壳聚糖_海藻酸钠水凝胶的制备及其在药物控释中的应用

JournalofHebeiNormalUniversityofScience&TechnologyVo.l24No.1March2010

壳聚糖/海藻酸钠水凝胶的制备及其

在药物控释中的应用

郑学芳,刘󰀁纯,廉󰀁琪,贾丹丹,田宏燕,王东军

(河北科技师范学院理化学院,河北秦皇岛,066600)

摘要:以戊二醛(GA)为交联剂,壳聚糖作为聚阳离子组分,海藻酸钠作为聚阴离子组分,制备了壳聚糖(CS)海藻酸钠(SA)水凝胶。探讨了改变溶液的pH值和交联剂用量等条件对两种水凝胶溶胀性能的影响。交联剂含量、pH对CS󰀁SA水凝胶溶胀率的影响较大,且在酸性条件下的水凝胶的溶胀率远大于碱性条件下的溶胀率,包埋在此水凝胶中的牛血清蛋白(BSA)释放随载药介质的pH值的变化而显著不同,pH值为1.0条件下载药的水凝胶释药率大于pH值为7.4,9.18条件下的释药率。关键词:壳聚糖;海藻酸钠;牛血清蛋白;控制释放

中图分类号:O636.1󰀁󰀁󰀁文献标志码:A󰀁󰀁󰀁文章编号:1672󰀁7983(2010)01󰀁0008󰀁04

*

水凝胶对外界刺激如pH值、溶剂、盐浓度、光等能产生相应的体积变化,广泛应用于药物控制释放、固定化酶、物料萃取、生物材料培养、提纯、蛋白酶的活性控制等领域。壳聚糖(CS)作为一种带

[5][6]

正电荷的天然多糖,具有良好的生物相容性和生物降解性。由于其具有良好的吸水保湿性能,作为水凝胶,在药物控制释放上具有良好的发展前途。海藻酸钠(SA)是一种广泛存在于各类棕色海藻中的天然高分子,可与多价阳离子形成简单的凝胶,成胶条件温和,该类凝胶对机体无毒性,适合作为药物包埋材料。笔者以戊二醛为交联剂,壳聚糖作为聚阳离子组分,海藻酸钠作为聚阴离子组分制备壳聚糖/海藻酸钠水凝胶(CS󰀁SA),并通过改变溶液的pH值和交联剂用量等因素来探讨水凝胶的溶胀性能变化。同时以牛血清蛋白(BSA)为模型药物,研究其在CS󰀁SA水凝胶中的释放行为。

[2~4]

1󰀁实验部分

1.1󰀁试剂与仪器

壳聚糖(CS),分子量:1.5󰀁10,脱乙酰度90%,粘度为90mPa󰀁s,浙江玉环化工厂生产;海藻酸钠(SA),(C6H7NaO6)n,天津市光复精细化工研究所生产;牛血清蛋白(BSA),上海蓝季科技发展有限公司生产;戊二醛(GA),25g/L;冰乙酸,250g/L。

傅里叶变换红外光谱仪(FTIR󰀁8900),日本岛津公司生产;紫外分光光度计(UV󰀁2401PC),日本岛津公司生产。1.2󰀁水凝胶的制备

1.2.1󰀁CS󰀁SA最佳配比的选择󰀁取5个50mL小烧杯,按表1的原料配比,顺序加入20mL去离子水,5mL冰乙酸,海藻酸钠和壳聚糖,搅拌均匀后,加入戊二醛(25g/L),室温下搅拌24h,成胶后倒入培养皿,真空干燥后切块,用去离子水浸泡24h,每隔12h换一次水以除去未反应的戊二醛等小分子,最后于室温下真空干燥至恒重,并分别标记为CA󰀁1,CA󰀁2,CA󰀁3,CA󰀁4,CA󰀁5。󰀁󰀁当海藻酸钠󰀁壳聚糖=5󰀁3时,形成凝胶的溶胀度最小,说明正好处于海藻酸钠/壳聚糖

编号CA󰀁1

CA󰀁2CA󰀁3CA󰀁4CA󰀁5

表1󰀁最佳配比的选择

海藻酸钠

/g0.20.30.40.50.6

壳聚糖/g0.60.50.40.30.2

戊二醛/mL1.281.281.281.281.28

冰乙酸/mL55555

溶胀度5.90523.25052.46661.76761.8920

5

基金项目:河北省自然科学基金资助项目(B20080004)。*通讯作者,男,教授。主要研究方向:高分子材料。E󰀁mai:lwdj9999@126.com。收稿日期:2010󰀁02󰀁23;修改稿收到日期:2010󰀁03󰀁09󰀁1期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁郑学芳等󰀁壳聚糖/海藻酸钠水凝胶的制备及其在药物控释中的应用

