靜電紡絲法制備白藜蘆醇固體分散體及其釋藥機制綜合實驗設計

周 軍，鄧 姣，張 勝，李湘洲

（中南林業科技大學材料科學與工程學院，長沙 410004）

0 引言

林產化工專業旨在培養利用植物資源開發綠色化工產品、生物醫藥材料和清潔能源的高級復合型科研與應用人才［1］。因此，在系統學習天然藥物化學、生物制藥工藝學、天然產物化學檢測技術等基礎理論課程知識和開展相關實驗教學項目的同時，針對復雜的科研與生產實際問題，在實驗教學環節探索并開設綜合性、創新性的實驗項目，有利于推進“新工科”背景下的實驗教學改革［2-3］，夯實學生的專業基礎知識，提高學生解決實際問題與自主創新的能力。

林源活性成分高效修飾與新型制劑開發是林產化工領域研究的熱點，已開發的諸如紫杉醇脂質體、白藜蘆醇微膠囊、銀杏內酯注射液等制劑已廣泛應用于抗癌藥物、抗氧化食品等行業中［4-6］。白藜蘆醇（Resveratrol）是一種非黃酮類天然多酚化合物，廣泛存在于桑椹、葡萄、花生等植物組織中［7-8］。研究表明，白藜蘆醇具有抗氧化、保護心血管以及抗腫瘤等多種生理活性［9-10］。但白藜蘆醇是脂溶性物質，難溶于水以及穩定性差的天然缺陷使其難以被人體吸收利用，極大地限制了白藜蘆醇產品的開發與應用。利用制劑制備技術可以有效改善白藜蘆醇的天然缺陷。目前已開發的劑型有乳液、微膠囊、脂質體、固體分散體和脂質納米液晶等。其中固體分散體是指將藥物高度分散于固體載體中形成的一種以固體形式存在的藥物-載體的固體分散系統［11］。固體分散體的釋藥性能與制備方法及載體材料密切相關。常用的制備方法有溶劑法、熔融法、噴霧干燥法、靜電紡絲法等［12-13］。靜電紡絲技術作為一種新興的制備技術，其制備的固體分散體具有比表面積大、結構可控和生物相容性好等優點，已在藥物載體、組織工程支架等方面有較好的應用［14］。紫膠作為藥物的天然載體材料，因其結構中羧基基團的存在而具有一定的腸溶特性［15］，在載體材料中加入L-組氨酸（L-Histidine），能促進羧基在模擬腸液中的解離［16］，從而表現出優良的腸溶特性。

設計的靜電紡絲技術制備白藜蘆醇固體分散體的綜合實驗，比較了加入L-組氨酸前后制備的白藜蘆醇固體分散體的形貌結構、穩定性以及釋藥性能與機理。選取特色林源活性成分，利用新興制劑制備技術對其進行劑型改造以克服其天然缺陷，有助于學生深入理解專業基礎知識，了解行業前沿動態，激發學生創新思維，提高實踐能力與科學素養，促進學生對專業的認同感和歸屬感。

1 實驗設計

1.1 實驗試劑與儀器

（1）主要試劑與材料。紫膠樹脂、氫氧化銨、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉，分析純，國藥集團化學試劑有限公司，98%白藜蘆醇，花垣恒遠植物生化有限公司；99%L-組氨酸，上海麥克林生化科技有限公司，透析袋（MD34，3500D），Sigma Aldrich。

（2）主要儀器。NANON-01A 靜電紡絲機，MECC；UV2310II紫外分光光度計，上海天美科學儀器有限公司；Sigma HD 場發射掃描電子顯微鏡，Zeiss；ALPHA傅里葉變換紅外光譜儀；Q2000 差示掃描量熱儀，TA Instruments；RC-3 溶出度測定儀，天津新天光分析儀器技術有限公司；SCIENTZ-18N 冷凍干燥儀，寧波新芝生物科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 紫膠銨鹽的制備

稱取粉碎并過40 目篩的紫膠10.00 g，加入200 mL的0.1 mol／L 氨水中，于40 ℃下恒溫磁力攪拌1 h，所得反應溶液靜置，取上層清液裝入表面皿中，于-18 ℃預凍8 h，經冷凍干燥48 h 得到褐色的紫膠銨鹽。

