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葡甘聚糖和黄原胶复合凝胶的性能及其作为药物载体的应用研究

发布日期:2014-11-16 11:54:52
葡甘聚糖和黄原胶复合凝胶的性能及其作为药物载体的应用研究先容
葡甘聚糖和黄原胶复合凝胶的性能及其作为药物载体的应用研究
葡甘聚糖和黄原胶复合凝胶的性能及其作为药物载体的应用研究,魔芋葡甘聚糖(KGM)和黄原胶(XG)都是来源丰富的可再生的天然聚多糖,一 直被广泛作为食品或食品添加剂用于食品工业。它们具有优异的生物相容性和可生物降 解性,降解产物对人和环境均不会产生危害。研宄已发现,KGM和XG之间存在强的 协同作用,两者形成的复合凝胶的粘度和凝胶强度比相同浓度下单一凝胶要强得多; KGM在经过上消化道时不会被存在于胃及小肠的酶所降解,只有当到达结肠部位后, 被存在于结肠内的P-甘露糖酶降解,而XG更是不能在人体消化酶的作用下降解。这些 性质赋予了 KGM/XG复合凝胶作为缓释肥料和口服药物载体的优异的基本特性。因此, 设计和制备具有适宜的凝胶强度和溶胀特性的KGM/XG复合凝胶,研宄其作为化肥和 口服药物载体时的释放特性具有重要的意义和广阔的应用前景。
本研宄首先在多糖总浓度为0.2?2%的范围内,制备了一系列不同KGM/XG质
量比的复合凝胶,利用质构测试(TPA)和流变测试(RDA)对复合凝胶的凝胶强度进 行表征,从而确定在多糖总浓度为1%,KGM/XG质量比为1 : 1的条件下制备的复合 凝胶可表现出较强的协同作用,凝胶强度较高,其三维网络结构能在一定压力和温度范 围内保持相对稳定。对KGM/XG复合凝胶在不同条件下的溶胀行为研宄表明:该复合 凝胶的溶胀行为具有明显的pH敏感性。在pH<6.0的酸性环境中,其溶胀会受到抑制; 当pH值在6.0?8.0的范围内,复合凝胶的平衡溶胀度随着pH值的增大而明显增大,葡甘聚糖和黄原胶复合凝胶的性能及其作为药物载体的应用研究,并 在pH值为8.0时达到最大值。
根据上述结果,以用量最大的氮肥尿素、抗帕金森病药物左旋多巴(L-Dopa)和用 于治疗溃疡性结肠炎的药物4-氨基水杨酸(4-ASA)作为模型药物,分别制备了包埋尿 素、L-Dopa和4-ASA的载药KGM/XG凝胶体系,考察了其基本性质和在不同温度和 pH环境下的释放特性及其机理。研宄结果表明:
(a)包埋尿素的KGM/XG复合凝胶具有与不含药物的复合凝胶相似的凝胶强度和流变 性能;包埋L-Dopa和4-ASA的KGM/XG复合凝胶则由于L-Dopa或4-ASA与多糖
大分子之间的氢键交联作用而表现出较高的凝胶强度和较低的平衡溶胀度,当载药 量达到25.0 mg/g时,这种作用尤为明显。这一效应有利于抑制凝胶内药物的扩散释 放,实现药物的缓释和控释。
(b)包埋尿素的KGM/XG复合凝胶在中性水介质中,尿素释放主要由复合凝胶的溶胀行
为所控制。升高温度会加速复合凝胶的崩解,从而增大尿素的释放速率和累积释放 率。包埋尿素的复合凝胶的释放行为具有明显的pH敏感性。在碱性条件下,在50 h 的释放过程中,尿素的释放速率加快,累积释放率明显增大;pH 2.0时50 h的尿素 累积释放率仅为11.8%,释放曲线平缓。因此,在较偏酸性的条件下,包埋尿素的 KGM/XG复合凝胶能够在相对长的时间内实现缓释。
(c)包埋L-Dopa的KGM/XG复合凝胶和包埋4-ASA的KGM/XG复合凝胶的药物释放 具有明显的pH敏感性。二者在pH为1.0的模拟人体胃液中,3 h内药物的累积释放 率较低,仅分别为13.21 %和7.38%;在pH为6.8和7.4的模拟人体肠液中,24 h 内L-Dopa的累积释放率则分别为53.53%和76.62%,4-ASA的累积释放率则分别为 63.00%和68.04%。因此,用KGM/XG复合凝胶作为口服L-Dopa和4-ASA的药物 载体可以减少药物的“首过效应”,减少给药次数,降低药物的毒副作用,实现结肠 内的药物缓释和靶位给药的目的。
(d)利用Peppas方程分别对包埋L-Dopa和4-ASA的载药KGM/XG复合凝胶在不同pH
环境下的释放曲线进行拟合分析,发现在所测试的pH值范围内,L-Dopa释放的理 论拟合曲线与实验曲线相似,释放参数《< 0.45,说明L-Dopa从KGM/XG复合凝胶 中的释放遵循Fickian扩散机制;在pH为1.0和6.8的介质中,4-ASA释放的理论 拟合曲线与实验曲线也相似,释放参数《分别为0.3307和0.3959,4-ASA的释放同 样遵循Fickian扩散机制;而在pH为7.4的介质中,《值为0.5848,说明在这一条件 下,4-ASA的释放受扩散和复合凝胶药物载体骨架溶蚀共同控制。
第一章绪论
天然多糖类高分子在自然界中大量存在,来源丰富,可以被人体及生物所代谢利用 或分解,属于可再生资源。多糖类高分子是由多个单糖分子脱水、缩合,通过糖苷键连 接而成的一类高分子聚合体。从其分子组成单元的种类看,它们有的是由一种糖基聚合 而成的均多糖,如淀粉、纤维素和甲壳素等;有的则含有两种或两种以上的糖基的杂多 糖,如魔芋葡甘聚糖、黄原胶等。天然多糖类高分子种类繁多,成本较低,且大部分的 多糖类高分子都含有大量亲水性基团,在适当的条件下,能成为低交联度、不溶于水、 高膨胀性的水凝胶材料。多糖类高分子这些特性使其被广泛研宄应用于食品、化工、医 药及农用化学品等领域。然而,未经改性的天然多糖材料往往具有物理机械性能和加工 性能较差、易分解、应用面窄等缺点。因此,通过物理和化学改性研制和开发高物理机 械性能的多糖类水凝胶材料具有重要的学术意义和应用价值。
1.1高分子水凝胶 1.1.1水凝胶的定义和分类
高分子水凝胶(hydrogels)是指亲水性高分子以水或水溶液作为分散介质,通过化 学键、氢键、范德华力或物理缠结形成的具有三维网状结构的高分子 。水凝胶不溶于 水但能吸取自身重量数倍至数十倍的水溶液而溶胀,同时保持固体形状。水凝胶这种独 特的吸水和保水能力是由于其结构中含有一OH、一CONH—、一CONH2—、一 COOH 和一 SO3H等亲水性基团[1]。
高分子水凝胶根据高分子交联键性质的不同可分为化学凝胶和物理凝胶。化学凝胶 是指大分子通过共价键连接形成的网状结构,一般通过单体聚合或化学交联制得。这类 化学键交联的凝胶不能熔融,也不能溶解,结构比较稳定,因此也称为不可逆凝胶。物 理凝胶是指大分子间通过非共价键(通常为氢键或范德华力)相互连接,形成网状结构。 当温度等外界条件的改变超出一定范围时,这类水凝胶的分子间的物理交联就会被破 坏,重新形成链状结构溶解在溶剂中形成溶胶状粘稠液。因此,物理凝胶也称为可逆凝 胶。
