基團含有四個酚羥基，在水溶液中7位上羥基氫易發生解離，呈現弱酸性21，因此表面活性劑增溶的溶解度受表面活性劑頭基的電荷性質影響。研究表明，陽離子(CTAB, TTAB,DTAB)、非離子(Brij78, Brij58, Brij35)和陰離子(SDS)表面活性劑增溶的溶解度依次減小29。蘆丁分子通過靜電和疏水作用在CTAB球形膠束中增溶，而通過氫鍵和疏水作用在Triton X-100棒狀膠束中增溶20,21,26-28。在負電荷的SDS膠束中，槲皮素或蘆丁的負電荷與SDS靜電排斥而位于水相側，疏水的B環位于膠束的柵欄層中29,30。進一步研究證實混合表面活性劑體系(CTAB-Brij58,DTAB-Brij35, SDS-Brij35)比單組分體系對蘆丁具有更好的增溶能力29。

Bai等25采用ITC方法研究了CTAC與蘆丁的相互作用，得到了在蘆丁存在下的CMC和增溶過程的焓變，揭示了靜電吸引和疏水作用共同驅動蘆丁分子在CTAC膠束中的增溶引起CMC降低，膠束化焓基本不變。在pH = 7.4磷酸鈉緩沖液中，表面張力測量表明，由于帶負電荷的膽酸鈉與槲皮素之間的靜電排斥作用，導致了膽酸鈉臨界聚集濃度增加30。

表面活性劑對黃酮類藥物的增溶作用受膠束電荷性質及電荷密度影響，但是迄今為止沒有關于連續調節膠束電荷密度并用于藥物增溶的研究報道。在這項工作中，采用恒溫滴定量熱(ITC)、

UV-Vis光譜和1H NMR譜研究了SB3-12與SDS混合表面活性劑的膠束化過程及與蘆丁分子的相互作用。分別從宏觀熱力學及光譜、1H NMR譜變化研究了SDS對SB3-12膠束表面電荷密度的調節作用及SB3-12/SDS混合膠束對蘆丁分子的增溶機理。

2 實驗部分

2.1 試劑

磺酸甜菜堿(SB3-12) (純度 ≥ 98.0%，TCI上海化成工業發展有限公司，中國)、十二烷基硫酸鈉(SDS) (純度為99.5%，Aladdin化學試劑公司，中國)、蘆丁(Rutin) (純度為98%，Macklin生化科技有限公司，中國)，D2O (純度為99.9%，Cambridge Isotope Laboratories, Inc., USA)、Na2HPO4·12H2O(AR, 純度 ＞ 99.0%)、NaH2PO4·2H2O (AR，純度 ＞99.0%)，以上試劑直接用于實驗中，均沒有進一步提純。pH = 7.2的磷酸鹽緩沖溶液(PBS)用Na2HPO4·12H2O和NaH2PO4·2H2O配制。實驗用水采用三重純水蒸餾器(SZ-93, 上海亞榮生化儀器廠)蒸餾獲得, 電導率值小于1.50 μS·cm-1。

2.2 等溫滴定量熱(ITC)

采用 TAM III-nanocalorimeters型等溫滴定熱量計(Part No 3410，量熱池體積為1 mL，美國TA儀器公司制造)測量純表面活性劑在水溶液中的稀釋焓變化、SB3-12/SDS與SB3-12/SDS/Rutin混合體系的相互作用的焓變化。對于熱量計的電標定與化學標定、儀器參數設置及詳細的操作已經在我們以前的研究工作中發表14,31。實驗數據的采集和處理采用儀器自帶軟件(TAM Assistant Software)分析計算。

在測量表面活性劑的稀釋熱和CMC時，樣品池和參考池中分別加入900 μL溶劑(蒸餾水或緩沖溶液)，滴定劑是濃的表面活性劑溶液。在系統達到熱平衡后, 用自動進樣推進器(P/N 3810-5，美國TA 儀器公司)推動Hamilton氣密封注射器進行定量定時滴定。滴定過程中樣品池保持80 r·min?1攪拌速度，滴定的時間間隔為8 min，采用動態校正方法獲得熱流-時間曲線，每次滴定的觀測焓通過儀器自帶軟件積分計算。當測量表面活性劑與蘆丁相互作用時，樣品池中初始加入900 μL，0.15 mmol·L-1的蘆丁的水溶液(PBS，10 mmol·L?1，pH =7.2)，其它操作與上述表面活性劑的稀釋實驗相同。實驗溫度為T= (298.15 ± 0.01) K, 每個實驗的結果為三次重復測量的平均值。

