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      埃洛石基阿司匹林表面印跡分離介質的可控制備及表征

      2015-11-16 18:32:32蘇立強周磊韓爽張維冰
      分析化學 2015年11期

      蘇立強+周磊+韓爽+張維冰

      摘 要 以環(huán)境友好的天然硅基納米材料埃洛石為基質,阿司匹林為模板分子,丙烯酰胺為功能單體,采用可逆加成斷裂鏈轉移法(RAFT)制備阿司匹林表面印跡分離介質。紫外光譜結合Lamber-Beer理論模型從分子水平上證實印跡體系中模板分子與單體主要以1∶2形式結合成穩(wěn)定復合物。通過紅外光譜、透射電鏡及靜態(tài)吸附、選擇性吸附對該印跡材料結構和吸附行為加以研究,結果表明:在埃洛石表面引入了一層厚度約為38 nm、均勻性良好的印跡層。與常規(guī)表面印跡及以硅膠為載體的印跡物相比,此印跡材料具有吸附容量高、印跡效果好的特點,印跡因子達到3.5。將印跡材料進一步用于模擬人體腸液擴散實驗,印跡材料釋藥時間(12 h)是非印跡材料釋藥時間(6 h)的2倍,說明其具有較好釋藥效果,為可能的載藥應用提供了基礎數(shù)據(jù)。

      關鍵詞 分子印跡聚合物; 可逆加成斷裂鏈轉移; 埃洛石納米管; 吸附特性

      1 引 言

      分子印跡聚合物(Molecularly imprinted polymer, MIP)[1]作為一種對目標分子具有顯著識別的多功能型智能材料,已被廣泛用于固相萃取、色譜分離、藥物緩釋等方面[2]。表面印跡[3]是將含有結合位點的MIP接枝到載體表面,與其它制備MIP方法相比,具有后處理簡單、識別位點易接近、熱力學平衡快等優(yōu)點。但表面印跡多數(shù)屬于自由基聚合,傳統(tǒng)自由基聚合存在慢引發(fā)、快增長、易發(fā)生鏈終止和鏈轉移等反應,決定了其過程難以控制。

      可逆加成斷裂鏈轉移法(RAFT)[4]是使用廣泛的活性-可控自由基技術,此法利用聚合物增長鏈與二硫酯化合物的可逆加成、加成物的可逆斷裂以及鏈轉移反應,可便捷地控制聚合物的分子量和分子量分布,在表面印跡自由基聚合中可實現(xiàn)活性聚合。RAFT與表面印跡技術結合的相關報道,文獻[5,6]在球形硅膠、磁性硅球、氧化石墨烯表面制備印跡材料,取得了很好的結果;埃洛石納米管(HNTs)與常用的載體碳納米管、硅膠相比,表面既含有硅羥基,也含有鋁羥基,且具有較大孔徑,便于將識別材料引入到載體表面;另外HNTs價格便宜、無毒且生物相容性好。Pan等[7,8]以HNTs為基質,分別以2,4,6-三氯苯酚、2,4,5-三氯苯酚為模板分子,采用表面印跡法制備了兩種MIP材料,均表現(xiàn)出較好的識別選擇性。本實驗以常用藥物阿司匹林為模板分子,丙烯酰胺為功能單體,在HNTs表面采用RAFT法制備印跡材料,并對其結構和性能加以表征;并模擬人體腸液擴散實驗,研究其作為藥物載體的釋藥效果。2 實驗部分

      2.1 儀器與試劑

      TU-1901型紫外可見分光光度計(北京普析通用儀器有限公司);AS380傅立葉變換紅外光譜儀(美國尼高力公司);埃洛石(HNTs,河南鄭州金陽光瓷器有限公司)。苯基溴化鎂(PMB)、阿司匹林(Asp)、4-氯甲基苯基三氯硅烷(Sigma公司);二甲基乙二醇丙烯酸酯(EDMA,東京化成工業(yè)株式會社);偶氮二異丁腈(AIBN,北京化工廠);丙烯酰胺(AM)、甲基丙烯酸(MAA)、2-乙烯基吡啶(2-VP)均購自國藥集團化學試劑有限公司,以上試劑均為分析純。