高分子水凝胶根据行程水凝胶的高分子基质的来源可分为天然高分子水凝胶和合 成高分子水凝胶。合成高分子水凝胶以人工合成的亲水性或吸水性高分子为基质,而这 些合成高分子通常用源于石油资源的单体为原料,通过各种聚合途径而制得;天然高分 子水凝胶则以天然高分子为基质而制得。能形成水凝胶的天然高分子主要是来自植物、 动物或微生物的聚多糖。它们来源较广,是自然界中最丰富的可再生资源之一。由于聚 多糖源于自然界,因而具有优异的可生物降解性和环境友好特性,对人和动植物无毒无 害。因此,天然高分子水凝胶被广泛研宄应用于食品工业和各种医疗用途[2]。不论形成 水凝胶的高分子是天然的还是哼的,它们的共同特点是它们都具有良好的亲水性。
根据高分子水凝胶对外界刺激的答应情况不同,水凝胶又可分为两类:一、传统水 凝胶。这类水凝胶对环境的变化,如pH或温度变化不敏感;二、环境敏感水凝胶。这 类水凝胶对温度或pH等环境因素的变化所给予的刺激有非常明显的应答。目前,正在 研发及应用的环境敏感水凝胶主要有温度敏感水凝胶(temperature-sensitive hydrogels)、 pH 敏感水凝胶(pH-sensitive hydrogels)、盐敏感水凝胶(salt-sensitive hydrogels)、光敏 水凝胶(photo-sensitive hydrogels)、电场响应水凝胶(electric field response hydrogels)、 形状记忆水凝胶(shaped-memoried hydrogels)等。这类水凝胶广泛用于药物控制释放、 酶和细胞固定、生物分离、人造器官等领域[3 一6]。
在环境敏感水凝胶仲,研宄最多的是温敏型水凝胶和pH敏感水凝胶(又称离子型 水凝胶)。温敏型水凝胶是其自身体积能随温度变化而变化的高分子凝胶材料;pH敏感 水凝胶是指自身体积随环境pH值、离子强度的变化而变化的高分子凝胶材料[7]。此类 凝胶都是含有酸性或碱性侧基(如羧基或氨基)的大分子,随着外界pH值、离子强度 的变化,酸、碱基团发生电离,导致三围网状结构中大分子链段间氢键的解离,引起不 连续的体积变化[8一11]。
1.1.2高分子水凝胶的性质
一般说来,高分子水凝胶具有以下性质:
(1)溶胀性
溶胀性高分子水凝胶的最基本的特性。它指的是水凝胶吸取水溶液后自身体积明显 增大的现象。溶胀行为是弹性凝胶的重要特性,分为两个阶段:第一阶段中溶剂分子渗 透进入凝胶,与大分子相互作用形成溶剂化层,此过程伴有放热效应,并且凝胶体积的 增加比吸取的液体体积要小;第二阶段,水溶液分子继续渗透,凝胶体积大大增加至原 有干凝胶重量的几倍甚至几十倍。溶胀性的大小可用溶胀度(swelling capacity,Q)来 衡量。溶胀度为一定温度下,单位重量或体积的凝胶所能吸取的液体量[12]。
Q=(m2-m〇/m1 或 Q=(V-V0)/V。(1-1)
式中,Q为溶胀度,m1、m2分别为吸水膨胀前后凝胶的质量;V0、V为溶胀前后凝胶 的体积。
影响溶胀度大小的主要因素有水溶液的性质、温度、电解质和pH等。水溶液的性 质不同,溶胀度有很大的差异;对于温敏型水凝胶,温度升高可加速其溶胀速度,提高 其溶胀度间。
介质的pH值主要对pH敏感水凝胶(离子型水凝胶)的溶胀度有较大影响。离子 型水凝胶结构中离子型基团(如一COOH、一S〇3、一NH2等)的解离作用增加了聚合 物的亲水性,从而使水凝胶有较强的吸水性。解离程度的增强,使三围网络中高分子链 上存在大量具有相同电荷的解离基团,它们之间的静电斥力导致高分子链进一步的伸展 并与水分子充分接触。阴离子型水凝胶的平衡溶胀度随pH增大而增大,阳离子水凝胶 则随pH增大而降低[12]。
(2)脱水收缩性
脱水收缩现象是凝胶内部三围网状结构形成以后,高分子链段间相互作用继续进行 的结果,高分子链段继续运动并相互靠近,使网状结构更为紧密,一部分液体从网孔中 挤出。部分溶剂的损失使水凝胶表面形成干燥、紧密的外膜;继续干燥,则形成干凝胶, 如明胶粉末等[12]。
(3)触变性
物理凝胶受外界作用(如温度、pH值、振荡、搅拌或其他机械力),网状结构伸缩 而发生形状变化或结构被破坏而变成溶胶流体,外力作用停止后,又能恢复原有状态, 这种凝胶的形变或状态改变称为触变性(thixotropy)。水凝胶具有触变性是因为水凝胶 的网状结构不稳定,外力作用时容易破坏,消除外力后三围网状结构又重新形成。凝胶 触变具有一定的屈服值(yield value),具体表现为弹性和粘性;但对于某一具体凝胶, 弹性或粘性等性质往往不是同时都显著的表现出来[12]。
(4)透过性
水凝胶的三维网状结构使包埋或交联在其中的小分子物质在水溶液中的扩散速度 变小。因此,水凝胶可以作为扩散介质。水凝胶的骨架空隙越小,小分子物质通过这些 迂回曲折的通道所需的时间越长,扩散速度越低。物质在凝胶中的透过性还与凝胶中所 含溶剂的性质和含量有关。高溶胀状态下的凝胶有较大的平均孔径,有利于分子透过, 含水的孔道有利于可溶于水的物质透过[12]。
利用这一特点,水凝胶被广泛研宄作为药物缓释/控释制剂,特别是环境敏感水凝胶 (其中又以温敏型水凝胶和pH敏感水凝胶为主)由于其特殊的透过性能和独特的环境 响应性已在医药领域中取得一定的临床效果[12]。
3
1.1.3水凝胶在缓释/控释体系中的应用
与疏水聚合物相比,水凝胶与被固定在其中的药物或生物活性分子的相互作用较 小,可使被固定的物质保持长时间的活性。此外,水凝胶良好的物理化学性质和生物相 容性也为其作为缓/控释制剂载体提供巨大的应用前景[13,14]。其中,pH敏感水凝胶和温 敏型水凝胶被研宄最多。Wu和Hoffman等结合磷脂酰乙醇胺和PNIPA,作为脂质体的 药物释放体系,结果表明作为脂溶性药物的载体,释药体系达到了增溶及缓释药物的效 果,并增强药物的稳定性及生物活性[15]; Zhang和Zhuo等合成了以PNIPA为主的温敏 型水凝胶作为药物载体,研宄了 5-氟尿嘧啶的释放过程,发现药物在模拟人体温度的释 放环境中约5 h后达到最大释放值,与正常人口服药后从胃转运到结肠的时间基本一致 [16];刘锋和卓仁禧等对木瓜酶在控释过程中的活性和释放过程进行了研宄,并且制成了 高粘度的PCD微胶囊,结果表明由于pH敏感的PCD微胶囊的作用,减少了环境中不 利因素对酶活力的影响,使其应用范围更广[17]。利用天然高分子水凝胶能被结肠内菌群 降解的特点,各国学者开发了大量以偶氮苯类聚合物[18]和多糖类凝胶[19-29]材料为载体的 缓/控释制剂。其中,多糖类高分子因其结构多样、可设计性强、具有生物相容性和安全 性和资源丰富等优点而在药物释放载体的研宄中倍受青睐。