2.3 UV-Vis吸收光譜

UV-Vis吸收光譜采用TU-1900雙光束紫外可見分光光度計(北京普析通用儀器有限責任公司)獲得。實驗的波長掃描范圍為200-500 nm，石英比色皿光路長10 mm，恒溫溫度(298.2 ± 0.1) K。儀器采用與測量樣品一致的溶劑校正零點并做參比。光譜掃描波長間隔1 nm，采用儀器自帶的UVWin6.0.0軟件記錄UV-Vis吸收光譜。

2.4 蘆丁飽和溶解度的測量

將過量的蘆丁分別加入到具有一定濃度的SDS、SB3-12以及不同摩爾比的SB3-12/SDS的磷酸鹽緩沖溶液中，經過超聲震蕩后在常溫(±1 °C)下避光靜置48 h，得到其飽和溶液。取上清液經過孔徑為0.22 μm的微孔膜過濾。再定量取出0.1 mL到0.2 mL的上述濾液，與1 mmol·L?1的HCl溶液0.4 mL和適量的乙醇混合，得到終態體積為4 mL的待測溶液。避光靜置5 min后，在361 nm波長下測量吸光度，消光系數為17.9 × 103L·mol?1·cm?1，線性回歸系數為0.9995。實驗結果為三次重復測量的平均值。

2.5 1H NMR譜

采用400M核磁共振波譜儀(德國Burker公司)測量在重水中溶液的1H NMR譜。

3 結果與討論

3.1 SB3-12/SDS混合溶液的膠束化

圖1所示為不同SB3-12摩爾分數(xSB3-12)的SB3-12/SDS(CT= 25 mmol·L?1)混合體系在磷酸鹽緩沖溶液(10 mmol·L?1PBS，pH = 7.2)中的稀釋量熱結果，即在不同的xSB3-12時，每摩爾(nT=nSB3-12+nSDS)觀測焓(ΔHobs)隨表面活性劑總濃度(CT)的變化曲線。當用SB3-12的PBS溶液滴定PBS溶劑時，觀測焓曲線為負值，顯示兩個折點。第一個折點對應SB3 -12的濃度是(2.71 ± 0.05) mmol·L?1，為SB3-12在PBS溶劑中的CMC。在CMC之前的觀測焓變化主要來源于SB3-12膠束的分解、單體分子的水合及擴散。在CMC之后觀測焓值的快速上升部分表明膠束的形成過程。在第二個折點以后的觀測焓值逐漸達到趨近于零的穩定值，這對應膠束溶液的稀釋過程。由膠束稀釋過程焓變的線性部分外推到CMC，并與曲線上CMC點的觀測焓的差值為SB3-12的膠束化焓(ΔHmic)32，即ΔHmic= (2.73 ±0.05) kJ·mol?1。圖中也給出了SB3-12滴定純水的觀測焓曲線，結果與滴定PBS溶劑的曲線重合，表明PBS濃度為10 mmol·L?1時所對應的離子強度對SB3-12的膠束化過程沒有明顯的影響。當xSB3-12=0.5時，觀測焓在測量的濃度范圍內為正值，得到CMC0.5= (0.46 ± 0.02) mmol·L?1，ΔHmic= (?5.74 ±0.05) kJ·mol?1。在xSB3-12處于1.0和0.5之間時，如圖1中的插入圖所示，在低濃度區間觀測焓首先取得一個平臺，然后在一個狹窄的濃度區間快速降低到極小值，反映了靜電吸引作用(ΔHele)，而后經過膠束稀釋(ΔHdil)過程逐漸上升趨近于零。滴定初始的觀測焓值主要來源于混合表面活性劑的膠束分解焓，與純表面活性劑不同的是在膠束解離時，觀測焓變包含了混合表面活性劑分子間的靜電吸引作用能20,21，因此兩種分子的摩爾比越接近于1，膠束解離的觀測焓值越大。與純SB3-12膠束化過程比較，混合膠束內兩種分子之間存在較強的靜電吸引作用(ΔHele)，造成混合膠束化焓由正值轉化為負值，而且混合CMC明顯降低，結果示于表1中。這些結果表明兩性離子表面活性劑SB3-12與SDS之間具有強的協同效應8,11，而且靜電作用也必然使膠束表面的凈負電荷隨SDS的加入而增加，從而能夠用于連續調節膠束表面的負電荷密度。圖2為SB3-12與SDS等摩爾比的膠束結構示意圖。值得注意的是球型膠束有兩個性質不同的極性區域，內層是與陰陽離子對(catanionic)表面活性劑類似的電中和的極性區，外層是松散排列的負電荷區。

