雛雞用水凝膠藥物載體的研制

孫媛媛，梁春彩，張海龍，劉聚祥

(河北農業大學動物醫學院，保定 071000)

在養雞業生產中，雛雞從孵化場到飼養場需要經歷較長時間的運輸過程，在此期間雛雞不能采食和飲水，這種運輸應激會對它們的健康和生長性能產生不利的影響[1]。最好的方式就是讓其在運輸過程中盡量維持采食和飲水，以保證它們能持續生長發育。高吸水凝膠含有大量水分，既可以作為儲水材料，也可以作為藥物、營養物質的載體，雛雞用水凝膠主要用于運輸過程中為雛雞補充水分和營養物質，是一種加水攪拌即用型高吸水凝膠。使用時可將凝膠撒在運輸箱內，供雛雞自由采食。

“凝膠”這一稱呼是19世紀后期由膠體化學創始人Grahan首次提出，現代的凝膠相關研究則開始于水凝膠領域中的明膠。水凝膠是一種以水為分散介質，在水中溶脹但不溶解的多孔交聯聚合物[2]。水凝膠中親水基團如-OH、-CONH-、-CONH2和-COOH的存在可以使水分牢牢地吸附在凝膠的三維網狀中，使其有較強的吸水保水性能，吸收大量液體呈凝膠態，即使在一定的壓力下也不容易失去水分并保持自身形態[3-5]。水凝膠作為一種新型的載體，因其具有保水性、生物相容性和制備工藝簡單等優點，近年來在農業、醫藥和化工等領域引起廣泛的關注[6-7]。

聚丙烯酸鈉高吸水樹脂(sodium polyacrylate super absorbent polymer,SAP)是通過聚合反應的方法制成的具有三維網絡的高分子聚合物，因其具有親水基團和多孔結構，可吸收大量水分子而呈凝膠狀，同時其本身的交聯網狀結構及氫鍵作用限制了它的無限膨脹，因其吸水量大、保水性強、安全無毒，在各個領域具有廣泛的用途，成為人類生活和國民經濟中不可缺少的材料，市場前景廣闊[8-10]。麥芽糊精(maltodextrin,MD)是以淀粉或淀粉質為原料，經酶法低度水解、精制、噴霧干燥制成的不含游離淀粉的淀粉衍生物，是一種介于淀粉和淀粉糖之間的多糖類低轉化產品，也是一種營養性多糖，可在體內降解。麥芽糊精溶解速度快，含有眾多羥基，水溶性好，能提高親水性膠體的分散性能[11-12]。瓜爾豆膠(guar gum,GG)也稱瓜爾膠，是從瓜爾豆的胚乳中分離得到的一種非離子型多糖化合物，價格低廉，在自然界廣泛存在。瓜爾豆膠分子結構為直線型，主鍵為(1，4)-β-D-甘露糖單元，側鍵由單個的α-D-半乳糖以(1，6)鍵與主鍵相連[13]，為天然高分子多糖類親水性膠體，常作為食品添加劑使用，具有食用安全性，在水中也有較好的溶解性，可以賦予水溶液和其他懸浮液較高的黏性，還可與多糖類物質發生凝膠化或協同增黏作用。本研究將該3種物質作為基質進行水凝膠配方的篩選及優化，并對其結構、理化性質進行表征分析，以期為家禽生產提供一種使用便捷、價格低廉的水凝膠藥物載體。

1 材料與方法

1.1 材料

聚丙烯酸鈉高吸水樹脂(批號：TK301)購自任丘市泉興化工有限公司；麥芽糊精(批號：607L021)購自北京索萊寶科技有限公司；瓜爾膠(批號：J19 N10R103261)購自上海源葉科技生物有限公司。

電子天平(ME204E)購自賽多利斯科學儀器有限公司；超純水儀(SMART-P)購自上海康雷分析儀器有限公司；電熱鼓風干燥箱(GZX-9146MBE)購自上海博訊實業有限公司醫療設備廠；冷凍干燥機(LGJ-18)購自北京松源華興科技發展有限公司；差示掃描量熱儀(DSC3)購自梅特勒-托利多公司；冷場發射Regulus8100掃描電子顯微鏡購自Hitachi公司；Alpha紅外光譜儀購自Bruker公司。

1.2 水凝膠制備

分別取一定量的聚丙烯酸鈉高吸水樹脂、瓜爾膠和麥芽糊精，攪拌混勻，在燒杯中加入適量水，用玻璃棒邊攪拌邊加入混合粉末，直至粉末充分吸收水分。

1.3 響應面法優化試驗

根據前期預試驗及單因素試驗結果，確定以聚丙烯酸鈉高吸水樹脂、瓜爾膠、麥芽糊精的添加量為影響因子，以水凝膠的感官評分為響應值，進行三因素三水平的響應面試驗設計，采用Design-Expert 10.0統計軟件中的Box-Behnken法[14]對其進行響應面回歸分析，考察高吸水樹脂、麥芽糊精、瓜爾膠不同組合的感官評分，從而篩選出最佳組方。試驗因素水平和感官評分標準見表1、2。