1.2.2 靜電紡絲制備白藜蘆醇固體分散體

稱取0.222 g純白藜蘆醇分散于含1.998 g 紫膠銨鹽的無水乙醇溶液中，45 ℃下攪拌1 h 使其完全溶解，加入0.75 mg L-組氨酸后繼續攪拌5～6 h，冷卻至室溫，得到紫膠銨鹽-組氨酸／白藜蘆醇溶液。不加組氨酸的溶液為紫膠銨鹽／白藜蘆醇溶液。樣品溶液經超聲處理60 s，排除氣泡后進行靜電紡絲。設置儀器參數為電壓29 kV，流速0.2 mL／h，針頭清洗頻率50 s／次，溫度（25±5）℃，濕度42% ±5%，紡絲樣品通過鋁箔錫紙收集，接收距離15.0 cm，即得到粉末狀的紫膠銨鹽／白藜蘆醇和紫膠銨鹽-組氨酸／白藜蘆醇樣品，備用。

1.2.3 固體分散體中白藜蘆醇載藥率的測定

分別稱取一定量的紫膠銨鹽／白藜蘆醇和紫膠銨鹽-組氨酸／白藜蘆醇樣品，用乙酸乙酯反復淋洗3 遍，過濾，濾液定容，用紫外-可見分光光度計在305 nm處測定吸光度，根據標準曲線（y＝141.5x+0.004 7，R2＝0.999 6，在1.2～6.0 mg／L 范圍內擬合效果較好）計算表面未包埋的白藜蘆醇的質量，并分別計算白藜蘆醇的載藥率：

式中：LC為白藜蘆醇的載藥率，%；m為固體分散體的質量；m0為白藜蘆醇的加入量；m1為未包裹的白藜蘆醇的質量。

1.2.4 掃描電鏡分析

分別取適量的樣品粘在有導電膠的樣品臺上，利用真空鍍膜機噴金后，再用掃描電鏡觀察樣品的表觀形貌，并利用Nano measure 軟件對粒徑分布進行統計分析。

1.2.5 傅里葉紅外光譜分析

分別取適量的樣品與干燥的溴化鉀混合，研磨均勻后壓片，樣品在紅外光譜下進行分析，掃描頻率64 Hz，掃描32 次，掃描范圍400～4 000 cm-1。

1.2.6 差示掃描量熱法分析

分別取適量樣品置于鋁制小坩堝中，封壓后放入差示掃描量熱儀中進行分析，測量溫度范圍25～350℃，升溫速率10 ℃／min。以液氮為降溫介質，加熱過程中均以高純氮氣為吹掃氣和保護氣。

1.2.7 體外釋放效果及其動力學

根據2015 版中國藥典溶出度和釋放度測定法選用第2 法槳法測定樣品的體外釋放效果［17］。分別精密稱取含白藜蘆醇同等質量的紫膠銨鹽／白藜蘆醇、紫膠銨鹽-組氨酸／白藜蘆醇樣品和純白藜蘆醇置于已預處理的透析袋中，加入少量緩沖介質后封閉，置于含400 mL pH ＝6.8 的模擬腸液的溶出儀中進行體外釋放實驗，釋放10 h，轉速為（50 ±2）r／min，溫度為（37±0.5）℃。其中，在預定的時間間隔內取樣5 mL，并立即補充等量新鮮釋放介質。用紫外分光光度計在305 nm處測定所取樣液的吸光度，根據標準曲線方程（y＝103.01x+0.018 9，R2＝0.999 1，在0.085～17 mg／L范圍內擬合效果較好）計算白藜蘆醇的濃度，并分別計算樣品中白藜蘆醇的累積釋放百分率。

式中：Xt為第t次累積釋放率；V0為每次取樣體積；Ve為釋放介質總體積；Ct為第t次取出的緩釋介質中白藜蘆醇的濃度，g／L；m為樣品中白藜蘆醇的含量。

藥物從載體材料中的釋放過程主要是由擴散控制和降解溶蝕控制兩種機制單獨作用或共同作用的［18］。經典釋藥動力學模型包括零級釋放動力學、一級釋放動力學、Higuchi平面擴散動力學和Ketger-Peppas（KP）［112］釋放動力學模型分別為：