      2.2 芐基氯化HNTs的制備

      稱取1 g經HCl處理的HNTs,分散于20 mL甲苯溶劑中,加入2.5 mL 4-氯甲基苯基三氯硅烷,超聲處理15 min后逐滴加入甲苯(2 mL)與三乙胺(1 mL)二者混合液,在惰性氣體保護下,80℃回流攪拌24 h,產物經甲醇洗滌5次,60℃干燥,得到芐基氯改性的HNTs(HNTs-Cl)。

      2.3 HNTs-RAFT的制備

      取苯基溴化鎂30 mL,分散于20 mL超干四氫呋喃中,預熱至40℃,逐滴加入2 mL CS2,45℃反應2 h,再向混合液中加入芐基氯化HNTs 700 mg,在惰性氣體保護下,60℃反應60 h,用1 mol/L HCl終止反應,產物依次用去離子水、乙醚各洗滌5次,60℃干燥,得到二硫代苯甲酸芐基酯鏈轉移化HNTs(HNTs-RAFT)。

      2.4 自組裝印跡體系條件的篩選

      2.4.1 結合力分析 以2-VP、MAA、AM為功能單體,使模板分子分別與上述功能單體按照物質量比為1∶4進行預聚合12 h。分別測定功能單體、模板分子及兩者混合溶液的紫外吸收光譜,通過比較上述混合前后紫外吸收曲線的變化,選擇功能單體。

      2.4.2 印跡比例選擇 以乙腈為溶劑,固定阿司匹林溶液的濃度,漸增功能單體用量,使二者物質量比分別為1∶0, 1∶2, 1∶4, 1∶6, 1∶8和1∶10,充分作用12 h后,測定上述溶液的紫外吸收光譜。

      2.5 HNTs-MIP的制備

      將模板分子Asp 0.0901 g(0.5 mmol)和功能單體AM 0.1422 g(2 mmol)溶于40 mL乙腈溶劑中,充分作用12 h,再加入HNTs-RAFT 700 mg、交聯(lián)劑EDMA 1.9822 g(10 mmol)和引發(fā)劑AIBN 50 mg,通氮除氧15 min,60℃水浴反應24 h,產物用乙酸-甲醇 (20∶80,V/V)混合液索氏提取24 h,再用乙腈除去殘留的醋酸,60℃干燥,得到印跡聚合物(HNTs-MIP)。非印跡聚合物(HNTs-NIP)制備方法同上,只是在反應體系中不加入Asp。

      2.6 聚合物的釋藥行為研究

      分別稱取適量已吸附一定濃度阿司匹林的HNTs-MIP和HNTs-NIP,加入pH 6.8的人工腸液,利用紫外光譜法測其在不同時間的釋藥率。3 結果與討論

      3.1 印跡自組裝體系條件的篩選

      3.1.1 結合力分析 MIP的選擇識別性是由模板分子與功能單體間結合力大小決定的,因此,優(yōu)選合適的功能單體十分重要。采用紫外光譜法[4]系統(tǒng)研究Asp與功能單體2-VP, MAA和AM在乙腈中結合情況,結果表明,3種單體與模板均有作用,與其它兩種單體相比,AM與模板分子結合力最大。這是由于堿性單體AM易與呈酸性的模板分子阿司匹林以分子間氫鍵形式結合成穩(wěn)定復合物。雖然2-VP也呈堿性,但其結構較大,與阿司匹林結合時,存在空間位阻,結合受影響。因此,選擇AM為單體。endprint