圖1 在磷酸鹽緩沖溶液中SB3-12/SDS混合體系的觀測焓(ΔHobs)隨CT的變化曲線Fig. 1 Variation of the observed enthalpy (ΔHobs) with CT for mixed SB3-12/ SDS systems in PBS.

表1 混合表面活性劑SB3-12/SDS在PBS中的膠束化參數Table 1 The parameters for the micellization of the mixed SB3-12/SDS in PBS.

圖2 SB3-12/SDS為等摩爾比的膠束結構示意圖Fig. 2 Scheme of the mixed micelles with SB3-12 and SDS of equi-mole ratio.

兩性離子與離子型表面活性劑混合物既具備了相反電荷離子表面活性劑有強的協同效應的優點，又避免了電荷中和造成的catanionic鹽沉淀的問題。SB3-12/SDS混合膠束的負電荷密度隨SDS比例的增加而增大，因此臨界膠束濃度及膠束化焓與介質的離子強度有關。圖3所示為xSB3-12= 0.5時在不同緩沖溶液濃度下的觀測焓曲線，插入圖為處理得到的CMC0.5及ΔHmic，結果也在表1中給出。隨著緩沖溶液濃度增加CMC0.5降低、膠束化過程放熱值增加，這與離子強度對離子型表面活性劑膠束化參數的影響類似。

圖3 在不同濃度的PBS中的SB3-12/SDS混合體系的ΔHobs隨CT的變化曲線Fig. 3 Variation of the ΔHobs with CT for the mixed SB3-12/SDS systems at different PBS concentrations.

圖4 SB3-12/SDS混合表面活性劑溶液滴定Rutin溶液的ΔHobs隨CT的變化曲線Fig. 4 Variation of the ΔHobs with CT for titrating the mixed SB3-12/SDS solution into the rutin solution.

3.2 SB3-12/SDS混合膠束與蘆丁的相互作用

圖4為SB3-12/SDS混合表面活性劑溶液滴定蘆丁溶液的ITC曲線。在不同的xSB3-12時，與圖1相比具有類似的變化規律。圖4的插入圖中以xSB3-12=1和xSB3-12= 0.8為例說明蘆丁對SB3-12/SDS膠束化過程的影響。當xSB3-12= 1時，與沒有蘆丁時SB3-12的CMC和ΔHmic基本相等，但是達到穩定的膠束聚集體所對應的CT由滴定PBS時的Cf= 4.50 mmol·L?1增加到滴定蘆丁溶液時的6.49 mmol·L?1，形成膠束的濃度范圍Cf?CMC明顯加寬。當xSB3-12= 0.8或其它摩爾分數時，同樣出現CMC值基本不變，Cf?CMC變大的現象，不同的是滴定蘆丁的ΔHele明顯地增加，即形成膠束時靜電作用能增加。這說明在滴定蘆丁溶液時，與SB3-12的季銨陽離子發生靜電吸引的蘆丁陰離子直接參與了膠束的形成，釋放更多的熱。即使在等摩爾比的SB3-12/SDS混合體系中，滴定蘆丁時也得到較大的負ΔHele，這是由于CMC較大的SDS在混合膠束內有較小的摩爾分數15的結果。當恒定xSB3-12= 0.5而改變PBS濃度時，CMC的變化很小，在誤差范圍內可以忽略，但是ΔHele的負值總是大于ΔHmic, 而且都隨著PBS的濃度增加而變大。

圖5 蘆丁在混合表面活性劑SB3-12/SDS溶液中的飽和溶解度隨xSB3-12變化曲線Fig. 5 Variation of the saturated solubility of rutin in the mixed SB3-12/SDS solutions as a function of xSB3-12.

