淀粉/PVA/木糖醇改性材料制備及其黏附性能研究

丁蕊蕊，陳志琪，馮泳婷，鄭翠恩，羅科艷，馮易琴，宋佳奇，卓志寧，陽范文

（廣州醫科大學基礎醫學院生物醫學工程系,廣東廣州511436）

口腔黏膜性疾病如口腔潰瘍[1]、口腔黏膜下纖維性變[2]、口腔念珠菌病[3]、口腔粘膜白斑[4]等引起的口腔疼痛與感染嚴重影響人們的生活質量,其發病率高且病因復雜,延誤治療可引發腫瘤或癌變[5-7]。這種慢性疾病在病程的不同時期病損更迭交替,患者在治療時依從性差[8]。經傳統的手術治療方式后,患者面臨著吞咽障礙、言語障礙、容貌毀壞等困難,還會在生理、心理、社會交往等方面產生不良影響[9-12]。

口腔黏膜黏附給藥系統是近年來發展的一種新型給藥系統,是指藥物經口腔粘膜吸收直接進入體循環,通過局部集中給藥達到局部治療或全身治療的目的,避免胃腸道的酶代謝及酸降解和肝臟的首過作用,提高藥物的生物利用度[13-14]。葉繼鋒等[3]采用聚乙烯醇(PVA)、羧甲基纖維素鈉(CMC-Na)與殼聚糖為載藥膜治療口腔念珠菌病,但材料成本高昂；Tanaka等[15]采用明膠、CMC-Na與支鏈淀粉制備的半固體制劑用于口腔局部治療,但明膠改性淀粉所制的半固體制劑質地粗糙,成膜性不好,不利于黏膜黏附[16-17]；還有研究者采用羥丙基甲基纖維素(HPMC)、卡波姆(934p)為黏附材料制備的口腔黏附片治療口腔炎癥[18],但黏附片無柔韌性,與黏膜接觸面積小,對于一些需要快速釋放的藥物不能達到要求[19]。

筆者選用價格低廉的淀粉為基材,添加成膜性能優異的PVA,在此基礎上加入木糖醇進行增塑,制備出一種力學性能優異、黏附能力強、柔韌性良好的黏附膜劑。有望用于口腔黏附給藥,延長藥物在病變部位的滯留時間,在不降低患者生活質量水平的同時,減少給藥次數,提高了患者用藥的順應性,具有良好的應用前景。

1 實驗部分

1.1 原材料

淀粉,市售；聚乙烯醇(PVA),上海阿拉丁生化科技股份有限公司；木糖醇,潤友化學有限公司；去離子水,睿希化工水處理廠。

1.2 實驗儀器

控溫磁力攪拌器：ZNCL-DB230,上海霄漢實業發展有限公司；電子天平：AUW220型,SHIMADZU公司；氣動沖片機：CPJQ-25型,上海化工機械四廠；電子拉力實驗機：UTM2203型,深圳三思試驗儀器有限公司；指針式邵氏硬度計：LX-A-1型,溫州一鼎儀器制造有限公司。

1.3 改性材料制備方法

按照表1配方準確稱取各原材料并混合均勻。采用控溫磁力攪拌器加熱攪拌制備改性材料,溫度設定為96 ℃,轉速1500r/min、保溫時間20min。然后將加熱攪拌完成后的溶液鋪展在聚四氟乙烯膜上,自然風干24h。

表1 木糖醇含量不同的材料配方設計Table 1 Formula design of different xylitol content materials

1.4 性能測試

（1）力學性能測試

試樣放置24h后,利用沖片機制備標準力學樣條,采用電子拉力試驗機按GB/T 1040.1-2018所述方法測試拉伸強度和斷后伸長率,拉伸速率為500mm/min；按GB/T 529-2008所述方法測試材料的撕裂強度,拉伸速率為100mm/min。

（2）黏附性能測試

在材料中剪取符合手指表面大小、厚度較為均一的矩形樣條,置于潤濕的手指上,秒表記錄試樣從剛接觸手指到試樣與手指完全貼合所需時間。以上操作重復三次,取平均值。試樣與手指完全貼合后,讓手指懸空,觀察試樣的黏附情況并拍照記錄。

（3）硬度測試

按GB/T 531-1999所述方法,手持硬度計,平壓于試樣上,直至硬度計底面與試樣完全接觸時立即讀數,這時指針所顯示刻度即試樣的硬度值,每次測定時在不同的位置選測三點,取其平均值。

（4）柔性測試

將試樣夾在食指與中指之間,觀察試樣在懸空狀態下的彎曲程度并拍照記錄。

2 結果與討論

2.1 改性材料的力學性能

2.1.1 木糖醇含量對材料拉伸性能的影響

木糖醇含量對拉伸強度、斷后伸長率的影響如圖1所示。隨著木糖醇含量增加,材料的拉伸強度呈逐漸下降而后略有增加的變化趨勢,斷后伸長率總體呈現先增大后降低的變化趨勢。當木糖醇含量從0%增加到5%時,拉伸強度從29.1MPa下降到7.5MPa,斷后伸長率先有輕微的下降后驟然升高,從18.8%升高并達到最大值到141.1%。