式中：t為釋放時間；Xt為在t時藥物累積釋放率；A、k為釋放常數；X0為藥物的初始濃度；X∞為最大累積釋放百分數；n為釋放指數，無量綱。

2 結果與討論

2.1 樣品載藥率的測定與形貌表征

通過測定得到紫膠銨鹽／白藜蘆醇和紫膠銨鹽-組氨酸／白藜蘆醇的載藥率分別為7.91%和8.37%，表明紫膠銨鹽對白藜蘆醇具有良好的包覆能力，且加入His之后白藜蘆醇的負載率略有提高。圖1（a）所示為純白藜蘆醇的掃描電鏡分析，白藜蘆醇大多為細長的無規則晶體結構，粒徑為（3 034.06 ±584.71）nm，粒徑較大且不均勻。圖1（b）中紫膠銨鹽／白藜蘆醇的形貌較規整，大多為表面光滑的球體結構，粒徑為（838.83 ±154.24）nm，分布較為均勻。圖1（c）中紫膠銨鹽-組氨酸／白藜蘆醇形貌也呈表面較為光滑的球體結構，粒徑為（898.08 ±173.62）nm，略大于紫膠銨鹽／白藜蘆醇的粒徑。利用靜電紡絲技術可以制備出白藜蘆醇負載率高、形貌可控的固體分散體，且加入組氨酸材料后制備的紫膠銨鹽-組氨酸／白藜蘆醇固體分散體的粒徑呈現出略微增大的趨勢。

圖1 樣品掃描電鏡分析

2.2 傅里葉變換紅外光譜分析

利用傅里葉變換紅外光譜對樣品的結構進行表征。由圖2 可知，白藜蘆醇紅外光譜圖中3 217 cm-1處為苯環—OH的伸縮振動吸收峰，1 585、1 515 cm-1處為芳環上的C ＝C伸縮振動吸收峰，1 153 cm-1處為C—O伸縮振動吸收峰，962 cm-1處為RCH ＝RCH 特征吸收峰。組氨酸紅外光譜圖中3 300～2 500、920 cm-1處為—COOH特征吸收峰，1 635 cm-1處為C ＝N伸縮振動吸收峰，835、683 cm-1處為C ＝C 鍵特征吸收峰［19-20］。紫膠銨鹽／白藜蘆醇紅外光譜圖中，1 515 cm-1處保留了白藜蘆醇的C ＝C 特征吸收峰，且在2 931 cm-1處C—H特征吸收峰略有加強，表明白藜蘆醇被成功包埋于紫膠銨鹽中。紫膠銨鹽-聚組氨酸／白藜蘆醇的紅外光譜圖與紫膠銨鹽／白藜蘆醇基本一致，表明少量聚組氨酸的加入對固體分散體的結構沒有明顯的影響。同時，靜電紡絲制備的紫膠銨鹽／白藜蘆醇和紫膠銨鹽-聚組氨酸／白藜蘆醇固體分散體的紅外光譜圖中未出現新的特征吸收峰，表明其制備過程不涉及化學反應。

圖2 樣品紅外光譜分析結果

2.3 差示掃描量熱分析

利用差示掃描量熱儀對樣品中白藜蘆醇的分散狀態以及載體的熱穩定性進行表征。由圖3 可知，純白藜蘆醇在269.8 ℃附近呈現出較強的吸熱峰，而L-組氨酸在287.5 ℃處有尖銳吸熱峰，這與它們本身的熱分解溫度相對應。靜電紡絲制備的固體分散體紫膠銨鹽／白藜蘆醇與紫膠銨鹽-組氨酸／白藜蘆醇沒有出現明顯的吸熱峰，表明固體分散體的熱力學性質更趨穩定，且白藜蘆醇在固體分散體中以非晶體的形式存在，非晶態形式的藥物其溶解度較高，易于吸收［21］。

圖3 樣品差示掃描量熱分析結果

2.4 體外釋放效果及其動力學

人體對藥物、食物等的消化和吸收主要集中在小腸［22］。通過測定藥物在體外胃腸消化模型中的釋放效果，可以初步判斷藥物的釋放規律。由圖4 可知，在pH為6.8 的模擬腸液條件下，紫膠銨鹽／白藜蘆醇和紫膠銨鹽-組氨酸／白藜蘆醇固體分散體中白藜蘆醇釋放過程可以大致分為3 個階段，0～4 h 內為快速釋放階段，4～8 h內為持續緩釋階段，8 h 后為平穩釋放階段。10 h內紫膠銨鹽／白藜蘆醇和紫膠銨鹽-組氨酸／白藜蘆醇中白藜蘆醇的累積釋放率分別為65.79%和81.54%，而純白藜蘆醇在10 h 內的累積釋放率僅為52.24%。紫膠及其衍生物常作為腸溶藥物的包衣材料，因此利用紫膠銨鹽包覆白藜蘆醇制備的紫膠銨鹽／白藜蘆醇固體分散體在pH ＝6.8 的模擬腸液中的累積釋放率較高，表現出一定的腸溶特性。而加入L-組氨酸后制備的紫膠銨鹽-組氨酸／白藜蘆醇中由于L-組氨酸的存在，其既可作為質子供體，又可作為質子受體［16］，使紫膠銨鹽-組氨酸／白藜蘆醇在模擬腸液中能快速穩定釋放出白藜蘆醇，表現出優良的腸溶特性，有利于白藜蘆醇在腸道中的釋放與被吸收。