表1 響應面分析因素水平Table 1 Factor level of response surface analysis %

表2 水凝膠感官評分標準[15-16]Table 2 Sensory evaluation criteria for hydrogel[15-16]

1.4 表征分析

1.4.1 掃描電子顯微鏡(SEM)觀察 將制備好的樣品先進行低溫冷凍，然后放置在冷凍干燥機中干燥脫水48 h。使用冷場發射Regulus8100掃描電子顯微鏡對處理后的溶脹高吸水樹脂和水凝膠樣品進行分析，將塊狀樣品粘到導電膠上，噴金后測試，觀察樣品形貌。

1.4.2 紅外光譜(FTIR)分析 使用Alpha紅外光譜儀對高吸水樹脂、麥芽糊精、瓜爾膠、物理混合物和冷凍干燥后的水凝膠樣品進行分析。準確稱取樣品1 mg，將樣品與無水溴化鉀(1∶100，W/W)進行充分研磨混合，壓縮成薄片后放置在紅外光譜儀上進行分析。波數分辨率為0.1 cm-1，光譜掃描范圍為500～4 000 cm-1。

1.4.3 差示量熱掃描(DSC)分析 使用差示掃描量熱儀對GG、MD、SAP、物理混合物和冷凍干燥后的水凝膠樣品進行分析，將樣品稱取適量后放入坩堝，蓋上坩堝蓋，測試時1個空坩堝作對照，1個裝樣品。工作條件：N2流速50 mL/min，溫度25～350 ℃，升溫速率10 ℃/min。

1.5 數據處理

所有試驗數據均平行測定3次，基礎數據采用Excel處理，響應面試驗由Design-Expert 10.0軟件進行設計分析，采用Origin 2017軟件作圖。

2 結 果

2.1 水凝膠配方的優化

2.1.1 模型建立 以單因素試驗為基礎，根據Box-Behnken設計原理，以高吸水樹脂、麥芽糊精、瓜爾膠添加量為影響因素，以水凝膠的感官評分為響應值，設計了17組分析試驗，感官評分為67.2～96.1(表3)。根據Design-Expert 10.0軟件，對表3結果進行回歸擬合分析，最終得到以感官評分(Y)為響應值的二次回歸方程：Y=94.88+3.27A+1.70B+1.55C―1.42AB―1.98AC―2.43BC―10.58A2―11.33B2―7.93C2。

表3 響應面優化試驗結果Table 3 Test results of response surface optimization

續表

表4 響應面試驗結果方差分析表Table 4 Anova table of response surface test results

2.1.3 響應面圖分析 應用Design-Expert軟件對試驗結果進行分析，得到相應的二維等高線圖和三維響應面圖，結果見圖1～3。響應面坡度越陡、等高線越接近橢圓且越稀疏，代表兩兩因素交互作用對響應值的影響越顯著，響應值的改變越敏感。由圖1～3可知，BC的曲面拱形較為陡峭，等高線為橢圓形且相對稀疏，其次是AC，而AB的曲面拱形不明顯，等高線趨于圓形且相對密集。說明麥芽糊精和瓜爾膠添加量的交互作用對感官評分干擾最大，高吸水樹脂和麥芽糊精添加量的交互作用對感官評分的干擾最小。該結果與表3中的回歸分析結果相吻合。

2.1.4 優化配方與試驗驗證結果 根據軟件分析模型可以得出水凝膠的最佳配方為：4%高吸水樹脂、10%麥芽糊精、1.5%瓜爾膠，余量為水；最佳感官評分為95.2。在此條件下，平行進行3次驗證性試驗，所得感官評分分別為94.5、93.8和94.8，平均值94.4。說明該模型可靠，預測性良好。

圖1 高吸水樹脂和麥芽糊精對水凝膠感官評分的二維等高線圖(A)和三維響應面圖(B)Fig.1 2D comtour plots (A) and 3D response surface plots (B) of super absorbent polymer and maltodextrin on sensory score of hydrogel

圖2 高吸水樹脂和瓜爾膠對水凝膠感官評分的二維等高線圖(A)和三維響應面圖(B)Fig.2 2D comtour plots (A) and 3D response surface plots (B) of super absorbent polymer and guar gum on sensory score of hydrogel

圖3 麥芽糊精和瓜爾膠對水凝膠感官評分的二維等高線圖(A)和三維響應面圖(B)Fig.3 2D comtour plots (A) and 3D response surface plots (B) of maltodextrin and guar gum on sensory score of hydrogel

