毒死蜱/陽(yáng)離子改性殼聚糖/海藻酸鈉復(fù)合微球的表征與緩釋

徐 華， 周紅軍， 周新華， 李英玲， 穆筱梅， 林 椰

(仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，廣東廣州 510225)

常規(guī)化學(xué)農(nóng)藥制劑由于其利用率低、流失嚴(yán)重、環(huán)境食品安全等缺點(diǎn)，很難適應(yīng)當(dāng)代社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的理念，而緩釋技術(shù)為化學(xué)農(nóng)藥的發(fā)展提供了思路，并得到了廣泛關(guān)注[1-2]。目前，已有多種緩釋劑型被報(bào)道，如微膠囊制劑[3]、包結(jié)化合物制劑[4]、均一體制劑[5]、吸附型制劑[6]等。無(wú)論何種制劑，緩釋載體都是非常重要的組成部分[7-9]。

海藻酸鈉作為緩釋載體具有無(wú)毒、成本低、可生物降解、良好的生物相容性等特點(diǎn)，是常用的藥物緩釋載體[10]。由于其多糖構(gòu)建的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在溶劑中的溶蝕，藥物突釋現(xiàn)象顯著[11]，制約了這類材料在藥物傳輸系統(tǒng)中的發(fā)展。殼聚糖是一類天然陽(yáng)離子高分子材料，將殼聚糖用于聚陰離子的海藻酸鈉緩釋材料中，通過(guò)靜電、氫鍵等作用可達(dá)到調(diào)節(jié)緩釋性能的目的[12]。將殼聚糖陽(yáng)離子化，進(jìn)一步提高殼聚糖分子內(nèi)陽(yáng)離子的密度用于海藻酸鈉緩釋體系中的報(bào)道較少。

本研究以陽(yáng)離子改性殼聚糖和海藻酸鈉作為緩釋載體，采用擠壓法制備改性殼聚糖/海藻酸鈉/毒死蜱復(fù)合緩釋微球。研究復(fù)合微球的緩釋性能，為開(kāi)發(fā)對(duì)環(huán)境友好的緩釋農(nóng)藥新劑型提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

主要材料有海藻酸鈉(分析純，天津市北聯(lián)精細(xì)化學(xué)品開(kāi)發(fā)有限公司)、毒死蜱(分析純，江蘇景宏化工有限公司)、氯化鈣(分析純，天津市福晨化學(xué)試劑廠)、殼聚糖(chitosan，簡(jiǎn)稱CTS，脫乙酰度≥95%，分子量為20～40萬(wàn)，上海麥克林生化科技有限公司)、無(wú)水乙醇(分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠)；丙烯酰胺、過(guò)硫酸銨、亞硫酸氫鈉、2，3-環(huán)氧丙基三甲基氯化銨(glycidyl trimethyl ammonium chloride，簡(jiǎn)稱GTA)、丙酮、氫氧化鈉，均為分析純，購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

主要儀器有85-2型恒溫磁力攪拌器(常州澳華儀器有限公司)、KH-250 型超聲波清洗器(昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司)、T6新世紀(jì)型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)、Q600熱重分析儀(美國(guó)TA儀器公司)、Spectrum 100型傅立葉變換紅外光譜儀(珀金埃爾默儀器有限公司)、CX41型光學(xué)顯微鏡(日本Olympus公司)。

1.3 改性殼聚糖的制備[13]

在裝有聚四氟乙烯攪拌器、回流冷凝管的 500 mL 三口燒瓶中加入 5 g殼聚糖、100 mL 無(wú)水乙醇，置于恒溫水浴中，在78 ℃條件下加熱60 min，然后冷卻至50 ℃，加入1.05 g過(guò)硫酸銨、0.35 g亞硫酸氫鈉，攪拌10 min，加入20 g丙烯酰胺，恒溫?cái)嚢? h。將恒溫水浴調(diào)至70 ℃，加入0.24 g氫氧化鈉，后加入2.6 g 2，3-環(huán)氧丙基三甲基氯化銨，恒溫?cái)嚢?.5 h，過(guò)濾，用丙酮洗滌濾餅數(shù)次，100 ℃條件下干燥24 h，得到改性殼聚糖產(chǎn)品。

1.4 復(fù)合微球的制備

稱取0.30 g海藻酸鈉于10 mL水中，稱取0.25 g 毒死蜱于5 mL乙醇中，稱取0.25 g改性殼聚糖于5 mL水中。將上述溶液混合，混合后倒入海藻酸鈉溶液中攪拌并超聲 20 min。利用注滴法將上述混合液滴入80 mL 8% CaCl2溶液，滴加速度為50 mL/h，滴加完后繼續(xù)攪拌1 h。過(guò)濾得到產(chǎn)品，并于50 ℃條件下干燥24 h，得到復(fù)合微球，并測(cè)得復(fù)合微球的載藥量(loading capacity 簡(jiǎn)稱LC)[14]。

1.5 空白微球的制備

稱取0.30 g海藻酸鈉于10 mL水中，稱取0.25 g 毒死蜱于5 mL乙醇中，后倒入海藻酸鈉溶液中攪拌并超聲 20 min。利用注滴法將上述混合液滴入80 mL 8% CaCl2溶液，滴加速度為50.0 mL/h，滴加完繼續(xù)攪拌1 h。過(guò)濾得到產(chǎn)品，并于50 ℃條件下干燥24 h，得到空白微球，并測(cè)得復(fù)合微球的載藥量。

1.6 復(fù)合微球緩釋性能測(cè)試[14]

