pH 敏感性離子凝膠/靜電紡絲復(fù)合材料的制備及應(yīng)用

范云凱，馬瑩瑩，張昕昀，李秀霞

（渤海大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，生鮮農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工及安全控制技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，遼寧錦州 121013）

pH 敏感性是指材料的結(jié)構(gòu)會(huì)隨環(huán)境酸堿性而變化，通常含有羧基、氨基和磺酸基等可解離的基團(tuán)，解離程度隨著環(huán)境pH 值的變化而改變，失去或得到質(zhì)子，內(nèi)外離子濃度發(fā)生改變。天然高分子聚電解質(zhì)可作質(zhì)子的供體或受體，在不同pH 值條件下聚電解質(zhì)的帶電情況不同，分子間的氫鍵和靜電作用發(fā)生改變，影響分子鏈的伸展?fàn)顟B(tài)，從而導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)的改變[1-2]。具有酸性羧基基團(tuán)的陰離子聚合物（如聚丙烯酸、聚谷氨酸等），在堿性條件下，側(cè)基去質(zhì)子化而呈親水性，適合于腸道內(nèi)營(yíng)養(yǎng)功效組分或藥物的控制釋放，而陽(yáng)離子聚合物（如殼聚糖和纖維素等） 在酸性條件下獲得質(zhì)子形成陽(yáng)離子基團(tuán)，在溶液pH 值繼續(xù)升高至7.0 左右時(shí)，除了羧基進(jìn)一步電離，靜電排斥作用增強(qiáng)外，陽(yáng)離子型材料中的堿性基團(tuán)去質(zhì)子化，使得陰離子和陽(yáng)離子間的靜電引力減弱，分子鏈更加舒展，微粒溶脹加劇，活性成分快速釋放[3]。因此，篩選合適的離子型材料，可使陰陽(yáng)離子聚合物間通過(guò)電荷作用發(fā)生交聯(lián)，凝膠化形成納米顆粒，利用該種材料在不同pH 值條件下收縮性和膨脹性，可實(shí)現(xiàn)生物活性成分的腸道定向釋放。在這一方向上，醫(yī)學(xué)方面的研究較多，利用材料在較低pH 值下保持穩(wěn)定，在較高pH 值下釋放藥物，常用作口服藥物的控制釋放，而在食品的應(yīng)用方面還處于初步階段。

1 常見(jiàn)的pH 敏感性材料

1.1 殼聚糖

殼聚糖是一種陽(yáng)離子聚合物，分子中含有大量氨基和羥基，張欣等人[4]采用離子凝膠法制備了殼聚糖- 三聚磷酸鈉納米顆粒，用于包封布洛芬，所得載藥微膠囊表現(xiàn)出良好的pH 敏感性。王宏麗等人[5]制備了海藻酸鈉和殼聚糖凝膠，實(shí)現(xiàn)了藥物在不同pH 值條件下的被動(dòng)靶向釋放，但其負(fù)載能力有限。姜雪[6]采用離子凝膠法通過(guò)自組裝制備了pH 敏感性藥物載體，為后續(xù)在胃里而不釋放在腸道里的釋放藥物的負(fù)載奠定了基礎(chǔ)。Lucinda-Silva R M 等人[7]將海藻酸鹽和殼聚糖通過(guò)凝膠的方式包埋氟羥氫化潑尼松，觀察所制成的藥物在模擬胃腸道環(huán)境中的變化。而通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備食品和藥物緩釋載體在材料選擇上具有很大的靈活性，且利用聚合物載體的生物可降解性可以延緩藥物在生物體內(nèi)的作用時(shí)間，增加負(fù)載量。