      3.1.2 印跡比例分析 利用紫外光譜結合Lamber-Beer理論模型考察單體與模板比例對結合力的影響[9],結果如表1所示。n=1, 2, 3時,擬合方程均呈良好線性關系,其原因可能是在印跡過程中,Asp和AM有多個作用位點,二者可以1∶1、1∶2及1∶3形式結合成復合物,而當n=2時,線性相關系數(shù)最高,說明了Asp與AM以1∶2形式復合物最穩(wěn)定;結合Asp、AM結構可以推測是丙烯酰胺分子中NH2、CO與乙酰水楊酸分子中COOH以分子間氫鍵形式結合成六元環(huán)狀復合物,而另一個丙烯酰胺中NH2又與乙酰水楊酸分子中COOR的CO形成氫鍵。

      理論上,Asp與AM主要以1∶2形式結合成穩(wěn)定復合物,但在實驗中,由于AM極易發(fā)生自聚,這就減少實際參與自組裝印跡體系中AM用量,為確保Asp與AM充分結合,增加單體用量更為有利;根據(jù)文獻[10]選擇印跡比例1∶4。然而并不是二者比例越高越好,AM用量過高時,既能導致余下AM發(fā)生自身締合,也會使未參與自組裝印跡體系中功能殘基增多,從而增加了低親和結合位點數(shù)目,影響了MIP對Asp選擇性識別能力。

      3.2 HNTs-MIP結構表征

      利用紅外光譜研究了HNTs、HCl處理的HNTs, HNTs-RAFT, HNTs-MIP, HNTs-NIP的結構特征(圖1),在HNTs中,3623.61和3697.41 cm

      分別是鋁羥基及硅羥基伸縮振動峰;而在HCl處理的HNTs中,上述兩個硅鋁羥基伸縮振動峰增強,說明經HCl酸化的埃洛石表面富含硅鋁羥基,為埃洛石進一步改性接枝提供了條件。

      是二硫代苯甲酸芐基酯中亞甲基和苯環(huán)特征峰,說明了RAFT試劑成功接枝到埃洛石表面;而在HNTs-MIP中,1384.33, 2959.40和2988.92 cm是交聯(lián)劑中甲基的飽和碳氫特征峰,1118.89, 1258.98和1734.56 cm是交聯(lián)劑中酯的碳氧鍵及羰基特征峰,1450.69 和1675.57cm是功能單體中酰胺的氮氫鍵及羰基特征峰,說明了印跡層成功包覆在埃洛石表面;另外, HNTs-NIP與HNTs-MIP主要特征峰十分吻合,說明Asp成功從印跡層中萃取下來,且沒有破壞印跡層結構。此結果進一步證明了在印跡過程中,Asp與AM是通過非共價鍵進行自組裝。結合二者分子結構可推斷,其主要為氫鍵作用,與結合力分析結果吻合。

      圖2中HNTs(a)、HNTs-MIP(b)分別為埃洛石和埃洛石表面印跡物的透射電鏡圖。從圖2可見,天然的埃洛石呈開口、雙層、多壁納米管狀結構,且其內部有空腔,經分析,其壁厚約為29 nm。

      埃洛石表面印跡聚合物后,開口、雙層管狀的形態(tài)未變,只是外層加厚,埃洛石表面包裹一層均勻的

      圖2 HNTs(a)和HNTs-MIP(b)的透射電鏡圖

      Fig.2 TEM images of halloysite nanotubes (HNTs) (a) and HNTs-MIP(b)印跡層,反應后形成的聚合物形貌規(guī)整,這是由于RAFT聚合法的可控性,正是其優(yōu)于傳統(tǒng)自由基聚合法之處。規(guī)則、均勻的印跡層對于其選擇、吸附等性能均是有利的。另外,圖2b中HNTs-MIP壁厚約為67 nm,通過與HNTs壁厚進行對比,MIP平均厚度約為38 nm。