1.2用于缓释/控释体系中的多糖类高分子材料
多糖类高分子材料如多糖类淀粉、纤维素、海藻酸、蛋白质类明胶等,既是人类和 动物食物的来源,也是医药工业的有用材料。它们来自于自然界,在一定条件下能被微 生物和酶分解[18]。多糖类高分子来源丰富,价格低廉,本身无毒副作用;其降解产物为 各种简单糖类,也是安全无毒的,属于GRAS (generally regarded as safe)材料。在结构上, 天然多糖类高分子的大分子带有大量的亲水性基团,在一定条件下可形成凝胶;易于进 行化学和生化修饰,可设计性较强,因而可根据实际应用的要求进行适当的结构设计与 改性。另一方面,当非淀粉类聚多糖用作口服类药物的药物载体时,它们在上消化道不 能被消化吸取,而在结肠部位可被结肠细菌利用作为能源物质,或在结肠环境的pH下 降解,使药物释放出来,大大减少了药物对胃的刺激,可达到降低药物剂量、提高药效 的目的。这些特点使得天然多糖类高分子作为生物医用材料的基材而引起了各国学者的 研宄兴趣,并得到了迅速发展,尤其在药物缓释、靶向控释骨架材料中显示出极大的优 越性。
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1.2.1多糖类高分子在缓释/控释体系中的作用及其特点
在医药领域,多糖类高分子材料既可作为药物,又可作为药物载体来使用。近年来, 用于经皮给药、鼻腔给药和癌症治疗的制剂大多使用天然多糖类高分子材料作为药物载 体[22-24]。几十年来的研宄表明,多糖类高分子材料在具有缓/控释性能的口服制剂的制备 中起到了重要的作用。以下将分类总结近年来不同天然多糖类高分子的应用原理和概 况:
(1)淀粉[30-34]
普通淀粉在进入人体胃肠道后不断溶胀直至崩说明放出药品,性能不能满足控释和 结肠给药的要求。所以淀粉在传统的制药工艺中一般要经过交联、支链修饰等改性。淀 粉基的药物控释系统有片剂和微球等。交联的淀粉被越来越多地用于控制释放的药物赋 形剂。它比较容易应用于工业生产,不容易蚀化并有好的持续释放效果。药物释放的过 程是药片的外部先形成胶层,胶层随后停止向内扩展而水继续渗透,最终侵入内核并导 致药物的扩散溶出。
现阶段的研宄中淀粉多用于多肽、蛋白类等大分子药物的载体;淀粉给药体系往往 通过人体消化道中pH值的变化和酶降解作用使淀粉赋形剂溶胀崩解而实现药物释放。
(2)甲壳素/壳聚糖[35-37]
甲壳素(Chitin)是一种线性氨基多糖,广泛存在于节足动物类的翅膀和外壳及真菌和 藻类的细胞壁中;壳聚糖(Chitosan)是甲壳素脱乙酰化的产物,具有和粘多糖类似的结构, 无毒、生物可吸取[38]。这种阳离子聚合物的伯仲羟基和氨基使其可以和酸反应而溶解, 使得药物的透过性在酸性环境比在碱性环境要大,因此壳聚糖/甲壳素控释具有一定的胃 靶向性。以壳聚糖/甲壳素为基质的材料在酸性环境下还会形成胶质,这又可以减少药物 对胃的刺激性并有助于持续释放。壳聚糖/甲壳素还有许多对人体有利的生物活性,如抗 肿瘤作用、免疫佐剂功效和促进组织修复及止血作用等。以壳聚糖/甲壳素为基质的药剂 有微球、颗粒、小球/微囊、胶囊和药片各种形式[39-42]。
(3)海藻酸/海藻酸盐[43-44]
海藻酸(Alginic acid)是从褐藻中提取的一种多糖类化合物,是甘露糖醛酸和古罗糖 酸两种单糖以不同组成形成的共聚物[43]。海藻酸盐基质在溶液中会发生溶胀,控制药物 释放速度的机理与壳聚糖相似,所不同的是海藻酸钙等二价盐在体内不同pH值环境浸 泡的过程中会逐渐发生离子交换成为海藻酸(酸性)或一价盐(中性或碱性)。在小肠的微 碱性环境中形成的一价盐可以慢慢溶解,药物可以获得比胃中高许多的释放速率,因此
5
海藻酸类制剂常用于小肠内的pH靶向给药[44]。
然而,载药的海藻酸盐载药体系也存在一些问题,如药物在制备时浸入交联剂溶液 中由于损失严重而导致负载量太小、载药微球在溶胀或离子交换后渐渐崩解丧失控释效
果等。
(4)环糊精
环糊精(Cyclodextrin,CD)是由6?12个D-葡萄糖分子以0 -1,4甙键连接起来形成
的闭合锥筒状结构,毒性很低。常用的a、0、e-CD分别由6、7、8个葡萄糖单元组 成[45]。环糊精通过形成药物的包合物或键合物参与药剂的制备,其中以前者应用最多。 环糊精包合物(CD inclusion compound)是指药物分子(客分子)被包含或嵌入环糊精(主分 子)的筒状结构内形成的超微粒分散物。小分子药物根据大小的不同嵌入不同内径的 CD,环糊精也可由选择地嵌套大分子的侧链形成包合物。最常用的是内径居中的0-环 糊精[46, 47]。
除了天然的环糊精外,近些年来半合成的环糊精衍生物越来越受到瞩目。甲基化环 糊精可以进一步提高药物的溶解度、稳定性和生物利用率。环糊精包合物可以改变药物 的溶解性,调节药物的释放速度,提高药物的生物利用度,常被制成栓剂、油膏、微囊、 渗透泵片,有良好的药物控制释放作用[48, 49]。
CD包合物也可以使某些易溶的药物水溶度下降,起到缓释作用,如羟丙基环糊精 可以作为缓释储库用于鸦片类药物的鞘内给药。环糊精还可以用于靶向给药,不易水解 的环糊精在胃肠道很难被吸取,但却可以被结肠的微生物群落分解为小分子糖类,因此 可以用于结肠的靶向给药[50-52]。
(5)葡甘聚糖[53-67]
葡甘聚糖本身作为一种可溶性膳食纤维;在药剂学中也被广泛应用作缓释、控释制 剂辅料。研宄发现,KGM在经过上消化道时不会被存在于胃及小肠的酶所降解,当到 达结肠部位后,则会被存在于结肠部位的P-糖苷键酶降解[53]。利用这一特性,可将KGM 开发为纳米粒子、水凝胶微球多肽和蛋白质缓释/控释载体,制备口服结肠定位控释体系。
综上所述,拥有良好生物相容性的多糖类高分子具有许多优异的性质,可以广泛地 用于各种口服或植入药物载体,在药物的速度、靶向控制释放中发挥重要的作用。药物 的突释可以通过用多糖制片、包囊、覆膜等手段得到有效的控制。然而,多糖类高分子 药物载体在菌群触发型结肠定位转运系统中的应用还存在许多问题,其中最关键的问题 是提高多糖的疏水性和降低其溶胀性和如何使药物在细菌作用下以合理的速度释放出
来以及促进结肠对药物吸取。在未来的发展研宄中,将数种物质复合使用,成为集短期 控制病情、长期定时维持、局部靶向释放等特点于一身的高级药剂,已成为一个重要的 研宄思路。
1.2.2魔芋葡甘聚糖的分子结构、基本特性及其在缓释/控释体系中的应用
1.2.2.1魔芋葡甘聚糖的分子结构
魔芋葡甘聚糖(Konjac glucomannan,简称KGM)来源于植物魔芋,是一种天然高分