1.2 丙烯酸樹(shù)脂

（聚甲基丙烯酸- 聚乙基丙烯酸酯） 共聚物被廣泛用于胃腸道pH 依賴(lài)性藥物釋放壁材[8]。L100-55 型丙烯酸樹(shù)脂在pH 值5.5 以上溶解[9]，Lee S H 等人[10]開(kāi)發(fā)一種pH 敏感性納米復(fù)合材料，首先通過(guò)帶負(fù)電的氨基堿性硅鋁酸鎂和帶正電的牛血清蛋白（BSA）自組裝獲得絡(luò)合物AC-BSA，絡(luò)合物干燥之后加入到殼聚糖溶液中，形成包被糖基殼聚糖的復(fù)合物GACBSA，最后加入到L100-55 型丙烯酸樹(shù)脂（pH 值5.5以上溶解） 中形成EGAC-BSA 納米復(fù)合材料，在pH值1.2 條件下，AC-BSA 在2 h 內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速釋放藥物，而EGAC-BSA 表現(xiàn)出緩慢的藥物釋放，EGAC-BSA 的pH 依賴(lài)性藥物釋放特性可以有效保護(hù)BSA 免受胃中酸性環(huán)境的侵害，并將大部分BSA 輸送到腸道中。pH 依賴(lài)性的包衣層可以減少藥物在酸性條件下的過(guò)早釋放，保護(hù)蛋白質(zhì)不被酶解；也可能是因?yàn)镋GAC- BSA 在腸內(nèi)溶出腸包衣層后轉(zhuǎn)化為陽(yáng)離子GAC- BSA，通過(guò)靜電相互作用與帶負(fù)電的腸黏膜之間黏附在黏膜表面，便于細(xì)胞攝取增加藥物在胃腸道中的停留時(shí)間。Surya R 等人[11]制備了一種新型聚丙烯酰胺接枝丁二醇?xì)ぞ厶? 膨潤(rùn)土（AAm-g-NB/SC） 的pH 敏感復(fù)合材料，作為紫杉醇控釋的載體。在pH 值7.4 時(shí)紫杉醇的釋放量達(dá)到了最大值，在16 h 內(nèi)，pH 值1.2 時(shí)約15.6%的紫杉醇釋放，而在pH 值7.4 時(shí)約有82.5%的紫杉醇被釋放。模擬胃和腸道的pH 值，在溶液pH 值分別為1.2，6.8和7.4條件下，復(fù)合材料的溶脹動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表明，在酸性條件下羧基大部分以質(zhì)子化的形式出現(xiàn)，當(dāng)pH值接近中性條件下時(shí)，脫質(zhì)子的羧酸鹽陰離子的存在導(dǎo)致復(fù)合材料發(fā)生溶脹。因此，該復(fù)合材料的溶脹基本發(fā)生于環(huán)境pH 值大于其pKa 情況下，在堿性條件下，羧酸脫質(zhì)子與親水官能團(tuán)之間的靜電作用減弱，導(dǎo)致膨脹，被包埋的物質(zhì)分子釋放到溶劑介質(zhì)中。

1.3 聚氨基酸

聚氨基酸含有羧基和氨基，在體內(nèi)可降解為氨基酸，安全且生物相容性好，常用作藥物載體。Muriel Mundo J L 等人[12]將γ - 聚谷氨酸溶液逐漸加入到ε - 聚賴(lài)氨酸溶液中，形成聚電解質(zhì)復(fù)合物，隨著γ - 聚谷氨酸溶液增加濁度、粒徑變大，當(dāng)混合物的pH 值為8～12 時(shí)，溶液透明，這是因?yàn)? 種聚電解質(zhì)此時(shí)都帶負(fù)電存在靜電斥力抑制形成聚合物，混合物的pH 值在5～8 濁度較高，這是因?yàn)閮烧咧g存在強(qiáng)靜電吸引，pH 值在3～4 濁度較低，沒(méi)有形成較大的聚合物。Németh C 等人[13]制備了一種用于包被維B12能快速溶解的陽(yáng)離子型聚天冬酰胺纖維，以乙醇作為溶劑，采用聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～30%的聚天冬氨酸乙醇溶液進(jìn)行紡絲，82%的聚合物溶脹，同時(shí)90%的維生素釋放，在pH 值6.8 條件下，82%的聚合物溶脹，90%的維B12釋放。Ma J 等人[14]將聚苯丙氨酸（PPhe） 與聚賴(lài)氨酸（PLL） 結(jié)合，形成了一種新型的兩親性陽(yáng)離子嵌段共聚物——聚賴(lài)氨酸-β - 聚苯丙氨酸（PLL-β-PPhe），并在水溶液中自組裝成膠束，通過(guò)臨界膠束濃度、粒徑、共聚焦激光掃描顯微鏡等方法驗(yàn)證了膠束的穩(wěn)定性。然后用聚谷氨酸屏蔽了聚賴(lài)氨酸- β - 聚苯丙氨酸膠束的正電荷，降低了細(xì)胞毒性，藥物釋放研究表明，聚賴(lài)氨酸- β - 聚苯丙氨酸膠束對(duì)pH 值敏感，在pH 值7.4，6.8 和5.0 時(shí)，釋放的阿霉素分別達(dá)到53.0%，65.0%和72.0%。Wang Y 等人[15]利用帶有正負(fù)電荷的聚賴(lài)氨酸和聚谷氨酸之間的靜電相互作用形成了共聚物混合物，自組裝成聚離子膠束（PCM），此種聚離子膠束在pH 值6.8 時(shí)解離更快。