圖4 pH ＝6.8條件下的體外釋放效果

對白藜蘆醇、紫膠銨鹽／白藜蘆醇和紫膠銨鹽-組氨酸／白藜蘆醇在pH ＝6.8 的模擬腸液中的釋放數據進行擬合，結果見圖5 和表1。純白藜蘆醇的釋放過程符合Higuchi釋放動力學模型，屬于簡單的Fick 擴散釋放。紫膠銨鹽／白藜蘆醇與紫膠銨鹽-組氨酸／白藜蘆醇的釋放過程均符合一級釋放動力學模型，屬于藥物擴散和骨架溶蝕共同協助釋放機制［18］。加入L-組氨酸之后，紫膠銨鹽-組氨酸／白藜蘆醇的擬合方程中釋放常數k值明顯大于紫膠銨鹽／白藜蘆醇的釋放常數k值，表明紫膠銨鹽-組氨酸／白藜蘆醇中白藜蘆醇在模擬腸液中的釋放速率更快。

表1 體外釋放動力學擬合結果

圖5 體外釋放動力學模型擬合

3 教學特色與效果

本實驗以培養學生綜合運用專業基礎理論知識創新性的解決實際問題的能力為目的，結合教師自身科研課題，以特色林源活性成分白藜蘆醇為研究對象，從藥物制劑學的角度設計了靜電紡絲制備白藜蘆醇固體分散體及其釋藥機制綜合實驗，實驗內容涉及林產化學、天然藥物化學、藥物制劑學、材料科學、檢測技術、數據處理等多門學科，學生在實驗過程中不僅可以在教師指導下完成大型儀器設備的操作，還能學會使用Origin、SPSS等數據處理軟件，有助于提高學生的科研能力，也促進學生對多學科交叉融合解決科研與生產實踐問題的理解。

同時，本實驗操作簡便易行，具有一定的綜合性與創新性，可在化學工程與工藝、制藥工程等專業推廣運用。針對專業和課程學時設置的不同，還可以對藥物模型、制備技術等進行調整，例如，針對制備技術，可以將靜電紡絲技術改為更易于實現的噴霧干燥、冷凍干燥等技術。

另外，根據課程思政建設的需要，可以充分挖掘并針對性地設置一些課程思政元素，培育本專業大學生正確的哲學觀、世界觀和科學觀等。例如，介紹林產化學的發展史及我國重要林業科學家梁希等的科學貢獻；闡述“綠水青山就是金山銀山”理論及林產化學發揮的重要作用；林源活性成分大多作為初級產品供出口，而國外通過精深加工后制成的高附加值產品返銷國內，我國實現資源優勢與技術優勢、產品優勢的有機結合的重要性；分析檢測技術的發展及當前我國在分析科學領域中面臨的“卡脖子”的嚴峻形勢與自主創新發展的重要性等，通過引入上述思政元素，有利于提高學生的思辨能力，培養學生的創新思維，提高學生對本專業的認同感和歸屬感。

4 結語

基于天然藥物化學和藥物制劑學等專業基礎知識，設計了靜電紡絲法制備白藜蘆醇固體分散體及釋藥機制的綜合實驗。借助掃描電鏡、傅里葉紅外光譜和差示掃描量熱等材料學表征技術，學生們對加入L-組氨酸前后制備的白藜蘆醇固體分散體的理化性質進行了比較分析，并深入探究了固體分散體的釋藥效果與機理，通過實驗教學的開展加深了學生對林產化學、天然藥物化學、藥物制劑學和儀器分析科學等相關專業基礎知識的理解，知行合一，提高了學生利用專業知識與技能解決科學研究與生產實踐問題的能力，有利于培養符合“新工科”要求的卓越創新人才。