子多糖。其主链是由D-甘露糖(M)和D-葡萄糖(G)以0-1,4吡喃糖苷键连接的杂多糖, 在主链甘露糖的C3位上存在着以0 -1,3键结合的支链结构[58]。每32个糖残基上大约有 3个支链,支链只有几个残基的长度,并且每19个糖残基上约有1个乙酰基团[59, 60]。 与其他聚多糖一样,KGM的重复结构单元中C2、C3、C5位上的-OH均具有较强的反
应活性。
一般认为,KGM的粘均分子量约为70到80万[61]。Ogawa等根据X射线分析,推 断魔芋葡甘聚糖粒子近似为无定形结构[62]。Chen等用分光光度法和薄层色谱法对魔芋 精粉中KGM的含量进行了检测,并用扫描电镜(SEM)法进行了分析,得出KGM的推 测性结构如图1-1所示[63]。
•M-O_M- CH2OH
O
 
M
OH
M
OH
G
 
CH2OH
O
CH2OH
1O、,O— G—O—M— O- G-
OH
OH
n
G
M: Mannose G: Glucose
图1-1葡甘聚糖的分子结构示意图 Fig. 1-1 The schematic structure of KGM
1.2.2.2魔芋葡甘聚糖的基本特性
从1.2.2.1可知,魔芋葡甘聚糖分子中含有大量亲水性基团,能在水中溶胀且不溶于 甲醇、乙醇、丙酮等有机溶剂。KGM水溶液为假塑性流体,表观粘度与剪切速率成反 比,并随着温度的上升而逐渐降低,冷却后又重新升高,但不能回升到加热前的水平。 魔芋葡甘聚糖水溶胶在80°C以上较不稳定,其溶胶于121°C下保温0.5 h,粘度约下降 50 Pa %[64]。在一定的碱性条件下,魔芋葡甘聚糖能形成水凝胶[65]。魔芋葡甘聚糖形成
7
的凝胶具有以下几个特性:
(1)魔芋葡甘聚糖由于分子量大,结合水的能力强,因而具有较好的增稠作用。 1%wt的魔芋精粉的粘度可达数十乃至200帕斯卡•秒(Pa* s)[66]。与黄原胶、瓜儿豆胶 等增稠剂相比,魔芋葡甘聚糖凝胶不带电荷,属于非离子型多糖凝胶,因而受盐的影响 很小。
(2)魔芋凝胶脱水后可制成透明度和致密度高的硬膜。该膜在冷、热水中及酸液 中能长期保持稳定。添加甘油等保湿剂还可改变魔芋胶膜的物理机械性能:随着甘油量 增加,膜机械强度降低,透明性增加。通过改变添加剂的品种和用量,可改变魔芋胶膜 的柔软性和透气性[65’67]。
(3)单独的魔芋葡甘聚糖在强碱条件下通过脱乙酰基作用形成的凝胶为热不可逆 凝胶。这种凝胶不溶于水,对热稳定。
另外,魔芋葡甘聚糖还能与黄原胶、淀粉等增稠剂有协同增稠作用。魔芋精粉与黄 原胶、淀粉混合使用形成复合凝胶时,其溶液和凝胶粘度比单独使用葡甘聚糖、黄原胶 或淀粉高数倍[65’68’69]。KGM与其他多糖间的这种协同作用在实际应用中非常广,它不 仅节约了胶体的用量,还能获得比同等浓度下单一凝胶更高的粘度和更好的使用效果。
1.2.2.3魔芋葡甘聚糖在缓释/控释体系中的应用
魔芋葡甘聚糖具有亲水性、增稠性、凝胶性等多种特性,广泛应用于食品[70]、包装 [71]、轻工和石油化工[72]等行业。
另外,KGM良好的生理活性、生物相容性和可生物降解性也使其在医药学方面得 到了较大的实践应用。Nakano等在弱碱性的条件下加热KGM水溶液,制得弹性模量高、 热稳定的水凝胶,并成功应用于局部麻醉药物二丁卡因的控释体系[57]。除了使用传统方 法制备KGM凝胶作为载药系统,Liu等利用二异丁烯酰胺偶氮苯为交联剂制备的 KGM-AA接枝共聚物凝胶有望用作结肠定位给药载体[55, 56]; Yu等制备了一系列不同配 比的KGM-PAA复合膜,通过IR,WAXD,TGA,SEM等测试方法对其进行了性能表 征,该复合膜可开发应用于结肠定位给药系统[54]。Du等采用接枝方法在KGM分子链 上接枝丙烯酸得到了可生物降解水凝胶。结果表明,用Cereflo酶降解该水凝胶,一个 月后凝胶降解了 73%,在Mannaway 25L作用下凝胶降解86%,有望用作结肠定位给药 载体。通过溶液挥发法制备的聚电解质羧甲基葡甘聚糖-壳聚糖纳米粒子。对牛血清白 蛋白(BSA)包合的实验表明,纳米粒子对BSA的释放率优于羧甲基葡甘聚糖纯聚合 物,在蛋白质结肠定位给药具有潜在的应用前景[73,74]。Wang等制备了海藻酸-葡甘聚糖
8
-壳聚糖(ALG-KGM-CHI)共混膜,并研宄了该复合膜对BSA、胰岛素的体外缓释性能。 实验结果表明,ALG-KGM-CHI颗粒在酸性溶液中溶胀率高于ALG-CHI颗粒,在碱溶 液中则相反;ALG-KGM-CHI共混膜可增加药物在体内的滞留时间,蛋白质释放能力取 决于KGM的粘度及溶胀性[53]。
1.2.3黄原胶的分子结构、基本特性及其研究应用现状
黄原胶(Xanthan)又称汉生胶,是由野油菜黄单胞杆菌(Xanthomonas campestris)分泌 的一种胞外酸性多糖。Jeans等在20世纪50年代首先发现了黄原胶独特的剪切变稀特 性;1961年,CP Kelco成为第一个采用发酵法将黄原胶商业化生产的企业[75]; 1969年 黄原胶正式被美国FDA认证为食品添加剂。从那时开始,黄原胶就因其优良的物化性 质,如分散液的高黏度、触变性、稳定性等被广泛关注和研宄,各种改性黄原胶产品也 在食品工业、采油、涂料等领域得到了应用。
1.2.3.1黄原胶的分子结构
如图1-2所示,黄原胶(Xanthan Gum,以下简称XG)是由D-葡萄糖(G)、D-甘露糖 (M)、D-葡萄糖醛酸、乙酸和丙酮酸组成的具有“五糖重复单元”结构的天然多糖类高 分子。黄原胶分子的一级结构包括由0 -1,4键连接的D-葡萄糖基主链及含三个糖单位的 侧链,侧链则由两个D-甘露糖和一个D-葡萄糖醛酸的交替连接而成。部分侧链末端的 甘露糖4,6位C上连接有一个丙酮酸基团,而部分连接主链的甘露糖在C-6被乙酰化。 丙酮酸和乙酰基团的含量取决于黄原胶的产地以及后处理过程。在不同溶氧的条件下发 酵所得的黄原胶,其丙酮酸含量会有十分明显的差异:通常溶氧速率越小,黄原胶的丙 酮酸含量越低。一般而言,黄原胶中丙酮酸取代基的含量在30?40°%之间,乙酰化的基 团在60?70°%之间。丙酮酸取代基和乙酰基团在主链上呈无规律分布,但是其含量对于 黄原胶的构象及物化性质却有着很大的影响[76]。黄原胶脱去乙酰基和脱去丙酮酸基团都 会使其性质发生明显变化。据流变学研宄,脱去丙酮酸基团后的黄原胶分子间作用力显 著减小,丙酮酸基团在黄原胶分子中能相互之间形成氢键,并与邻近侧链的乙酰基产生 氢键,以此来稳定黄原胶的分子结构。而乙酰基团通常被认为是提供了分子内的相互作 用力,因为脱去乙酰基后黄原胶分子变得更加柔顺[77,78]。