2 離子凝膠/靜電紡絲技術(shù)

2.1 離子凝膠技術(shù)

離子凝膠法是指離子可與帶相反電荷的大分子物質(zhì)發(fā)生靜電吸附作用，其中離子作為交聯(lián)劑交聯(lián)大分子，機(jī)理是陽(yáng)離子聚合物的氨基在酸性條件下經(jīng)過(guò)質(zhì)子化形成陽(yáng)離子的NH3+，與陰離子通過(guò)電荷作用發(fā)生交聯(lián)，凝膠化形成納米粒子，利用凝膠法可包埋生物活性成分[6-7]。

海藻酸鹽常用于制備水凝膠，但海藻酸鹽凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多孔性強(qiáng)，包埋物擴(kuò)散率高，限制了其應(yīng)用。Bu?iA 等人[16]采用海藻酸鈉和乳清蛋白作為基材，可可粉（CP） 和角豆莢（C） 輔助構(gòu)建凝膠網(wǎng)絡(luò)，多酚類(lèi)物質(zhì)的負(fù)載能力得到提高，而可可粉和角豆莢的加入則延長(zhǎng)了多酚類(lèi)物質(zhì)和羥基肉桂酸的釋放。Xiao J X 等人[17]報(bào)道了一種基于羧甲基殼聚糖- 阿拉伯膠凝膠的pH 依賴(lài)性腸道靶向遞送材料，首先制備負(fù)載BSA 的羧甲基殼聚糖- 阿拉伯膠微膠囊，將牛血清蛋白水溶液與大豆油混合，然后加入阿拉伯膠溶液，再將此溶液與同體積的羧甲基殼聚糖混合，將溶液的pH 值調(diào)成3.0，4.5，6.0 懸浮液離心之后的沉淀浸入京尼平溶液中進(jìn)行交聯(lián)，收集微膠囊進(jìn)行冷凍干燥，研究發(fā)現(xiàn)在胃、小腸和結(jié)腸模擬溶液中的BSA 的釋放量依次增加，高pH 值可以增強(qiáng)該膠囊的胃腸道靶向遞送效力。Dhanya George P 等人[18]利用L- 組氨酸偶聯(lián)殼聚糖、納米氧化鋅顆粒和雙醛纖維素制備功能化復(fù)合納米水凝膠HIS-CHGZ，這種水凝膠被用于運(yùn)載柚皮苷、槲皮素和姜黃素這3 種多酚，分析了該負(fù)載多酚的復(fù)合納米水凝膠在不同條件下的釋放性能，與殼聚糖- 纖維素水凝膠（CHG） 相比，納米氧化鋅顯著提高了凝膠的溶脹能力，組氨酸的基團(tuán)質(zhì)子化使其在pH 值＞3 時(shí)溶脹，HIS- CHGZ 呈現(xiàn)出高孔隙的三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，且在高pH 值下溶脹率增加。Rakhshaei R 等人[19]引入石墨烯量子點(diǎn)（GQDs） 作為一種新型安全的羧甲基纖維素（CMC） 交聯(lián)劑，用于制備可生物降解和生物相容性的水凝膠，采用鑄型法制備CMC/GQDs 薄膜，結(jié)果表明純CMC 水凝膠膜表面均勻，隨著GQDs 含量的增加，膜的表面形貌變得粗糙，納米復(fù)合材料表面有聚集的現(xiàn)象，低濃度CMC 基質(zhì)中GQDs 的較好分散，可能是由于CMC 與GQDs 之間氫鍵作用的結(jié)果。溶脹研究顯示，pH 值7.4 時(shí)納米復(fù)合材料的溶脹率明顯高于pH 值1.2 時(shí)，這表明制備的納米復(fù)合材料具有較高的pH 敏感性。