-+

9

的等电点,󰀁COO和󰀁NH3所带电荷相当,相互之间的静电吸引力较强,导致溶胀度较小(表1)。因此在下面的水凝胶制备过程中使用海藻酸钠/壳聚糖之比为5󰀁3的配比。

1.2.2󰀁CS󰀁SA水凝胶的制备󰀁取5个50mL洁净的小烧杯,分别向其中加入0.5g海藻酸钠,20mL去离子水,5mL冰乙酸(250g/L),搅匀后再加入0.3g壳聚糖,继续搅拌,然后分别加入0.32,0.96,1.28,1.60,2.12mL戊二醛(25g/L),混匀后室温下反应24h,成胶后取出,分别标记为A,B,C,D,E,室温干燥。用去离子水浸泡(每12h换水1次,以除去未反应的单体),24h后取出,均匀切成4块,晾干备用。1.3󰀁水凝胶溶胀率的测定

用重量法测定水凝胶的溶胀率(SR),把水凝胶置于一系列不同pH值的溶液中,隔一定时间后取出,用滤纸吸干其表面的水分,称重,计算其溶胀率SR=(W-W0)/W0。其中,W0为溶胀前干胶的质量(g),W为吸水后水凝胶的总质量(g)。1.4󰀁pH缓冲溶液的制备

pH1.0的缓冲溶液由氯化钾和盐酸溶液配制;pH4.0的缓冲溶液由邻苯二甲酸氢钾溶液配制;pH7.4,9.18的缓冲溶液由硼酸󰀁氯化钾溶液和碳酸钠溶液配制,再用NaCl调节缓冲溶液离子强度为0.2。1.5󰀁牛血清蛋白的吸附与释放

1.5.1󰀁标准曲线的制备󰀁分别配制BSA质量浓度为5,4,3,2,1,0.5,0.1g/L的系列溶液,用1cm比色皿在波长279nm处测其吸光度。以吸光度为纵坐标,质量浓度为横坐标,得回归方程A=-0.0011+0.62068C,r=0.9994(󰀁m)。max=279n

1.5.2󰀁牛血清蛋白的吸附󰀁准确量取一定量的5g/L的BSA溶液3份,准确称取按照1.2方法制备的A水凝胶3块,对应的放入已量好的BSA溶液中,于冰箱中浸泡24h,使CS󰀁SA水凝胶达到溶胀和吸附平衡,然后取出水凝胶,准确测量剩余液体的体积,并用紫外分光光度计于279nm处测定剩余液体的吸光度值,标准曲线法算出其中BSA的浓度,计算水凝胶的载药量。

1.5.3󰀁牛血清蛋白的释放󰀁按照上述方法,同样称取A,B,C三种水凝胶各1块,浸入5g/LBSA溶液于冰箱中放置24h,达到溶胀和吸附平衡后,取出,用蒸馏水小心冲洗,用滤纸吸干表面的水分,分别放置到50mLpH=1.0,7.4,9.18的缓冲溶液中,每隔1h移取5mL缓冲溶液,分别以各自的空白作为参比,测279nm处的吸光度

[7]

,再补充相同体积的缓冲溶液到缓冲体系中,使体积恒定。计算不同时间牛

血清蛋白从水凝胶中的释放百分率,测定结果以释药率(释药量/载药量)来表示。

2󰀁结果与分析

2.1󰀁聚合物的红外光谱分析

壳聚糖红外光谱中,1600cm处有CO基的

-1

特征吸收峰(图1)。水凝胶在1550cm处出现了仲酰胺的相关吸收峰,同时O󰀁C󰀁O对称伸缩振动(1411cm)吸收峰变大,这证明在酸性环境下,壳聚糖的氨基发生质子化,而海藻酸钠的羧基发生离子化,二者之间形成离子键,产生微弱的静电引力,可见壳聚糖和海藻酸钠发生了交联。

2.2󰀁交联剂含量对CS󰀁SA水凝胶溶胀度的影响

将A,B,C,D,E放入水中,达到溶胀平衡时,测其

图1󰀁CS(a),SA(b)和CS󰀁SA水凝胶(c)的红外光谱

-1

[8]