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CH2OH
 
M
G
n
 
O
O
CH2OCCH3 O
 
M: Mannose G: Glucose
图1-2黄原胶的分子结构示意图
Fig. 1-2 The schematic structure of XG
黄原胶的二级结构是由侧链绕主链骨架反向缠绕,通过氢键、静电力等非共价键力 作用所形成的五重折叠(5-fold helix)的棒状螺旋结构。研宄表明,位于D-葡萄糖主链上 C3位置上的支链是影响黄原胶构象的主要因素。这些支链可能发生折叠并依附在主链 骨架上,通过分子间氢键、静电作用力和空间位阻效应等非共价键作用力使棒状螺旋结 构长期保持稳定,不受外界环境的影响[79, 80]。Rengaswami等通过分子模型研宄发现黄 原胶分子在空间排布上呈现出双螺旋构象,如图1-3所示[80]。一般的说,黄原胶在水溶 液中可能呈现出3种构象:天然黄原胶可能具有一个相对较规整的螺旋结构;而经过长 时间的热处理,黄原胶螺旋链会伸展为无序的卷曲链结构,该段温度通常称为构象转变 温度;冷却后,螺旋和卷曲链在体系中均有相当程度的存在[81,82]。
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Fig. 1-3 Double Helix chain (top) and 5-fold structure of XG
图1-3黄原胶的双螺旋和五重折叠构象
1.2.3.2黄原胶的基本特性
一、流变性
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黄原胶的水溶液是一种典型的假塑性流体。在低剪切速率下,黄原胶溶液具有高黏 度。逐渐增加剪切速率能使黏度逐步下降,使溶液发生所谓的剪切变稀,即呈现流体的 流变假塑性行为。剪切停止后,黄原胶的黏度会迅速恢复。这种性质源于上述的黄原胶 分子结构和构象特点。水溶液中的黄原胶通过分子内和分子间的非共价健以及分子链间 的缠结形成的聚集态结构具有高度缠绕的网络结构,刚性的分子链也使其在低剪切下具 有很高的黏度。在外界剪切作用力下,分子链间的缠结发生解缠,无序的网络结构转变 为有序的随着剪切方向排布的分子链结构,从而表现出剪切变稀行为。研宄发现,加入 二价、三价盐或者硼酸后,黄原胶的这种剪切变稀行为增强。在足够低的剪切速率和足 够高的浓度(>1%wt)下,黄原胶水分散液呈现出弱凝胶性质。这种凝胶是由非共价键连 结、分子链缠结构成的弱网络结构,在一定的剪切力下可以被破坏。研宄还表明,对黄 原胶进行预处理如离析、干燥和再水合,这些过程会在很大程度上影响黄原胶的流变学 性质[83]。
二、协同凝胶性
黄原胶可与大多数天然多糖如淀粉、刺槐豆胶、瓜尔胶、卡拉胶、魔芋胶及结冷胶 等互溶而产生协同作用,混溶后黏度显著提高并形成凝胶[84]。这种协同作用的机理为: 在阳离子或加热的作用下,黄原胶能显著改变与其共混多糖的分子链排列;两者更趋向 于形成共同有序的构象,凝胶化程度增强。在三价阳离子或者硼酸盐阴离子作用下黄原 胶也可以独立形成物理机械性能相对较弱的凝胶[85]。
1.2.3.3黄原胶的研究应用概述
黄原胶借助于水相的增稠作用,可降低水相和油相的不相溶性,使油脂乳化在水中, 因而黄原胶可在许多食品饮料中用作乳化剂和稳定剂。黄原胶溶液具有优良的悬浮性、 假塑性、无毒安全性,在许多苛刻的条件(如pH、温度、盐等)下性能基本保持稳定,因 此在食品中的应用比明胶、果胶等更普遍[86]。
总体来说,在食品工业中,黄原胶可作为稳定剂、乳化剂、增稠剂、分散剂和品质 改良剂等。黄原胶应用在饮料中可悬浮果肉、并保持其良好的罐装性;在冷冻食品与冰 淇淋中可用于控制冰晶、抗融化、延长保存期、提高膨胀率等;在肉制品中可增加持水 性、延长货架期、抑制淀粉的回生;在蛋糕中可使蜂窝组织均匀、质体松软、富有弹性, 延长松软时间,具有保湿性;在乳制品中可增加黏度、防止脂肪上浮、提高热稳定性; 在罐装蔬菜中可降低脱水、抗酸败、延长储藏期等[86]。
黄原胶优良的增稠和剪切变稀性能在石油开采中应用也十分普遍。低浓度的黄原胶
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水溶液可保持水基钻井液的黏度,使钻井液保持良好的悬浮性能,从而防止井室坍塌、 抑制地层井喷、便于将切削下的碎石排出井外,其性能远好于聚丙烯酰胺。独特的假塑 性使处于钻头附近的黄原胶由于高速旋转引起的强剪切而表现出极低的黏度,这种低磨 阻特性有利于降低能耗。由于黄原胶具有抗盐性、耐高温性等,海洋、海滩、高卤层以 及永冻土层等区域的钻井作业中往往采用黄原胶作为泥浆增稠剂,节省长途输送淡水的 费用[87, 88]。
除食品工业和油田工业外,黄原胶还被广泛应用于食品、医药、化妆品、造纸、纺 织、陶瓷、消防灭火剂、日用化工、石油开采等20多个行业数百种产品[84]。
研宄发现,黄原胶不能被人体消化道内所含消化酶降解[89]。因此,近年来中外学者 开始研宄将XG与其他能被人体结肠消化酶降解的天然多糖(如淀粉、KGM等)通过物 理共混和协调增效作用形成共混物作为药物缓释载体[90]。
1.3KGM与XG之间的协同作用及其研究与应用
1.3.1KGM与XG之间的协同作用及其机理
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Fig. 1-4 The mechanism of the synergistic interaction between KGM and XG
在可发生协同作用的多糖复合物中,葡甘聚糖与黄原胶之间的协同作用较强,机理 研宄得较为深入。KGM与XG的协同作用机理是:黄原胶分子的侧链绕主链骨架反向 缠绕,通过氢键、静电力等非共价键力作用能够形成五重折叠(5-fold helix)的棒状螺旋 结构。KGM和XG具有相似的分子主链结构,因而当两者溶解在同一水介质中并加热 至黄原胶构象转变温度(75-85°C)时[92],含0 -1,4键的KGM分子与黄原胶的双螺旋分子
魔芋葡甘露聚糖和黄原胶均为非凝胶多糖,两者单独在水溶液中时,在低浓度下均 为溶胶状,无法形成凝胶。然而,KGM和XG在同一水介质中溶解时,经过一定的热 处理能形成初步的三维网状结构,共混胶粘度比相同浓度单一胶的粘度数倍增加或成胶 冻状,这种现象称为协同增稠性或协同凝胶性[91, 92]。其他多糖(如瓜儿豆胶[93-95]和卡拉 胶[93-98])之间也存在这种多糖间的协同作用。多糖间的协同作用在实际应用中非常广, 它不仅节约了单一多糖的用量,混合凝胶更是能获得比单一胶使用更好的效果。