影響離子化合物中芯材釋放的因素主要有粒徑大小、離子強(qiáng)度和溶液pH 值等，其中離子強(qiáng)度和介質(zhì)溶液pH 值是重要的影響因素。Yamamoto Y 等人[20]研究了pH 敏感性離子復(fù)合物中索立芬的釋放機(jī)理，索立芬與牛黃膽酸和卵磷脂聚合物發(fā)生相互作用，在酸性條件下，電離作用減弱，索立芬被解離并迅速釋放出來(lái)，在磷酸鹽緩沖液中陽(yáng)離子滲透到基質(zhì)中，取代藥物緩慢釋放，粒徑的大小影響索立芬的釋放，而釋放介質(zhì)中pH 值和陽(yáng)離子濃度是最重要的影響因素。

2.2 靜電紡絲技術(shù)

靜電紡絲是一種通過(guò)靜電作用力制備納米纖維的技術(shù)，是通過(guò)施加電荷從聚合物溶液或熔融聚合物中拉出纖維的一種技術(shù)，電子纖維的直徑從納米級(jí)到微米級(jí)的變化是通過(guò)改變聚合物溶液性質(zhì)或者是調(diào)節(jié)靜電紡絲的參數(shù)來(lái)控制的。目前，用來(lái)制備控釋體系的高分子載體主要包括兩大類(lèi)：①天然高分子物質(zhì)。包括蛋白類(lèi)物質(zhì)（如海藻酸鈉[21]、黃原膠[22]、明膠[23]、玉米醇溶蛋白[24]等） 和多糖類(lèi)物質(zhì)（如環(huán)糊精[25-26]、殼聚糖[27]、纖維素[28]等）。②合成的高分子物質(zhì)。包括丙烯酸[29]、聚乳酸、聚乙烯醇[30]等。靜電紡絲天然產(chǎn)物靜電紡絲納米纖維在食品工業(yè)中的應(yīng)用，主要表現(xiàn)在作為包裝材料對(duì)食品進(jìn)行包裝保護(hù)，以及作為載體材料對(duì)藥物、蛋白質(zhì)、益生菌等進(jìn)行負(fù)載，對(duì)其活性進(jìn)行保護(hù)及實(shí)現(xiàn)胃腸道的控制釋放。此外，在食品檢測(cè)等方面也有應(yīng)用[31]。影響靜電紡絲過(guò)程的因素主要有溶液性質(zhì)、工藝參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等，且這些因素之間彼此關(guān)聯(lián)、相互影響[32-33]。溶液濃度對(duì)納米纖維的直徑和形貌有重要的影響。在靜電紡絲的過(guò)程中，溶液濃度過(guò)低時(shí)，得到的纖維多為不連續(xù)的串珠狀纖維；溶液濃度過(guò)高時(shí)，在針頭尖端處的液滴因溶劑的快速揮發(fā)固化而堵塞針頭，不能生成連續(xù)的纖維[34]。Wongsasulak S等人[35]制備玉米醇溶蛋白復(fù)合靜電紡絲液，所用試劑有玉米醇溶蛋白、殼聚糖、聚環(huán)氧乙烷，同時(shí)還有生育酚，使用流變儀在控制剪切速率下表征靜電紡絲溶液樣品的流變性質(zhì)，當(dāng)生育酚添加到復(fù)合材料中后，大幅度增加了表觀黏度和剪切增稠性能，但沒(méi)有影響纖維的形態(tài)。

同軸靜電紡絲已廣泛應(yīng)用于控制纖維二級(jí)結(jié)構(gòu)，用于包封藥物或生物制劑，對(duì)于成功的同軸靜電紡絲具有足夠的流體性，通過(guò)“黏性”克服2 種溶液之間的界面張力的黏度。Yang J M等人[36]采用了改進(jìn)的同軸紡絲可以平穩(wěn)連續(xù)地運(yùn)行，沒(méi)有任何堵塞。與單流體靜電紡絲工藝相比，得到的玉米醇溶蛋白纖維表面和橫截面直徑更小，體外溶出試驗(yàn)證明同軸工藝的纖維表現(xiàn)出更好的緩釋曲線。同軸過(guò)程僅使用不可固定的乙酸作為鞘液，以防止噴絲頭堵塞，用于平滑和連續(xù)的靜電紡絲過(guò)程來(lái)生產(chǎn)納米纖維具有更高的質(zhì)量和更好的性能。工藝參數(shù)包括紡絲電壓、接收距離、紡絲流速等。紡絲電壓為靜電紡絲提供了動(dòng)力，是影響纖維形成的一個(gè)重要因素。環(huán)境參數(shù)包括溫度和濕度2 個(gè)方面。