-1

质量,考察交联剂含量对水凝胶溶胀度的影响。结果表明,戊二醛浓度增加,溶胀度相应减小,原因可能是交联剂浓度增加,使得分子链之间的交联密度增大,网络空间减小(图2)。2.3󰀁CS󰀁SA水凝胶的pH值敏感性

将样品A,B,C,D置于pH值1.0,4.0,7.4,9.18的缓冲溶液中,观察其溶胀率的变化。结果表明,酸性条件下溶胀率远大于碱性条件下的溶胀率,由于CS󰀁SA水凝胶是两性聚电解质(图3)。水凝胶中存在着如󰀁COOH,󰀁NH2,󰀁OH等多种极性基团,在不同的溶液中,离子化程度不同,溶胀性能也不同。10河北科技师范学院学报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁23卷󰀁

+

pH值为1.0时,󰀁NH2被质子化为󰀁NH3,静电斥力和亲水性增加,导致溶胀率增加;pH值为4.0时,溶胀率较低,氨基和羧基之间离子键和,形成紧密结构,因而不易溶胀;pH值为7.4时,此时的󰀁COOH部分电离,此时羧基与羟基的氢键起主要作用,󰀁COO提供亲水性;pH值为9.18时,可能是因为强碱性环境下,存在较多的󰀁NH2,氨基之间或者氨基与羟基之间形成的氢键增加,致使聚电解质分子链致密,溶胀度下降。由此,可以通过调节交联剂的用量来调控水凝胶的pH值敏感范围。

[9]

当溶液pH发生变化时,由于海藻酸钠和壳聚糖的解离度不同,海藻酸钠分子链上的羧基和壳聚糖分子链上的游离氨基、羧基的电荷密度都会发生显著变化,从而对水凝胶的溶胀度产生影响。凝胶的交联度越小,氨基含量越高,凝胶的溶胀度就越大,敏感性越强。壳聚糖中有一定量的游离氨基存在,由

[10]

于阳离子间的排斥作用,凝胶的溶胀度增大。

-

󰀁󰀁󰀁󰀁图2󰀁交联剂含量对溶胀度的影响󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁图3󰀁pH值对壳聚糖/海藻酸钠水凝胶溶胀率的影响

2.4󰀁不同交联剂含量的CS󰀁SA水凝胶释药性能比较2.4.1󰀁不同pH值下牛血清蛋白的控制释放󰀁按照1.4.2称取3份A水凝胶,载药量分别为7.037󰀁10,6.385󰀁10,6.196󰀁10

-5

-5

-5

g/g。将已经载药的水凝胶分别放入pH1.0,7.4,9.18的缓冲溶液中,

测量牛血清蛋白随时间的释药情况。结果表明,在pH值为1.0的条件下,释药初期速度比较快,释药

+

率达80%,后期趋于平稳(图4)。因为酸性环境中,水凝胶的󰀁NH2以󰀁NH3形式存在,由于静电斥力作用使得水凝胶中的各个网格空隙增大,孔道畅通,渗透性增强,牛血清蛋白分子容易从中溶出。这与酸性环境中具有较大溶胀度的实验结果相符

[11]

。同理,中性和碱性条件下,氨基之间以及氨基与羟基

之间的氢键使得网格紧密,释药率小,8h的累积释药率低于50%。2.4.2󰀁不同交联剂含量的CS󰀁SA水凝胶释药性能比较󰀁将不同交联剂含量的载药水凝胶A,B,C置于pH7.4的缓冲溶液中,测其释药率。结果表明,交联剂用量少的A水凝胶的累积释药率最大,且达到释药平衡的时间最长(图5);B,C交联剂浓度高,释放速度变缓,主要是因为交联剂用量多,使得水凝胶分子间的孔径较小,BSA不容易从中释放出来。累积释药率分别为40%和16%。

[12]

󰀁󰀁图4󰀁BSA在不同pH值溶液中的释放曲线󰀁󰀁󰀁󰀁图5󰀁不同交联剂含量CS󰀁SA水凝胶对BSA释药的影响

󰀁1期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁郑学芳等󰀁壳聚糖/海藻酸钠水凝胶的制备及其在药物控释中的应用11