稱取定量(M1，mg)復(fù)合微球，轉(zhuǎn)移至有100 mL 50%乙醇水溶液的錐形瓶中。間隔固定時(shí)間(t)，取出5 mL樣品溶液，同時(shí)向錐形瓶中補(bǔ)充等體積介質(zhì)，將5 mL樣品溶液稀釋到50 mL，用紫外分光光度計(jì)掃描，毒死蜱隨著時(shí)間的累積釋放率為Ri，繪制t-Ri曲線作為毒死蜱的緩釋動(dòng)力學(xué)曲線。

毒死蜱隨著時(shí)間的累積釋放率Ri按式(1)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：ρi為第i次取出液中毒死蜱的質(zhì)量濃度(mg/L)。

2 結(jié)果與分析

2.1 傅氏轉(zhuǎn)換紅外線光譜分析(fourier transform infrared spectroscopy，簡(jiǎn)稱FTIR)

2.2 熱重分析(thermogravimetric analysis，簡(jiǎn)稱TG)

復(fù)合微球的第1個(gè)熱失重峰出現(xiàn)在110 ℃，失質(zhì)量率為30%，這是復(fù)合微球脫去物理吸附水與結(jié)晶水所致。復(fù)合微球30%的失質(zhì)量率較改性殼聚糖以及海藻酸鈉都大，這是由于微球形成后外層的致密空間導(dǎo)致微球內(nèi)部的水分較難移除。由于海藻酸鈉、毒死蜱與殼聚糖絮凝劑的熱失重峰比較接近，且相互交集，故復(fù)合微球的熱失重峰在200～400 ℃區(qū)間內(nèi)的熱失重峰較寬，由多個(gè)小峰組成，該區(qū)間內(nèi)總失質(zhì)量率為31%(圖2)。

2.3 復(fù)合微球形貌分析

由圖3-A、圖3-C可知，復(fù)合微球的尺寸比較均勻，球型較好。由圖3-B可以看出，微球的球形飽滿、表面光滑，沒(méi)有其他微小顆粒的存在。

2.4 緩釋性能分析

由圖4-A可知，隨著離子濃度的增加，緩釋時(shí)間延長(zhǎng)，緩釋性能提高，這是由于微球表面存在滲透壓，離子濃度越大，滲透壓越大，微球溶脹加劇，微球粒徑變大，藥物滲透擴(kuò)散到溶液中需要更多的時(shí)間，緩釋性能提高。由圖4-B可知，溫度越高，藥物釋放越快。由圖4-C可知，pH值為7時(shí)，緩釋效果差于酸性，這是由于H離子滲透到復(fù)合微球內(nèi)部，可與殼聚糖中的氨基發(fā)生質(zhì)子化，使得復(fù)合微球內(nèi)部靜電作用增強(qiáng)，限制藥物的擴(kuò)散，然而H離子濃度增加，羧酸根離子可結(jié)合質(zhì)子變成羧酸，反而會(huì)減弱復(fù)合微球內(nèi)部的靜電作用，使藥物擴(kuò)散溶液，緩釋能力減弱。由圖4-D可知，與空白微球相比，復(fù)合微球緩釋效果更好。

為深入研究復(fù)合微球的緩釋行為，根據(jù)藥物緩釋的數(shù)據(jù)，本研究根據(jù)Korsmeyer-Peppas動(dòng)力學(xué)模型研究復(fù)合微球的緩釋行為。Peppas經(jīng)驗(yàn)方程如式(2)所示。分別對(duì)圖4中的緩釋數(shù)據(jù)用式(2)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖5、表1所示。

lgRi=lgk+nlgt。

(2)

式中：Ri為累積釋放率；t為釋放時(shí)間；k為常數(shù)；n為擴(kuò)散指數(shù)。

由表1可知，擴(kuò)散指數(shù)n基本處于0.5與1.0之間，復(fù)合微球的釋藥機(jī)制是藥物擴(kuò)散與藥物溶出同時(shí)存在的。由于在制備復(fù)合微球的過(guò)程中，部分藥物存在于微球外表面，藥物置于溶劑中時(shí)，這部分藥物釋放屬于溶解釋放機(jī)制。包埋在載體內(nèi)部的藥物則需要載體溶脹后擴(kuò)散釋放。

對(duì)復(fù)合微球、空白微球的釋放率Ri與時(shí)間用一級(jí)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行擬合，如式(3)所示，結(jié)果如表2、圖6所示。復(fù)合微球、空白微球的相關(guān)系數(shù)分別為0.991、0.996，這也進(jìn)一步說(shuō)明復(fù)合微球的緩釋機(jī)制是藥物擴(kuò)散與藥物溶解同時(shí)進(jìn)行的[15-16]。此外，對(duì)比空白微球與復(fù)合微球的釋放半衰期，復(fù)合微球的半衰期要長(zhǎng)于空白微球，因此加入改性殼聚糖能改善空白海藻酸鈉復(fù)合微球釋放的不足。

表1復(fù)合微球的Peppas方程擬合參數(shù)

ln(1-Ri)=-kt。

(3)

表2一級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合數(shù)據(jù)表

3 結(jié)論

以改性殼聚糖為復(fù)合添加劑，毒死蜱為藥物模型，采用擠壓法制備改性殼聚糖/海藻酸鈉/毒死蜱復(fù)合緩釋微球。復(fù)合微球表面光滑，粒徑分布均勻，其緩釋行為表現(xiàn)出對(duì)離子濃度、pH值、溫度的響應(yīng)，用Korsmeyer-Peppas動(dòng)力學(xué)模型研究緩釋機(jī)制并研究緩釋動(dòng)力學(xué)，藥物在微球內(nèi)釋放以擴(kuò)散機(jī)制為主，溶解機(jī)制為輔，釋放行為復(fù)合一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。

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