      3.3 聚合物的吸附性能研究

      圖3 不同載體及方法的吸附量

      Fig.3 Adsorption capacity of various carriers and methods

      各稱取8組20 mg印跡聚合物和非印跡聚合物,加入Asp不同濃度溶液,振蕩后靜止吸附24 h,計算二者吸附量。采用靜態(tài)吸附法考察不同載體、不同方法制備聚合物的吸附性能(圖3)。HNTs-MIP和Silica-MIP分別為采用RAFT表面印跡法在埃洛石和硅膠表面制備的印跡物,T-MIP為采用常規(guī)表面印跡法制備的印跡物, 由圖可知,3種 印跡物MIP飽和吸附量均高于相應NIP吸附量,化學組份相同的材料有如此大的吸附差別,原因是二者在空間構型上具有顯著差異,印跡材料存在與Asp空間構型和功能基團相吻合的印跡孔穴,該孔穴對Asp具有高度響應性,可實現(xiàn)對Asp專一性識別;而非印跡材料不含有這樣的印跡孔穴,對Asp的識別主要是物理吸附[11];計算HNTs-MIP, Silica-MIP, T-MIP印跡因子(β=QMIP/QNIP)分別為3.5, 2.4, 1.7,發(fā)現(xiàn)HNTs-MIP, Silica-MIP除了飽和吸附量要遠高于T-MIP之外,二者印跡因子也高于T-MIP。這是由于RAFT法可有效控制傳統(tǒng)方法在聚合過程帶來的慢引發(fā)、快增長、鏈終止及鏈轉移等不可控因素,使印跡層厚度更加均勻,形成的印跡孔穴數(shù)目更多,從而提高其結合能力;另外還注意到,HNTs-MIP專一識別能力好于Silica-MIP,這主要是與硅膠相比,埃洛石表面既含有硅羥基,也含有鋁羥基功能基團,且具有較大表面積,便于MIP的引入,印跡效果更好。

      選取水楊酸(SA)和苯甲酸(BA)作為阿司匹林結構類似物,考察印跡物的選擇性。稱取3組HNTs-MIP和HNTs-NIP各20 mg,加入相同濃度阿司匹林、苯甲酸及水楊酸溶液,振蕩后靜止吸附24 h,測量上清液中上述3種苯系物的濃度,計算吸附量。經分析,Asp, SA, BA印跡因子β依次是3.5, 2.2, 1.6,由以上數(shù)據(jù)

      圖4 聚合物的釋藥曲線

      Fig.4 Drug sustained release curve of polymer

      HNTs-MIP負載藥物量:78.28 mg/g (load drug amount of HNTs-MIP: 78.28 mg/g); 溶液pH: 6.8 (solution pH: 6.8)endprint

      可知,HNTs-MIP對阿司匹林表現(xiàn)高度的選擇識別性。

      3.4 聚合物的釋藥行為研究

      印跡物因其高度親和性,用于藥物緩釋系統(tǒng)能提高載藥量,增加藥物的穩(wěn)定性,克服了傳統(tǒng)機械地將藥物包覆膠囊里在釋藥過程中存在突釋等缺點,使給藥系統(tǒng)具有更持久的緩釋周期[12]。本研究以常用藥物阿司匹林為模板分子,HNTs-MIP為藥物載體進行藥物緩釋實驗研究,結果如圖4所示,隨給藥時間增加,HNTs-MIP和HNTs-NIP釋藥率也隨之增長,HNTs-NIP釋藥率幾乎呈直線增長,而HNTs-MIP釋藥率則呈非線性增長,這是由于HNTs-NIP給藥過程僅受擴散作用控制,緩釋效果較差,而HNTs-MIP給藥過程是由擴散作用和印跡效應二者共同決定,使藥物模板Asp更好地在HNTs-MIP上選擇性釋放,以便維持人體血藥濃度平衡,同時還減少患者服藥次數(shù),達到阿司匹林緩釋目的。與HNTs-NIP釋藥時間(6 h)相比,HNTs-MIP釋藥時間長達12 h, 為其2倍,釋藥效果較好。

      上述實驗結果表明,在HNTs表面RAFT法制備的HNTs-MIP均勻性較好,對模板阿司匹林表現(xiàn)高度選擇性以及較強的釋藥能力。

      References

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