和卷曲链分子发生嵌合作用,形成三维网状结构,并在温度降至常温时形成热可逆凝胶 [92, 94]。KGM和XG共混凝胶机理如图1-4所示。
1.3.2KGM/XG复合凝胶的理论研究
KGM和XG形成的复合体系,具有很高的粘度和凝胶强度,不少文献研宄了两者 间的协同增效机理以及影响复合体系粘度和凝胶强度的因素,对魔芋粉和黄原胶在实际 中的应用,提供了理论依据和理论引导。Morris等对葡甘聚糖与黄原胶的协同机理进行 了研宄,并先后提出了两者复配形成凝胶的Uniliver模型和Norwich模型[99],为后人研 宄复合凝胶的协同机理研宄提供了模型理论依据。Goycoolea等使用DSC和X射线衍射 表征了 KGM/XG复合凝胶,从化学计量法的角度证明了 KGM与XG在加热条件下协 同作用的自组装特性,并得到了复合凝胶的热转变温度范围为60?70 °C,自组装特性研 宄的结果为后人提供了复合凝胶应用研宄的理论依据[100]。杨新亭和陈云中等讨论了影 响KGM/XG复合凝胶粘度和凝胶强度的相关因素。结果表明,随着温度与盐离子浓度 的增大,凝胶强度下降,粘度增大,复合凝胶有望用于果酱、布丁等食品加工中[92,101]。 何东保等进一步探讨了制备温度对凝胶强度的影响,并使用FTIR技术对复合凝胶进行 了表征[102]。赵谋明等研宄了 KGM/XG复合凝胶的耐盐稳定性,并与其他多糖复合凝胶 进行了对比。实验结果表明:魔芋葡甘聚糖和黄原胶在浓度极低时就能形成复合凝胶, 并比单一胶的粘度和耐盐稳定性大大提高,达到了用量少、成本低和提高使用效果的目 的[91]。中国学者对KGM/XG复合凝胶的热性能和凝胶强度进行了系统研宄,为复合凝 胶的应用提供了实验依据;然而,对KGM/XG复合凝胶的质构性能和粘弹性研宄鲜见 有报道。因此,需要进一步通过质构测试等手段,进一步研宄KGM/XG复合凝胶的质 构性能、凝胶强度和粘弹性等基本特性,为拓宽复合凝胶的应用提供理论和实验依据。
1.3.3KGM/XG复合凝胶的应用研究
KGM/XG复合凝胶的优良特性使其被广泛应用于食品加工等领域中。韩国华等应 用魔芋精粉与黄原胶的协同增效作用,对低温(-20 C)冷冻果馅(添加天然果汁)进 行了研宄,采用葡萄糖浆与黄原胶、魔芋精粉复合使用,在其抗析水性及抗冻性方面取得 了良好效果[103]。陈志行等使用KGM/XG复合凝胶作为甜味剂,并探讨了柠檬酸等对复 合体系作为食品应用的影响[104]。另外,在国内现阶段的研宄应用中,已市场化开发的 KGM/XG复合凝胶产品包括各种增稠剂[93]、保水剂[93]、果冻[96-98]、乳化稳定剂[1叫、添 加剂[105]等。
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然而,这样的利用形式应用面窄,附加值低,利用率不高。要提高魔芋葡甘聚糖和 黄原胶复合凝胶的利用价值,充分发挥二者的协同增效作用,就需要为复合凝胶开辟新 的用途。
如1.2.2.3所述,魔芋葡甘聚糖已被广泛应用于缓/控释体系中,并取得了一定的临 床效果。同时,在近年来的研宄中,黄原胶已被证实具有良好的生物相容性但不能被人 体内的消化酶所降解[106]。因此,中外学者开始着手研宄将黄原胶开发成药物赋形剂以 及亲水性骨架型缓释片材料:Talukdar等研宄了黄原胶圆片制剂的溶胀行为,并以咖啡 因和吲哚美酸作为模型药物,探讨了黄原胶口服制剂的释放行为。结果表明:小分子药 物的释放受药物类型与黄原胶的溶胀行为所控制。其中,咖啡因作为亲水性药物,释放 行为符合Fick扩散机制;吲哚美酸作为疏水性药物,释放速率由溶胀行为和骨架腐蚀共 同控制,属于〇33611机制[1〇6]。1^和8&6仙等先后使用盘尼西林、扑尔敏、苯左卡因 和新霉素作为模型药物,黄原胶作为固体药物包膜,实验结果表明该包膜有望用于缓释 药物制剂[1〇7-11〇]。另外,众多针对黄原胶作为缓/控释制剂的研宄证明:黄原胶作为亲水 性骨架片时具有以下3个优良特性:A.具有快速水化作用,溶液中离子浓度增加,则水 化速度变慢;B.多种浓度下皆为高度假塑性流体;C.流变特性与温度和离子浓度无关。 黄原胶用量不同,药物释放的速率也不同。黄原胶的用量较高时可制得在人工肠液中近 乎零级释放的制剂[111, 112]。
KGM和XG单独使用是作为药物赋形剂和药物包膜已被广泛研宄,两者在多糖总 浓度极低时即可形成高强度热可逆凝胶的协同作用也被证实并应用于多个工业领域。然 而,KGM/XG复合体系作为药物载体的研宄却鲜有报道。
1.4本研究的目的意义和主要内容 1.4.1本研究的目的和意义
魔芋粉和黄原胶虽然具有很强的协同增效作用,但是两者形成的复合凝胶的粘弹 性、溶胀度及相关物理机械强度随着实验条件的不同而变化很大。因此,本研宄通过单 因子实验确定各种实验条件对复合凝胶溶胀度等相关性质的影响及其规律,进一步优化 实验工艺,寻求平衡成本和凝胶强度的较佳实验配方。
KGM/XG复合凝胶在现阶段的研宄中主要用于乳化剂、增稠剂等,但是这样的利 用模式,附加值低,利用率不高。要提高KGM和XG的利用价值,充分发挥两者的协 同作用,就要为KGM/XG复合凝胶开辟新的用途。
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KGM和XG均来源于自然界,安全无毒,为可再生资源;KGM和XG的分子结构 中均含有大量亲水性基团,因此,两者形成的复合凝胶具有很好的溶胀性;同时,经研 宄发现,KGM在经过上消化道时不会被存在于胃及小肠的酶所降解,只有当到达结肠 部位后,被存在于结肠部位的P-甘露糖酶降解,而XG更是不能在人体消化酶的作用下 降解。根据以上分析,可将KGM/XG复合凝胶开发成药物载体。
本工作利用KGM和XG的协同作用,制备具有良好溶胀行为的包埋型载药复合凝胶: ①研宄包埋尿素的KGM/XG复合凝胶的释放特性,可望为将KGM/XG二元复合凝胶作为 化肥的缓释载体,从而提高尿素的利用率和达到较好的环保效应提供理论依据和新的研 宄思路;①研宄包埋左旋多巴和包埋4-氨基水杨酸的KGM/XG复合凝胶的释放特性,可 以提高左旋多巴和4-氨基水杨酸的利用率,减少两者的“首过效应”和突释现象,尽可 能减少药物在人体结肠前释放,并保证在结肠部位迅速释放,以达到理想的缓释和结肠 定位效果。为将KGM/XG二元复合凝胶设计为安全无毒的口服结肠给药系统(Oral Colon Drug Delivery System, OCDDS)提供实验和理论依据。
1.4.2本研究的主要内容
