茴拉西坦/介孔二氧化硅的制備及釋藥性能

呂江維，魏亞青，王鵬光，孫 晗，趙 靜

(哈爾濱商業(yè)大學藥學院，哈爾濱 150076)

1 引 言

2001年Vallet-Regi等[1]首次將具有六方排列均勻孔道的介孔材料MCM-41應用于藥物載體領域，此后不同類型的介孔硅材料在藥劑學方面的應用一直是研究的熱門課題之一[2-6]。介孔二氧化硅是一種性能優(yōu)良的藥物載體材料，因其具有介孔孔徑(2～50 nm)均一可調、良好的生物相容性、能夠有效負載診療制劑等特點，最初被廣泛應用于藥物的緩控釋領域[7-9]。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，介孔硅材料在難溶性藥物增溶方面也展現(xiàn)出良好的應用前景[10-12]。

在化工制藥生產中，很多的藥物都屬于水難溶性藥物[13]。按照生物藥劑學分類系統(tǒng)劃分，其中的Ⅱ類藥物，屬于低溶解度高滲透性藥物[14-15]。這類藥物因其在水中溶解度小，溶出慢，藥物難以達到治療所需的最低濃度，吸收緩慢且不完全從而影響療效的發(fā)揮，限制了臨床應用。因此，增加水難溶性藥物的溶出度是改善其在體內的吸收，是提高生物利用度的關鍵因素[16]。目前，制藥工業(yè)上采用的增溶新技術包括合成水溶性前體藥物[17]、形成包合物[18]、制成納米晶藥物[19]、制成微乳[20]等。而介孔二氧化硅材料的出現(xiàn)為增加難溶性藥物的溶出度提供了新的選擇。介孔二氧化硅屬于無機疏水性材料，其疏水性表面對低水溶性藥物有良好的吸附性能，介孔孔道可作為水難溶性藥物的優(yōu)良貯庫。由于具有較大的比表面積和較高的介孔孔容有利于藥物的高度分散與負載[21]。其介孔的孔徑較小，當孔徑是藥物分子直徑的10倍左右時，會限制藥物在孔道內吸附成結晶態(tài)而以無定形態(tài)沉積。與結晶型藥物相比，無定形態(tài)或非晶態(tài)藥物口服后在與胃腸液接觸后可以更快的釋放溶出，從而促進藥物的吸收[22]。

在多種介孔硅材料中，MCM-41和SBA-15是具有相同的二維六方孔道結構的介孔二氧化硅材料[23-24]，孔徑均一且比表面積較大，利于難溶性藥物的負載。但由于材料合成時使用的作為結構導向劑的模板劑不同，兩種材料展現(xiàn)出不同的孔徑大小及孔壁厚度，也具有不同的載藥及釋藥性能。介孔材料本身的結構參數(shù)是影響藥物的負載與溶出的主要因素。本文制備了兩種不同孔徑、孔容和比表面積但都具有二維六方孔道排列的MCM-41和SBA-15介孔二氧化硅載體，將難溶性藥物茴拉西坦負載于載體上，研究相應的載藥規(guī)律；并通過載藥載體與茴拉西坦原料藥在體外不同pH值溶出介質中的溶出度研究，探討了材料結構與藥物釋放機制之間的關系，本研究為增加難溶性藥物的溶出度開發(fā)增溶新技術提供了新的思路，也為提高難溶性藥物口服生物利用度積累基礎數(shù)據。

2 實 驗

2.1 實驗材料

茴拉西坦原料藥(純度99%)，湖北興銀河化工有限公司；PEO-PPO-PEO (P123，分子量5800)，西格瑪奧德里奇(上海)貿易有限公司；十六烷基三甲基溴化銨(CTAB，Cetyl trimethylammonium bromide)，分析純，上海生工生物工程有限公司；正硅酸乙酯(分析純)，天津科密歐化學試劑有限公司；氫氧化鈉、鹽酸、氨水、乙酸乙酯、磷酸二氫鈉，均為分析純，天津市天力化學試劑有限公司；實驗用水為蒸餾水，哈爾濱文景蒸餾水廠。

2.2 分析測試儀器

掃描電鏡，ZEISS SUPRA 40型，德國蔡司；透射電鏡，Tecnai-G20，美國FEI公司；傅立葉變換紅外光譜儀，F(xiàn)TIR-650型，天津港東科技發(fā)展股份有限公司；X射線衍射儀，Bruker D8型，德國布魯克；物理吸附儀，Tristar II Plus 型，美國麥克公司；差熱-熱重(DTA-TG)同時分析儀，DTG-60型，日本島津SHIMADZU公司；紫外可見分光光度計，UV-2021PC型，尤尼柯上海儀器有限公司；電子天平，LE204E/02型，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；烘箱，上海?，攲嶒炘O備有限公司；水浴恒溫振蕩器，SHA-A型，江蘇金壇市環(huán)宇科學儀器廠。