2.2 表征分析結果

2.2.1 水凝膠SEM結果 溶脹狀態下的高吸水樹脂和水凝膠的SEM結果顯示，二者都為多孔狀結構，單獨的高吸水樹脂(A)呈薄、脆、結構不緊密且易脆碎，水凝膠(B)結構致密、空洞小且硬度較好(圖4)。隨著麥芽糊精和瓜爾膠的加入，它們不僅可以填充高吸水樹脂之間的基質空間，使結構變厚，同時瓜爾膠和麥芽糊精含有大量羥基官能團，可以在復配體系中與樹脂發生相互作用，形成相對封閉且緊密的網絡結構。

圖4 溶脹高吸水樹脂(A)和水凝膠(B)掃描電鏡照片Fig.4 SEM image of swelling of super absorbent polymer (A) and hydrogel (B)

2.2.2 FTIR分析結果 通過紅外光譜可以反映出水凝膠內部分子的相互作用。紅外光譜結果見圖5。由圖5可知，高吸水樹脂中，3 437 cm-1屬于-OH伸縮振動峰，2 944 cm-1屬于-CH伸縮振動吸收峰，1 714 cm-1為-COOH中C=O伸縮振動峰，1 571和1 407 cm-1為-COONa中C=O的反對稱和對稱伸縮振動峰，為高吸水樹脂特征峰，510 cm-1屬于Na-O的伸縮振動峰。相比于三者各自的紅外光譜圖，物理混合中未見高吸水樹脂特征峰，明顯可見麥芽糊精特征峰，而在凝膠中可以顯示麥芽糊精和高吸水樹脂特征峰，說明在小體積樣品測試時，因為麥芽糊精的含量大，高吸水樹脂特征峰被覆蓋，而在制備凝膠的過程中，高吸水樹脂吸水膨脹，在體系中占據較大體積，與麥芽糊精和瓜爾膠能夠較均勻分布。水凝膠的紅外光譜圖未見新的峰出現，即未有新的基團產生。水凝膠在3 419 cm-1處有強吸收峰，相比于高吸水樹脂(3 437 cm-1)、麥芽糊精(3 397 cm-1)和瓜爾膠(3 407 cm-1)來說居于三者之間，說明三者發生相互作用，有可能形成了分子間氫鍵。高吸水樹脂中510 cm-1的Na-O峰在凝膠中消失，1 714 cm-1的峰向低波數(1 707 cm-1)移動，說明在形成凝膠的過程中Na+會脫離高吸水樹脂結構，從而形成更多的羧基結構。

圖5 水凝膠紅外光譜圖Fig.5 FTIR spectea of hydrogel

2.2.3 DSC分析結果 水凝膠及各組分的DSC分析結果見圖6。由圖6可知，高吸水樹脂在74和331 ℃左右有2個吸熱峰，麥芽糊精也有2個吸熱峰，分別在93.9和224 ℃左右，前一個吸熱峰為失水峰，后一個吸熱峰為麥芽糊精的熔點；瓜爾膠在84.8 ℃左右有吸熱峰，為瓜爾膠的熔化溫度。物理混合的DSC中大約可判斷為麥芽糊精的DSC峰，與紅外結果一樣，DSC測試只取3～5 mg，只能測試出比例大的物質的峰，比例較小的物質峰因為含量太少被覆蓋而未檢測到。在水凝膠中2個吸熱峰均向高溫度方向移動，且復配體系的升溫曲線在發生相轉變時形成了寬峰，說明三者發生了相互作用，表現出了更好的熱穩定性和相態穩定性。

圖6 水凝膠差示掃描量熱曲線Fig.6 DSC curves of hydrogel

3 討 論

該水凝膠制備方法簡單，對設備要求不高，并且選取的3種基質均簡單易得，價格便宜，是一種成本低、環境友好的載體。SAP是近年來興起的一種高分子材料，其吸水倍率高、安全性能好、合成工藝簡單。瓜爾膠和麥芽糊精水溶性好，在體內可降解，對畜禽無毒無害，在食品中已有較多的應用[17-18]，二者的加入可以提高SAP的生物降解性和生物相容性[19]。以此三者混合，加水制得的水凝膠可以在運輸過程中給予雛雞水分，同時還可以作為藥物或營養添加劑的載體用于雛雞，是一種較為新型的藥物載體制劑。