要将KGM/XG复合凝胶设计为环境友好的包埋型载药体系,就必须对KGM/XG复 合凝胶的制备条件、凝胶强度、粘弹性和溶胀性能进行测试和分析,了解小分子药物与 复合凝胶之间的相互作用,探讨复合凝胶用于环保型农业和结肠给药体系的可能性。
因此,本课题的主要研宄内容包括三个部分:
(1)包埋小分子药物的KGM/XG复合凝胶的制备与表征利用KGM和XG的协 同作用,通过简单的包埋技术实现小分子药物在复合凝胶内的均匀分散,采用红外光谱
(FTIR)、质构测试(TPA)、流变仪(RDA)和溶胀测试对复合凝胶进行鉴定与表征; 研宄小分子药物、KGM、XG的相互作用;综合成本、凝胶强度和对释放特性的影响三 个方面探索合成包埋型载药KGM/XG复合凝胶的较佳条件。
(2)包埋尿素的KGM/XG复合凝胶的释药性能研宄通过改变多糖总浓度、多糖 比例和温度、pH等因素,探讨凝胶组成、制备条件和释放环境对该体系的尿素释放特 性的影响,确定最佳工艺条件。
(3)包埋左旋多巴和4-氨基水杨酸的KGM/XG复合凝胶的释药性能和释药动力学 研宄采用紫外光谱仪研宄包埋型KGM/XG复合凝胶的体外模拟释药行为,利用经典 的Peppas动力学方程拟合药物累积释放率小于或等于60%的部分,研宄左旋多巴和4- 氨基水杨酸从复合凝胶中释放的机理。
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第二章葡甘聚糖/黄原胶复合凝胶的制备与基本性质研究
2.1前言
自上世纪70年代,Pettitt等发现KGM与XG在水溶液中会产生协同作用,在低的 多糖浓度下即可制成凝胶的现象以来[91],国内外学者对KGM/XG复合凝胶的粘度、凝 胶特性、表征影响因素、形成机制和应用研宄等进行了很大研宄,取得了一定的成果 [91-94]。然而,关于KGM/XG复合凝胶的质构性能、流变性能以及溶胀特性方面的研宄 仍然鲜见有报道,关于凝胶强度的报道也大多缺乏系统的表征手段。在应用方面,将 KGM/XG复合凝胶用作药物载体的研宄也相对较少。
为了深入理解KGM和XG的协同凝胶作用,为优化制剂配方提供依据,有必要对 KGM/XG复合凝胶的凝胶强度、流变性能和溶胀特性进行系统研宄。本章通过分组讨 论,探讨研宄了多糖浓度、KGM/XG共混比例、温度和pH值等实验参数,考察KGM/XG 复合凝胶的的各种环境响应性;并考察不同载药量下复合凝胶的不同特性,为KGM/XG 复合凝胶在缓/控释给药体系等附加值更高的应用提供理论和实验依据。
2.2实验部分 2.2.1原料和试剂
实验中所用到的主要原料和试剂列于表2-1中。
表2-1主要原料与试剂
Table 2-1 The raw materials and reagents used in the experiments
原料名称规格产地及生产厂家
葡苷聚糖(KGM)3ASF-0512海南多环保健品有限企业北海分企业
黄原胶(XG)食品级山东中轩股份有限企业
无水乙醇分析纯天津市富宇精细化工有限企业
二甲基硅油PMX200-500 化学纯烟台长信化工有限企业
36%盐酸分析纯广州化学试剂厂
磷酸二氢钠分析纯广州化学试剂厂
磷酸二氢钾分析纯广州化学试剂厂
氢氧化钠分析纯广州化学试剂厂
醋酸钠分析纯广州化学试剂厂
硼酸分析纯广州化学试剂厂
氯化铵分析纯广州化学试剂厂
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2.2.2主要设备和仪器
实验中所用到的主要设备和仪器列于表2-2中。
表2-2主要设备与仪器
Table 2-2 The main equipments and instruments used in the experiments
设备名称型号规格生产厂家
磁力搅拌机KMO 2 basic 型广州仪科实验室技术有限企业
电子天平BS200S 型赛多利斯科学仪器(北京)有限企业
电热恒温真空干燥箱DZ60 型上海医疗器械七厂
红外光谱仪FTS 3000Bio-Rad 企业
质构仪TA.X2i 型SMS 企业
雷磁精密pH计PHS-3C 型上海精密科学仪器有限企业
高级应变控制流变仪RDA m 型Reometric Scientific, USA
2.2.3KGM/XG复合凝胶的制备
根据表2-3的设计,计算一定量的复合凝胶中各组分的用量;分别称取一定量的 KGM和XG置于50 ml烧杯中,以适量的蒸馏水进行溶胀;室温下搅拌2h,使其充分 混合溶胀;将混合溶胶置于80°C水浴锅中加热2 h,再冷却至室温即制得相应的KGM/XG
复合凝胶。
表2-3 KGM/XG复合凝胶的组成设计
Table 2-3 The formula of composition of KGM/XG plural gel
湿凝胶的组成单位重量多糖的载药量(mg/g)
No.多糖总浓度 (%)KGM
(wt:XG
;wt)尿素左旋多巴4-氨基水杨酸
A-10.211000
A-20.511000
A-31.011000
A-42.011000
A-51.037000
A-61.073000
室温下加入无水乙醇使其脱水,用蒸馏水快速洗涤5?10次。使用打孔器将复合凝
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胶样品切为直径为直径为10 mm,厚度为2 mm的圆柱片。均匀铺在培养皿中,在40 °C下烘干至恒重,烘干后的样品为干凝胶。
2.2.4KGM/XG复合凝胶的结构与基本性质表征
2.2.4.1红外光谱分析
采用Bio-Rad企业的FTS 3000型红外光谱仪记录被测样品的红外分析谱图。采用 溴化钾压片法制样。具体压片方法:精确称取2.0 mg实验样品,加入干燥的KBr约200 mg,磨细后装入压片机压成薄片。
2.2.4.2质构测试
质构仪(Texture Analyzer),可对食品类样品的如物理机械强度等物性概念作出数据 化的表征。仪器设计有多种探头可供选择,是国内外公认的质构标准检测仪器。质构仪 可用于分析食品样品的硬度、脆性、弹性、黏性、拉伸强度、抗压强度、穿透强度、内 聚性、黏附性、松弛性、咀嚼性、破坏强度、恢复度、断裂强度、张力、破裂点、剥离 强度、铺展性、果蔬新鲜度和食物加工法等,也可用于检测包装材料的硬度、弯曲强度、 抗拉伸强度、穿透强度和弹性等多种参数[113]。而在质构仪的多种测试模式中,TPA (Texture Profile Analysis)无疑是应用最广泛的一种测试模式。
TPA质构测试又被称为两次咀嚼测试(Two Bite Test,TBT)主要是通过模拟人口腔