2.3 介孔二氧化硅的制備

2.3.1 MCM-41的制備

將4.0308 g CTAB溶于100 mL水中，攪拌使其溶解，加入48 mL NH3·H2O調節(jié)反應體系pH為弱堿性，再緩慢加入20 mL正硅酸乙酯(TEOS)，攪拌4 h，將溶液倒入水熱反應釜中，靜置24 h，于100 ℃恒溫反應48 h，待冷卻后將反應產物用去離子水洗滌至中性，抽濾，60 ℃烘干，置馬弗爐中550 ℃煅燒4 h，除去模板劑，即得MCM-41。

2.3.2 SBA-15的制備

將4.0515 g P123溶于120 mL 2 mol/L HCl中，置38 ℃水浴恒溫磁力攪拌器中加熱使其溶解，緩慢加入8.4386 g正硅酸四乙酯(TEOS)，于38 ℃水浴攪拌4 h，將溶液倒入水熱反應釜中，靜置24 h，于100 ℃恒溫反應48 h，待冷卻后將反應產物用去離子水洗滌至中性，抽濾，60 ℃烘干，置馬弗爐中550 ℃煅燒5 h，除去模板劑，即得SBA-15。

2.4 載藥介孔二氧化硅載體的制備及載藥量測定

采用浸漬法將茴拉西坦負載于介孔二氧化硅上，稱取適量茴拉西坦溶于乙酸乙酯溶液，配成一定濃度的茴拉西坦乙酸乙酯溶液。向溶液中加入MCM-41和SBA-15載體，在水域恒溫振蕩器37 ℃、100 r/min恒溫震蕩24 h，過濾，收集濾餅。將濾餅于60 ℃真空干燥8 h，即得載藥載體(記為Aniracetam/MCM-41和Aniracetam/SBA-15)。

稱取載藥載體適量，加入乙酸乙酯30 mL，超聲30 min，離心，取上清液經0.45 μm微孔濾膜過濾，采用紫外分光光度法測定游離藥物濃度，由標準曲線計算藥物濃度，按式(1)計算載藥量(%)。

(1)

2.5 載藥介孔二氧化硅載體溶出度測定

按照《中國藥典》2015版(四部)通則0931溶出度與釋放度測定法第二法槳法，配置三種不同pH值溶液(pH值為4.5、6.8和7.4)為溶出介質，體積900 mL，轉速為50 r/min，溫度37±0.5 ℃，分別于5 min、10 min、15 min、30 min、45 min、60 min，取樣5 mL(同時補充同溫介質5 mL)，0.45 μm微孔濾膜過濾，取續(xù)濾液，采用紫外可見分光光度法測定茴拉西坦的濃度，計算累積溶出度，比較Aniracetam/MCM-41和Aniracetam/SBA-15與茴拉西坦原料藥的釋放規(guī)律。

3 結果與討論

3.1 介孔二氧化硅形貌與骨架結構分析

采用SEM對介孔二氧化硅的表面形貌進行觀察，從圖1可知，MCM-41外形大體為球形，球形粒徑接近1 μm，但球形顆粒間有粘連。SBA-15外形近似圓柱形短棒，棒長度在1～2 μm左右。

圖1 不同介孔二氧化硅的掃描電鏡(SEM)Fig.1 Scanning electron microscope (SEM) images of different mesoporous silica

圖2 不同介孔二氧化硅的高分辨透射電鏡(HRTEM)Fig.2 High resolution transmission electron microscopy (HRTEM) images of different mesoporous silica

為了獲得更詳細的介孔孔道結構信息，采用高分辨的TEM對兩種介孔材料的孔道結構進行觀察。MCM-41具有二維六方結構，從圖2(a)和(b)能夠觀察到沿孔道方向[001]c軸方向顯示的六方對稱的孔道排列。而SBA-15也為二維六方結構，如圖2(c)和(d)能夠觀察到垂直于孔道方向沿c軸方向規(guī)則排列的長孔道平行于其柱狀外形，且孔壁較厚，具有規(guī)則的孔結構、孔道均勻且有序性良好。比較可以發(fā)現(xiàn)，SBA-15的孔徑及孔壁均比MCM-41的大。