3.1 水凝膠處方優化

采用響應面優化法進行組方優化，成功制備了復配水凝膠。初篩處方比例時，遵循用量較少原則，在使用盡量少的基質、較多水的前提下選取合適的比例。根據臨床需求，以均勻度、黏稠度和分散性為感官指標，應用響應面法進行優化，且當因素數和水平設置相同時，采取Box-Behhnken試驗設計，相較于中心復合試驗設計更為簡單，試驗更為穩定可靠。基于此，3個因素與響應值感官評分構成了可以直觀地反映出兩因素之間的交互作用程度的等高線圖和響應面圖。等高線的輪廓是表示2個因素的交互規律，等高線越密集的地方表示二者共同作用越顯著。響應面的坡度能反映出各個因素的影響程度，越陡峭則響應值對因素的改變越敏感[20-21]。本試驗中，隨著三者添加量的增加，感官得分呈先增加后下降的趨勢，說明這3個因素對響應值均有較為明顯的影響，高吸水樹脂影響最大，麥芽糊精次之，瓜爾膠影響最小；且兩兩因素交互作用顯著，麥芽糊精瓜爾膠交互作用影響最大，高吸水樹脂瓜爾膠次之，高吸水樹脂麥芽糊精影響最小。

3.2 水凝膠表征分析

掃描電鏡是一種介于透射電子顯微鏡和光學顯微鏡之間的觀測方法，可以對物質的微觀形貌進行表征[22]。蔡旭冉[23]研究發現，加入黃原膠可使羧甲基淀粉的結構更加致密，孔隙更小，排列更加均勻，促進了體系三維網絡結構的形成。閆慧敏等[24]制備了明膠/海藻酸鈉/沙蒿膠復合水凝膠，通過掃描電鏡觀察顯示，未添加沙蒿膠的結構松散，孔徑較大，加入后有明顯的多孔結構，且連通性較好，是沙蒿膠大量的羥基形成氫鍵所致，增強了復合水凝膠的網絡結構。姚雪等[25]制備了魔芋葡甘聚糖和丙烯酸互穿網絡凝膠，通過掃描電鏡可以看出魔芋葡甘聚糖有大而散的空洞，二者結合后則具有細小均勻的孔，結構更加穩定。本試驗中，添加麥芽糊精和瓜爾膠對高吸水樹脂的結構有填充作用，三者分子間相互纏繞發生相互作用使結構更加致密，孔隙更加穩定，與上述文獻結果較為一致。這種結構提供了小分子進出的通道，有利于水分子的擴散，更重要的是，它可以提高凝膠在載藥過程和藥物釋放過程中的均勻性和穩定性，為后續凝膠載藥提供了一定的結構基礎。

傅里葉紅外光譜可以對分子的化學鍵和多糖結構的有機官能團組成和變化進行鑒定和分析[26]。劉鵬燕等[27]研究顯示，K-卡拉膠和黃原膠復合凝膠的O-H伸縮振動峰居于二者中間，是因為2個卡拉膠分子之間O-H氫鍵弱化而卡拉膠分子與黃原膠分子之間O-H氫鍵增強所致。白長壯[28]制得了丙烯酰胺表面改性纖維素復合凝膠并通過紅外光譜發現，纖維素和聚丙烯酰胺分子鏈之間可能形成了新的分子間氫鍵。本試驗結果與上述研究較為相似，水凝膠光譜峰中未有新的化學基團出現，1 571和1 407 cm-1為樹脂中-COONa的特征峰，這與馬蕊等[29]關于聚丙烯酸鈉高吸水樹脂的紅外光譜分析結果一致。900～1 300 cm-1之間的峰為瓜爾膠和麥芽糊精共有的多糖結構特征峰，凝膠的O-H的伸縮振動吸收峰也發生了偏移，居于三者中間，說明物質的分子內氫鍵可能減少，形成了分子間氫鍵，并發生了分子間纏繞，這與掃描電鏡結果相吻合。

差示量熱掃描可以測量和對比樣品和參照物的熱量差，從而反映物質吸熱放熱過程，也可以分析化合物的熔點[30]。魏玉等[31]研究結果顯示，復配膠體系的差示量熱掃描曲線在發生相轉變時形成了寬峰，有別于單體膠的熱學性質，推測κ-卡拉膠與魔芋膠發生了一定程度的交互作用。本試驗差示量熱掃描結果顯示，水凝膠的熔點峰向溫度高的方向移動并且在100 ℃左右形成了寬峰，這與魏玉等[31]研究結果相類似，說明本試驗的三者也發生了相互作用，熱穩定性增加。

4 結 論

本研究成功制備了一種使用簡便、價格低廉的加水攪拌即用型水凝膠藥物載體，表征分析結果表明3種基質發生了相互作用，相對于高吸水樹脂單體其內部結構更加致密、穩定。該凝膠可以用于雛雞長途運輸過程中的水分補充，也可以在其中加入藥物和營養物質作為載體使用。本研究為畜禽給藥劑型的開發和應用拓寬了新方向。