混合表面活性劑膠束的表面電荷調節的重要作用之一是用于調節對水溶性較小的化合物的增溶作用。當增溶的分子分布于膠束的極性區域或膠束的柵欄層中時，增溶量及釋放與膠束表面的電荷性質及電荷密度相關。蘆丁藥物在生物相容性甜菜堿表面活性劑膠束中的增溶有利于提高藥劑的穩定性及生物利用度。另外蘆丁在膠束溶液中的飽和溶解度也能體現混合膠束表面電荷性質和密度對相互作用的影響。圖5為在恒定SB3-12和SDS的總濃度下，改變xSB3-12時的蘆丁飽和溶解度曲線。在測量的所有表面活性劑體系中，蘆丁的溶解度皆遠遠大于不含表面活性劑的PBS溶液的結果((0.17 ± 0.02) mmol·L?1)，表明強的增溶作用的存在，這與蘆丁與表面活性劑膠束相互作用的ITC測量結果是吻合的。純的SB3-12膠束對蘆丁有較強的增溶效應，為(1.94 ± 0.02) mmol·L?1，在25 mmol·L?1SDS溶液中的增溶較弱，為(0.58 ± 0.02)mmol·L?1。SB3-12膠束溶液中加入少量的SDS(xSB3-12＞ 0.9)，溶解度發生陡峭的下降，而后隨SDS的分數增加逐漸減小，這些規律與混合膠束CMC和膠束化焓(見表1和表2)有相同的變化趨勢，表明蘆丁的增溶受到膠束極性區電荷密度影響，凈的負電荷密度增高，溶解度降低。

表2 SB3-12/SDS混合體系在蘆丁存在時的膠束化參數aTable 2 The parameters for the micellization of the mixed SB3-12/SDS systems in the presence of Rutin a.

3.3 蘆丁在混合膠束溶液中的UV-Vis吸收光譜

蘆丁分子含有四個酚羥基，在酸性水介質中為分子狀態，7位上羥基氫解離的pKa1= 7.1 (見圖6)21,33。在pH = 7.2的PBS溶液中，蘆丁中性分子的摩爾分數xR= 0.44，7位上羥基氫解離后的負離子的摩爾分數xR? = 0.56。Rutin分子在351 nm有一個與B環相關的吸收峰b，在264和255 nm有兩個與A環相關的重疊峰a1和a221。當7位氫解離后，b由351 nm紅移到368 nm，a1和a2轉化為269 nm的單峰34。從圖7可以看到，在pH = 7.2的PBS溶液中，電離平衡的結果，得到b = 355.5 nm單峰、a1= 265.5 nm尖峰和a2= 257.5 nm的肩峰。加入SB3-12后，在濃度小于CMC時，各個吸收峰的波長不變，消光系數降低(圖中沒有給出曲線)；大于CMC以后，b紅移到360 nm，a2由肩峰升高為尖峰，a1降低為肩峰。a2和a1峰相對強度的變化說明7位羥基氧離子的電子密度降低，是由于兩性的SB3-12的季銨基團對電離的酚羥基有一定的吸電子能力。而B環位于SB3-12中兩個極性頭之間的亞甲基附近，b發生紅移。在SDS膠束溶液中吸收峰a1與a2波長幾乎不變，a1的相對值變小，但是仍然保持大于a2的消光系數。b的波長發生了約5 nm的紅移，消光系數變大，這說明SDS的增溶作用主要是由于B環嵌入到柵欄層中，而A環暴露在水相中29，靜電排斥使解離平衡向R增加的方向移動(圖6)。

圖6 蘆丁的分子結構示意圖和一級電離平衡Fig. 6 Scheme of rutin’s structure and its dissociation balance.

圖7 蘆丁分別在PBS、SB3-12、SB3-12/ SDS混合溶液和SDS中(按照箭頭方向)的UV-Vis吸收光譜Fig. 7 UV-Vis spectra of rutin in PBS，SB3-12, mixed SB3-12/SDS and SDS solutions in the arrow direction.