圖3(a，c)是未載藥的空白MCM-41和SBA-15的紅外光譜，可以看出，兩種介孔二氧化硅的紅外光譜比較相似，其中對應于介孔二氧化硅材料骨架結構的吸收峰為1081 cm-1處的Si-O-Si的反對稱伸縮振動峰(vasSi-O-Si)、798 cm-1處的Si-O-Si的對稱伸縮振動峰(vsSi-O-Si)及457 cm-1處的Si-O-Si的彎曲振動峰(δSi-O-Si)。上述三個吸收峰是典型的介孔二氧化硅的特征吸收峰，與文獻報道相符[25-26]。968 cm-1處的特征吸收峰為端基硅羥基Si-OH的對稱伸縮振動[25]。而位于1645 cm-1的吸收峰是由硅表面的硅羥基的彎曲振動引起的；3460 cm-1處出現(xiàn)的寬的吸收峰為硅羥基與水形成的氫鍵或者是硅羥基與硅羥基之間形成氫鍵所引起的伸縮振動吸收峰[27-28]，這幾處吸收峰表明制備的介孔二氧化硅具有較大的比表面積和豐富的硅羥基。圖3(b,d)分別為載藥后的MCM-41和SBA-15的三組紅外光譜圖，也出現(xiàn)了與空白載體相同的硅骨架的吸收峰。曲線e為茴拉西坦原料藥紅外光譜，其中1249 cm-1處吸收峰為C-O-C的不對稱的伸縮振動(vasC-O-C)；1030 cm-1處為C-O-C的對稱的伸縮振動(vsC-O-C)；1728 cm-1處為C=O的振動 (vC=O酮)；1660 cm-1處為C=O的振動 (vC=O酰胺)；1604 cm-1、1514 cm-1、1464 cm-1、1443 cm-1均為苯環(huán)骨架振動；858 cm-1、824 cm-1處為=CH苯環(huán)二取代的變形振動(δ=CH)[29]。比較載藥前后的紅外光譜可以看出，載藥后介孔二氧化硅的譜圖還是以硅基載體的主要特征吸收峰為主，說明載藥后沒有影響硅的骨架結構，載藥后出現(xiàn)的其他吸收峰均為茴拉西坦的吸收峰，沒有出現(xiàn)除藥物和載體以外的新峰，說明藥物與載體未發(fā)生化學反應，藥物在載體上的存在狀態(tài)屬于物理吸附。

圖3 不同介孔二氧化硅的紅外光譜圖(IR)Fig.3 Infrared spectra (IR) of different mesoporous silica

圖4 不同介孔二氧化硅的小角度XRD圖譜Fig.4 Small angle XRD patterns of different mesoporous silica

3.2 介孔二氧化硅孔道結構分析

介孔二氧化硅的孔壁是非晶態(tài)的，在廣角XRD沒有明顯的衍射峰出現(xiàn)。但由于介孔材料的孔道屬于周期性有序排列的，并且材料本身的晶胞參數(shù)一般都很大，所以在小角度(2θ=0～5°)XRD會有明顯的衍射峰出現(xiàn)，該衍射峰的產生是基于介孔孔道的有序性，可以確定孔道的結構類型。因此這里采用小角度XRD測試將由孔道對稱性決定的面稱為介孔材料的晶面，并沿用晶體學中的晶面指數(shù)、晶面間距、晶胞參數(shù)等概念來分析介孔材料的結構。從圖4可以看出，茴拉西坦原料藥在小角度0.5°～5°之間沒有衍射峰。而兩種介孔二氧化硅均出現(xiàn)了可指認的不同晶面的衍射峰，MCM-41的3個衍射峰位于2.2°、3.8°和4.4°附近，與標準卡片比對，對應于二維六方相(P6mm)的(100)、(110)、(200)晶面；SBA-15的3個衍射峰位于0.8°、1.5°和1.7°附近，對應二維六方相(P6mm)的(100)、(110)和(200)晶面，均與文獻報道相符[9,23]。載藥前后材料的衍射峰位沒有明顯變化，說明藥物載入介孔硅中沒有影響孔道結構的有序性，骨架結構沒有變化，孔道的有序性良好。

對MCM-41和SBA-15載體的XRD數(shù)據，利用MDI JADE 6軟件，采用布拉格公式，根據衍射峰位(2θ)及晶面指數(shù)(hkl)計算載體各衍射峰對應的晶面間距d值及晶胞參數(shù)如下表所示。

表1 兩種介孔二氧化硅晶胞參數(shù)Table 1 Cell parameters of two kinds of mesoporous silica

MCM-41與SBA-15結構類似，都具有二維六方結構孔道，但SBA-15較MCM-41峰位明顯向低衍射角方向移動，說明其晶胞比MCM-41要大。按照二維六方點陣(P6mm)標定，計算得到SBA-15晶胞參數(shù)a=11.84279 nm，是MCM-41的晶胞參數(shù)a=4.63593 nm的二倍多。