2.3 離子凝膠法和靜電紡絲技術(shù)的結(jié)合

目前，制備食品包埋體系的微膠囊和微球等方法很多，但達(dá)到可控的納米級(jí)別的難度較大，靜電紡絲技術(shù)為制備穩(wěn)定的納米包埋體系提供了可能，將溶膠凝膠法與靜電紡絲技術(shù)相結(jié)合是一種非常適合制備聚合物/納米粒子復(fù)合納米纖維的方法。一些學(xué)者在離子凝膠法和靜電紡絲法相結(jié)合包埋活性成分方面進(jìn)行了相關(guān)研究，Pirzada T 等人[37]通過(guò)混合正硅酸乙酯（TEOS） /乙醇溶膠凝膠和聚乙烯醇（PVA）溶液制備了直徑小于150 nm，且形態(tài)無(wú)缺陷的SiO2/PVA 復(fù)合納米纖維。Wen P 等人[27]首先采用離子凝膠法制備了負(fù)載牛血清白蛋白的殼聚糖納米顆粒，又以海藻酸鹽為殼層，負(fù)載牛血清白蛋白（BSA） 的殼聚糖納米顆粒為核心層，制備了同軸納米膜，所制備的納米膜表面光滑，BSA 在納米顆粒和納米膜中的結(jié)構(gòu)完整。體外釋放結(jié)果顯示，在前2 h 只有一小部分BSA 在模擬胃液中釋放，這是因?yàn)楹Ｔ逅猁}在酸性條件下不溶，保護(hù)了纖維膜的溶脹，當(dāng)納米膜轉(zhuǎn)移到小腸液中后納米膜的溶脹程度使BSA 釋放增加，而在結(jié)腸液中有75%的BSA 釋放，說(shuō)明離子凝膠/靜電紡絲納米纖維膜是一種有前途的pH 值敏感的特異性運(yùn)載材料。Wang P 等人[28]以乙基纖維素為外層材料，以負(fù)載姜黃素的明膠水凝膠為內(nèi)層材料，采用連續(xù)靜電紡絲法制備多層膜，結(jié)果表明連續(xù)電紡法在食品領(lǐng)域具有良好的生物活性包封和控釋前景。Muriel Mundo J L 等人[12]使用γ - 聚谷氨酸陰離子聚合物和ε- 聚賴(lài)氨酸陽(yáng)離子聚合物形成聚電解質(zhì)復(fù)合物，研究結(jié)果表明陽(yáng)離子聚合物和陰離子聚合物可用于組裝靜電配合物，可以用來(lái)封裝保護(hù)生物活性物質(zhì)，可能有助于設(shè)計(jì)有效的口服給藥系統(tǒng)。Wen Y 等人[38]利用離子凝膠法將三聚磷酸鹽（TPP） 溶液加入到已經(jīng)與藻藍(lán)素混合的殼聚糖溶液中，得到藻藍(lán)素納米粒子，將納米粒子和聚乙烯醇組成芯材，海藻酸鈉和聚氧乙烯（PEO） 組成壁材，將低聚半乳糖加入到芯材中，通過(guò)同軸靜電紡絲得到負(fù)載藻藍(lán)素的低聚糖納米纖維膜，纖維均勻光滑，藻藍(lán)素完全包被在納米粒子中，隨著pH 值升高，釋放率增加，是有潛力的結(jié)腸靶向遞送材料。

3 結(jié)語(yǔ)

人體消化道的pH 值由低到高逐漸增加，食品中的益生菌、多酚等功效成分在胃中容易受其酸性環(huán)境的影響而發(fā)生水解、變性等變化而活性降低或失去活性，開(kāi)發(fā)一種在胃中不溶解而在小腸中溶解，并在結(jié)腸中充分膨脹的穩(wěn)態(tài)化材料，對(duì)于降低食品營(yíng)養(yǎng)和功效成分在胃中的首過(guò)效應(yīng)、提高其消化利用率具有重要的意義。離子凝膠法是一種常用的制備pH 敏感型材料的方法，而靜電紡絲技術(shù)則可制備一種形態(tài)好且高負(fù)載率的納米纖維，常用于生物和醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域，這2 種技術(shù)結(jié)合并應(yīng)用于食品功效成分的穩(wěn)態(tài)化技術(shù)中，有望在保持材料pH 敏感性的同時(shí)還能提高活性成分的負(fù)載率，有著良好的應(yīng)用前景。