圖1 木糖醇含量對材料拉伸性能的影響Fig.1 Effect of xylitol content on tensile properties of materials

產生上述現象的原因是木糖醇滲入到淀粉的分子鏈中,其羥基與淀粉分子上的羥基形成氫鍵,削弱了淀粉分子間的氫鍵作用,起到了增塑作用。當木糖醇含量較低時,木糖醇分子滲透到淀粉分子間的數量較少,其與淀粉分子間的結合的氫鍵數目較少,增塑效果不明顯,故斷后伸長率沒有增大；當木糖醇含量達到5%時,木糖醇分子與淀粉分子間形成的氫鍵作用增強,提高了淀粉分子鏈的活動性,抵抗外力的能力變差,拉伸強度隨降低,斷后伸長率會增大；當木糖醇含量繼續增大,過多的木糖醇分子在材料產生類似的缺陷,故斷后伸長率逐漸減小。

2.1.2 木糖醇含量對材料撕裂強度的影響

木糖醇含量對撕裂強度的影響如圖2所示。隨著木糖醇含量增加,材料的撕裂強度呈現先增加然后減小的變化趨勢。當木糖醇含量從0%增加到5%時,撕裂強度從4.1N/mm上升到最大值7.6N/mm；隨著木糖醇含量繼續增多,撕裂強度下降。其變化原因與木糖醇改變了淀粉的結晶結構有關,隨著木糖醇含量的增多,其與淀粉分子形成氫鍵,產生了良好的增塑效應,故撕裂強度增大；當木糖醇含量過多時,過多的增塑劑降低了淀粉分子鏈作用力,抵抗外力能力變差,撕裂強度反而降低。

圖2 木糖醇含量對撕裂強度的影響圖Fig. 2 Effect of xylitol content on the tear strength

2.2 改性材料硬度和柔性

木糖醇含量對材料的硬度影響如圖3所示,其柔性變化規律如圖4所示。

圖3 木糖醇含量與材料硬度的關系Fig. 3 Relationship between xylitol content and hardness of the material

圖4 木糖醇含量對材料柔軟程度的影響Fig. 4 Influence of xylitol content on softness of the material

從圖3可知,隨著木糖醇含量增加,材料的硬度呈現持續下降的變化趨勢。當木糖醇含量從0%增加到5%時,試樣的硬度從20.7HA迅速下降到17.2HA；當木糖醇含量超過該值時,硬度緩慢下降,木糖醇含量繼續增加到10%時,材料的硬度為16.2HA。

從圖4中可以看出,當木糖醇的含量在5%時,試樣的彎曲程度明顯增大,表明試樣的柔軟程度顯著提高。

產生上述現象的原因是木糖醇含有5個羥基,與淀粉糖苷羥基數目接近,因此其與淀粉形成氫鍵的能力較強,可使淀粉分子鏈緊湊,膜結構不易松弛,脆性減弱；且木糖醇具有吸濕性,加入木糖醇后能使材料質地細膩均勻；糖醇類物質能對材料的性狀賦予筋道,使其具有更高的彈性。

2.3 改性材料的黏附性能

木糖醇含量對材料的黏附性能影響如圖5和圖6所示。

圖5 木糖醇含量與黏附所需時間的關系Fig. 5 Relationship between xylitol content and adhesion time

圖6 木糖醇含量對材料黏附性能的影響Fig. 6 Effects of xylitol content on adhesion properties of the materials

從圖5可知,隨著木糖醇含量增加,黏附所需時間總體呈現先降低然后增加的變化趨勢。當木糖醇含量從0%增加到5%時,試樣完全貼合于手指所需的時間逐漸縮短并達到最小值1.1s；當其含量進一步增加,黏附所需的時間隨之增大。

從圖6可知,當木糖醇含量從0%增加到5%時,試樣與手指的貼合度逐漸增大；隨著木糖醇含量繼續增加,試樣與手指貼合容易發生卷曲,這增加了其黏附所需的時間。

產生上述現象的原因是添加木糖醇后,淀粉的黏度隨著木糖醇含量的增加而增大；但當木糖醇超過一定值時,在一定范圍內有利于淀粉的回生,即糊化的淀粉,分子鏈由無序狀態重新平行取向,靠氫鍵結合在一起,形成不溶于水的晶體結構,故而黏度下降。

3 結 論

（1）隨著木糖醇含量的增加,材料的拉伸強度呈現先下降、然后緩慢上升的變化趨勢,斷后伸長率和撕裂強度總體呈現先增加然后減小的變化趨勢。

（2）改性材料力學性能最優的配方為：75%的去離子水、15%的淀粉、5%的PVA,5%的木糖醇；其拉伸強度為7.5MPa,斷后伸長率為141.1%,撕裂強度為7.6N/mm。

（3）隨著木糖醇含量增加,材料硬度逐步下降,柔韌性逐步增加,木糖醇含量為5%時硬度為17.2HA,柔性良好。

（4）當木糖醇含量在5%時,黏附所需時間短且貼合度最高,黏附所需時間為1.1s。