圖5 載藥前后介孔二氧化硅的N2吸附-脫附等溫線及孔徑分布圖Fig.5 Nitrogen adsorption/desorption isotherms and pore width distribution(insets) of drug unloaded and loaded mesoporous silica

這里進一步采用N2吸附-脫附測試孔道結構，從圖5的N2吸附-脫附等溫線可知，不同的介孔二氧化硅在載藥前后的吸附等溫線均符合都具有IV型吸附曲線，是典型的介孔材料吸附曲線[30-32]，并且曲線上出現(xiàn)不同程度的滯后環(huán)。

對于MCM-41，當P/P0<0.3時，N2的吸附量隨著分壓的增大而緩慢增加，這是N2在樣品表面的單分子與多分子吸附所致；當0.3

0.9時，曲線上出現(xiàn)一個較大的突越，這是N2在樣品顆粒之間的凝聚所致。

對于SBA-15，載藥前后的滯后環(huán)都很明顯。在吸附等溫線分支上，當P/P0<0.7時，N2的吸附量隨著分壓的增大而緩慢增加，為單分子與多分子吸附所致；當0.7

0.85時，N2在毛細管內的吸附已經達到飽和狀態(tài)；其中在0.7

采用Barrett-Joyner-Halenda (BJH) 法計算介孔材料的孔徑和孔容，采用 Brunauer-Emmett-Teller (BET) 模型計算介孔材料的比表面積，將計算得到的孔徑、孔容和比表面積的結果列于表2。

表2 載藥前后介孔二氧化硅的孔道參數(shù)計算結果Table 2 Mesoporous parameters of drug unloaded and loaded mesoporous silica

從表2可以看出，兩種介孔二氧化硅載藥前后的孔徑基本不變，MCM-41載藥前后孔徑在3 nm左右，而SBA-15載藥前后的孔徑在6 nm左右，從圖5孔徑分布圖也可以看出兩種材料孔徑分布非常集中均一，表明所制備的兩種載體材料孔徑均在介孔范圍(2～50 nm)，但載藥后的孔徑分布曲線的尖銳程度有所降低，說明藥物裝載進入了介孔孔道，使孔道的孔徑分布范圍略有分散。載藥后兩種材料的孔容和比表面積較載藥前均有明顯下降，說明藥物分子吸附進入孔道，降低了孔道空間和比表面積。

MCM-41和SBA-15具有相同的二維六方的晶體結構，但MCM-41的孔徑小、孔容小使得單位質量的比表面積大，SBA-15的孔徑大、孔容大但單位質量的比表面積要小。結合XRD分析結果，MCM-41的晶胞參數(shù)為a=4.63593 nm，孔徑3.49 nm，其壁厚約1 nm左右；SBA-15的晶胞參數(shù)a=11.84279 nm，孔徑6.67 nm，其壁厚約5 nm左右。這一結果與TEM測試觀察到的孔徑及孔壁大小相符?？妆谠胶?，材料的穩(wěn)定性也相對越好，骨架結構坍塌的可能越小。

3.3 介孔二氧化硅載藥及釋藥性能分析

對載藥后兩種介孔二氧化硅載體的載藥量進行測試，結果如表3所示，SBA-15載藥量高于MCM-41，兩種介孔材料的孔徑、孔容分別為6.67 nm 1.13 cm3/g(SBA-15)、3.49 nm 0.87 cm3/g(MCM-41)，表明載藥量與介孔孔徑及孔容大小成正相關，孔徑越大有利于浸漬法載藥時藥物擴散進入孔道內，孔容越大能容納藥物分子的量也越多。

表3 載藥后不同介孔二氧化硅的載藥量Table 3 Drug loading rate of different mesoporous silica

借助熱重分析，通過對兩種材料的熱重曲線變化進一步研究載藥量大小。圖6曲線e為茴拉西坦原料藥的熱重曲線，從室溫升至接近300 ℃，原料藥基本分解，失重接近100%。曲線a、c分別為空白MCM-41和SBA-15載體的熱重曲線，升溫至接近600 ℃時，失重分別為12%、10%，該重量變化是載體吸附的少量水分等的失重。曲線b、d分別為載藥后MCM-41和SBA-15的熱重曲線，600 ℃時的失重分別為26%、34%，與空白載體的差值反映的是載體中茴拉西坦原料藥升溫導致的失重，差值大小順序也為SBA-15>MCM-41，與載藥量的測試結果順序相符。