3󰀁结论与讨论

本次研究选择无毒可生物降解的壳聚糖、海藻酸钠为凝胶骨架材料,戊二醛为交联剂,采用化学交联的方法,制备壳聚糖/海藻酸钠水凝胶(CS󰀁SA)。实验表明:CS󰀁SA水凝胶具有pH敏感性;随着交联剂用量的增加,凝胶交联度提高,分子链之间的交联密度随之增加,聚合物的分子链流动性降低,网格减小,不利于水分子向内渗透,使凝胶的溶胀度下降。以牛血清蛋白为模型药物,对CS󰀁SA水凝胶进行载药释药性能测试,发现其对牛血清蛋白有一定的缓释作用,释放周期超过8h,有望作为药物缓释载体。参考文献:

[1]󰀁NICOLEJE,KELYRS,KAOWJ.Synthesisandphysicochemicalanalysisofgelatin󰀁basedhydrogelsfordrugcarrierma󰀁

trices[J].Biomaterilas,2003,24(3):509󰀁523.

[2]󰀁刘锋,卓仁禧.温度及pH敏感水凝胶的合成及其在生物大分子控制释放中的应用[J].高分子材料科学与工程,

1998,14(2):54󰀁57.

[3]󰀁金曼蓉,吴长发,张桂英,等.聚N󰀁烷基丙烯酰胺类凝胶及其温敏特性[J].高分子学报,1995(3):321󰀁325.[4]󰀁刘锋,卓仁禧.水凝胶的制备及应用[J].高分子通报,1995(4):205󰀁216.

[5]󰀁KERECM,BOGATAJM,VERANICP,eta.lPermeabilityofpigurinarybladderwal:ltheeffectofchitosanandtheroleof

calcium[J].EuropeanJournalofPharmaceuticalSciences,2005,25(1):113󰀁121.

[6]󰀁孙立苹,杜予民,陈凌云,等.羧甲基壳聚糖水凝胶制备及其在药物控释中的应用[J].高分子学报,2004,4(2):191󰀁

195.

[7]󰀁郑学芳,杨华,王立升.壳聚糖/果胶水凝胶的制备及其在药物控释中的应用[J].高分子材料科学与工程,2009,25

(4):105󰀁108.

[8]󰀁北京大学化学系仪器分析教学组.仪器分析教程[M].北京:北京大学出版社,1997.

[9]󰀁CHENLY,TIANZG,DUYM.SynthesisandpHsensitivityofcarboxymethylchitsan󰀁basedpolympholytehydrogelsfor

proteincarriermatrices[J].Biomaterials,2004,25(17):3725󰀁3732.

[10]󰀁张先正,卓仁禧.温度敏感聚(N󰀁异丙基丙烯酰胺)/聚(乙烯醇)水凝胶的制备及性能研究[J].高等学校化学学

报,2000,11(21):1776󰀁1778.

[11]󰀁LINYH,LIANGHF,CHUNGCK,eta.lPhysicallycrosslinkedalginate/N,O󰀁carboxymethylchitosanhudrogelswith

calciumfororaldeliceryofproteindrugs[J].Biomaterials,2005,26(14):2105󰀁2113.

[12]󰀁赵育,陈国华,陆小兰,等.温度及pH敏感性羟乙基甲壳素水凝胶的合成及其性能研究[J].中国海洋大学学报,

2005,35(2):309󰀁312.

作者简介:郑学芳(1980󰀁),女,讲师。主要研究方向:高分子材料。

(责任编辑:朱宝昌)

PreparationofChitosan/AlginateHydrogelsanditsApplicationinDrugControlledRelease

ZHENGXue󰀁fang,LIUChun,LIANQ,iJIADan󰀁dan,TIANHong󰀁yan,WANGDong󰀁jun(CollegeofPhysics&Chemistry,HebeiNormalUniversityofScience&Technology,

QinhuangdaoHeibe,i066600,China)

Abstract:pH󰀁sensitivehydrogelsbasedonchitosan󰀁sodiumalginate(CS󰀁SA)wassynthesizedbyusinggluta󰀁radehydeascross󰀁linkagen.tTheeffectsofthedegreeofthedosageofcrosslinkingandpHontheswellingbe󰀁

haviorsofthehydrogelwerestudied.Theresultsshowedthattheswellingratio(SR)ofthishydrogelinacidesolutionwasmuchlargerthanthatinalkalinesolution.ThereleasebehaviorofbovineserumaluminentrappedinthehydrogelswasofdistinctdifferencewiththechangesofpHvalueofloadingmedium.Thereleaseofbo󰀁vineserumalumininthetwokindsofhydrogelsinthemediumofpH1.0wasmuchquickerthanthatinpH7.4and9.18.Keywords:chitosan;sodiumalginate;bovineserumalbumin;controlledrelease