在SB3-12的蘆丁溶液中加入SDS，b峰藍移到與SDS膠束中時近似相等的波長360 nm，這是由于SDS的加入使兩性離子的SB3-12膠束轉化成有凈的負電荷的混合膠束。而逐漸增加的SDS分數使SB3-12的季銨基的吸電子能力逐漸降低，膠束內將有更多的蘆丁以分子形式存在，造成a2的消光系數相對于a1明顯增加。圖7中的插入圖以xSB3-12=0.8為例給出膠束化前后各個吸收峰附近光譜的放大圖。b峰紅移，趨向SDS膠束存在時的吸收波長，而A環兩個吸收峰a1和a2的相對強度變化趨向于電荷中和的蘆丁分子的光譜，進一步說明了蘆丁A環上負離子與SB3-12季銨正電荷的靜電作用及負電荷的磺酸基對B環的影響。

3.4 混合膠束溶液中蘆丁的1H NMR譜

1H NMR譜對研究分子間相互作用是非常有價值的實驗方法，可以從微觀的角度得到不同分子間相互作用的信息。純SB3-12和SDS的1H NMR譜各個H的化學位移已有文獻報道35,36。圖8(I)為SB3-12、SDS及其混合膠束溶液中兩種分子部分氫的1H NMR譜。隨著SB3-12摩爾分數的減小，SB3-12的B6氫向高場移動，B9氫向低場移動，SDS的S5氫向低場移動。這些結果說明在混合膠束中SDS的陰離子與SB3-12的季銨基團發生靜電作用，使B6質子周圍的電子云密度升高，S5質子周圍的電子云密度降低，而SB3-12的磺酸基逐漸增加的吸電子能力使B9的電子云密度降低，這與圖2中給出的混合膠束模型是一致的。當混合溶液中增溶了蘆丁后(圖8(II))，B6氫進一步向高場移動，說明蘆丁與SDS陰離子共同作用于SB3-12的季銨正電荷。S5和B9的位移與沒有蘆丁存在時基本一致，很可能是由于膠束中蘆丁的凈含量較少，不足以顯示對它們的影響。

蘆丁分子的A和B芳香環上的5個氫(圖6)的位移在低場出現，與SB3-12和SDS的位移沒有重合37,38，可以用于識別膠束對蘆丁的影響。在SB3-12和SDS混合膠束溶液中，如圖8(III)所示，隨著xSB3-12增加，蘆丁A環上的8-H向高場移動、6-H向低場移動、B環的2’-H向高場移動，而5’-H和6’-H的位移基本不變，可以認為蘆丁的增溶主要依賴于表面活性劑與A環的作用，很可能是季銨的正電荷與7位羥基的靜電作用造成了臨近的8-H和6-H分別發生了電子屏蔽效應和去屏蔽效應。

綜合在混合膠束溶液中蘆丁的UV-Vis光譜、表面活性劑與蘆丁的1H NMR譜及表面活性劑與蘆丁的相互作用焓變，能夠推斷出增溶的蘆丁與SB3-12中的季銨正離子存在弱的靜電作用，是蘆丁增溶的主要能量因素，磺酸基團與相隔3個亞甲基的季銨正電荷的中和作用削弱了這種靜電作用。在SB3-12膠束溶液中加入負離子的SDS，能夠中和SB3-12的正電荷，從而增強磺酸基的負電荷，即可以連續增大膠束表面的負電荷密度，使蘆丁的增溶能力降低。

4 結論

采用ITC曲線的觀測焓變化研究了SB3-12與SDS混合表面活性劑在不同摩爾分數(xSB3-12≥ 0.5)下的CMC和ΔHmic，結果表明兩者存在強的協同效應，CMC和ΔHmic明顯降低，得到SDS與SB3-12的弱靜電作用的協同效應機理，再結合1H NMR譜，證實了圖2所示的膠束結構模型，并且定量地得到膠束形成時的靜電作用焓變。蘆丁的UV-Vis吸收光譜、增溶了蘆丁的SB3-12、SDS及蘆丁的1H NMR譜進一步驗證了ITC研究得到的結論，而且為識別蘆丁分子與膠束的功能基團相互作用的位點提供了依據。這些結果表明SDS能夠連續地調節兩性離子表面活性劑SB3-12膠束的表面電荷，由純SB3-12膠束弱的負表面電荷，逐漸增加到類似于陰離子表面活性劑的高的電荷密度，這對模型藥物蘆丁的增溶造成了顯著的影響。