為了明確藥物吸附于介孔孔道內的狀態(tài)，采用差熱分析測試了材料的差熱曲線。圖7是載藥前后介孔二氧化硅、茴拉西坦原料藥和物理混合物的差熱曲線，其中物理混合物是將藥物與載體按照載藥量的比例進行的物理混合。曲線a(茴拉西坦原料藥)在122.5 ℃出現(xiàn)的特征峰為茴拉西坦的熔融吸熱峰，兩種空白介孔二氧化硅載體(曲線d MCM-41和e SBA-15)沒有特征峰出現(xiàn)。兩種物理混合物(曲線b MCM-41物理混合物和c SBA-15物理混合物)在122.5℃均出現(xiàn)了茴拉西坦的熔融吸熱峰，而載藥后的兩種載體(曲線f Aniracetam/MCM-41和g Aniracetam/SBA-15)該處的特征峰均消失，說明茴拉西坦負載在載體上是由結晶型轉變成了無定形的非結晶態(tài)裝載進入了介孔孔道內。

圖6 載藥前后介孔二氧化硅的熱重曲線Fig.6 Thermal gravimetric (TG) curves of drug unloaded and loaded mesoporous silica

圖7 載藥前后介孔二氧化硅、茴拉西坦原料藥和物理混合物的差熱曲線Fig.7 Differential thermal analysis (DTA) curves of drug unloaded and loaded mesoporous silica, aniracetam drug substance and physical mixture

圖8 載藥介孔二氧化硅載體在不同pH溶出介質中的溶出曲線Fig.8 Dissolution curves of drug-loaded mesoporous silica in different pH dissolution

在pH值為4.5、6.8、7.4三種溶出介質中測定載藥載體材料的釋藥溶出度，并與茴拉西坦原料藥進行對比。比較圖8(a)和(b)載藥后兩種介孔二氧化硅載體在pH=4.5和pH=6.8的溶出介質中的溶出曲線可以看出，在60 min之內MCM-41和SBA-15載體的溶出曲線比較接近，而原料藥的溶出最慢，溶出快慢的順序為SBA-15≈MCM-41>原料藥。圖8(c)為兩種介孔二氧化硅載體在pH=7.4的溶出介質中的累積溶出曲線，溶出快慢的順序為SBA-15>MCM-41>原料藥。茴拉西坦原料藥負載于兩種介孔二氧化硅載體后均能夠能明顯提高藥物的溶出速率，在不同pH介質中均能夠快速釋放溶出，并且在初始的5 min載體上的藥物就能夠達到80%以上的快速溶出。釋放的機制是由于負載在介孔二氧化硅孔道內的茴拉西坦以非結晶態(tài)的分子狀態(tài)存在，與介孔二氧化硅表面相互作用力較弱，當載體材料分散在溶液中時，水分子占據介孔二氧化硅的吸附位點，將茴拉西坦分子快速置換出來，使茴拉西坦更易從孔道內向外擴散。對于BCSⅡ類藥物，提高溶出速率可以提高藥物的口服吸收，從而利于提高藥物的生物利用度。

結合兩種材料的結構分析，MCM-41和SBA-15都具有類似的二維六方的晶體結構，但孔徑孔容不同，孔徑與孔容較大的SBA-15的載藥量高于MCM-41。對于溶出介質為pH=4.5和pH=6.8時，即使在相近的累積溶出度結果下，由于載藥量較高SBA-15釋放的藥物量也會高于MCM-41；而pH為7.4時，SBA-15的溶出較MCM-41更快。對于SBA-15，其較厚的孔壁結構更有利于提高材料結構的穩(wěn)定性。因此綜合評價比較兩種介孔二氧化硅的性能結果為SBA-15優(yōu)于MCM-41。

4 結 論

采用水熱合成法制備了具有相同二維六方孔道結構但不同孔徑及孔容的MCM-41(3.49 nm 0.87 cm3/g)和SBA-15(6.67 nm 1.13 cm3/g)載體材料，負載難溶性藥物茴拉西坦的載藥量分別為17%和22%，與介孔孔徑及孔容成正相關。與茴拉西坦原料藥相比，在不同溶出介質(pH=4.5、6.8和7.4)中，茴拉西坦負載于兩種介孔二氧化硅載體均能夠明顯提高藥物的溶出速率，這是由于藥物分子以非結晶態(tài)裝載于在介孔孔道內，因而更易從孔道向外擴散所致。結合材料表征、載藥量及溶出度綜合比較，SBA-15載體的載藥及釋藥性能均優(yōu)于MCM-41載體。