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Fig. 2-1 TPA test feature curve
1.硬度:样品达到一定变形时所必须的力。硬度值指探头第一次击冲样品时的压
的咀嚼运动,对固体半固体样品进行两次压缩,得到如图2-1所示的质构测试曲线,从 中分析质构特性参数。
力峰值。
2.弹性:变形样品在去除变形力后恢复到变形前的条件下的高度或体积比率。它 的度量是探头第二次击冲样品时的测量高度与第一次测量时的高度的比值,即图2-1中 的长度2与长度1的比值。
3.粘聚性或粘结性:该值可模拟表示样品内部粘合力,即将样品保持原来物理性 态的内聚力。它的度量是探头第二次击冲样品时的作功面积与第一次测量时的作功面积 的比值,即图2-1中的面积2与面积1的比值。
4.粘着性:该值模拟表示在探头与样品接触时用以克服两者表面间吸引力所需的 力。它的度量值是负的峰值面积与探头第一次击冲样品时下压击冲阶段面积的比值,即 图2-1中的面积3与面积4的比值。
5.胶着性:该值摸拟表示将半固体的样品破裂成吞咽时的稳定状态所需的能量, 计算公式为:硬度X粘聚性。
6.咀嚼度:该值摸拟表示将半固体的样品咀嚼成吞咽时的稳定状态所需的能量, 计算公式为:胶着性X弹性(或硬度X粘聚性X弹性)。
7.脆性:第一次压缩过程中若是产生破裂现象,曲线中出现一个明显的峰,此峰 值定义为脆性。
本实验采用TA.X2i型质构仪在室温下记录被测样品的质构谱图。复合凝胶样品高 度为30 mm,直径60 mm。使用P/0.5探头,测试前速率(探头接触样品前的行进速率) 为5.0 mm/s,测试速率(探头接触样品后的行进速率)1.0 mm/s,测试后速率(探头压 缩样品后的回调速率)与测试速率一致,压缩程度为50%,停留时间3.0 min,触发值 5.000 g。每组3个平行样品,取平均值,控制相对误差为±5%。
2.2.4.3KGM/XG复合凝胶的流变性能研究
KGM/XG复合凝胶的流变特性使用高级应变控制流变仪(RDAm,Reometric Scientific企业,美国)进行研宄测试。使用直径为25 mm的平板夹具,湿凝胶样品厚 度为2.0 mm。测试前,在样品表面涂上一薄层二甲基硅油,防止复合凝胶水分蒸发影 响结果精度。设定恒温动态频率扫描范围为0.1?100 rad/s,测量应变设定为1.0%,测试 温度分别为25 °C和37 °C。等频温度扫描过程中,频率值和初始应变分别设为10.0 rad/s 和1.0%,加热速率为1.0 °C/min。每组3个平行样品,取平均值,控制相对误差为±5%。
2.2.4.4KGM/XG复合凝胶在不同环境下的溶胀行为研究
根据表2-4配制不同pH值的缓冲溶液[114],用于考察不同环境下KGM/XG复合凝
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胶的溶胀行为。
表2-4不同pH值缓冲溶液的配方设计
Table 2-4 The Formula of buffer solutions with different pH
No.缓冲液pH缓冲液组成
S-1盐酸缓冲溶液1.0准确称取9 ml 36%盐酸于1000 ml容量
瓶中,加蒸馏水定容,摇匀。
S-2磷酸盐缓冲液2.0甲液:取磷酸17 ml,加水至1000 ml,
摇匀。乙液:取磷酸氢二钠71.600 g, 加水使溶解成1000 ml。取上述甲液73 ml与乙液28 ml混合,摇匀。
S-3醋酸一钠盐缓冲液3.0取冰醋酸50 ml,加水800 ml混合后, 用0.2 mol/ml氢氧化钠溶液调节pH值 至3.0,加蒸馏水稀释至1000 ml,摇匀。
S-4醋酸一钠盐缓冲液4.0取冰醋酸26 ml,加水800 ml混合后, 用 0.2 mol/ml 氢氧化钠溶液调节 pH 值 至4.0,加蒸馏水稀释至1000 ml,摇匀。
S-5磷酸盐缓冲液5.0取0.2 mol/L磷酸二氢钠溶液一定量,用 0.2 mol/ml氢氧化钠溶液液调节pH值至 5.0,加蒸馏水稀释至1000 ml,摇匀。
S-6醋酸一醋酸钠缓冲
液6.0取醋酸钠54.600g,加1.0mol/L醋酸溶 液20ml溶解后,加蒸馏水稀释至500ml。
S-7磷酸盐缓冲液7.0取磷酸二氢钾0.700 g,加0.1 mol/L氢
氧化钠溶液29 ml,加蒸馏水稀释至100 ml,摇匀。
S-8磷酸盐缓冲液8.0取磷酸氢二钾5.600 g与磷酸二氢钾 0.410 g,加1000 ml蒸馏水使溶解。
S-9硼酸一氯化钾缓冲 液9.0取硼酸3.090 g,加0.1 mol/L氯化钾溶 液500 ml使溶解,加蒸馏水稀释至 1000ml,摇匀。
S-10氯化铵缓冲液10.0取氯化铵5.400 g,加水20 ml溶解后,
再加蒸馏水稀释至100 ml,摇匀。
S-11磷酸盐缓冲液6.8取 0.2 mol/L 磷酸二氢钾溶液 250 ml , 加0.2 mol/L氢氧化钠溶液118 ml,加 二次去离子水稀释至1000 ml,摇匀。
S-12磷酸盐缓冲液7.4取磷酸二氢钾1.400g,加0.1mol/L氢氧 化钠溶液79ml,加蒸馏水稀释至200 ml
21
准确称取200 mg的KGM/XG复合干凝胶,使用200目的滤网包裹,置于一定pH 值的缓冲溶液中;每隔一定时间将滤网从溶液中取出,用滤纸吸去复合凝胶表面水分, 称重;根据式2-1即可计算该样品在这pH缓冲溶液中的溶胀比SR( Swelling Ratio, SR):
SR=(W2-WI)/WI(2-1)
式中:SR—一复合凝胶溶胀一段时间后的溶胀度
W1复合干凝胶的初始质量,g
W2复合干凝胶溶胀一段时间后的质量,g
2.3结果与讨论
2.3.1 KGM/XG复合凝胶的红外分析
用红外光谱法表征KGM、XG和不含药物的KGM/XG复合凝胶的化学结构,它们 的FTIR谱图如图2-2所示。图中,3437cm-1处出现的吸取峰是多糖分子中羟基-OH存 在分子间及分子内的氢键振动吸取造成的;波数位于1730 cm-1处为KGM和XG的羰基 和乙酰基振动吸取峰;位于2932cm-1的峰则是KGM、XG大分子主链中六元环的C-H 振动吸取峰;位于1240 cm-1和1450 cm-1处的峰则分别归因于C-O的伸缩振动峰和一 CH2-的振动吸取峰。
 
Wave number (cm-1)
图2-2葡甘聚糖、黄原胶和KGM/XG复合凝胶的红外谱图 Fig. 2-2 FTIR spectra of KGM, XG and KGM/XG plural gel
通过红外谱图,可以发现KGM和XG分子上含有丰富的羟基基团,这就从分子结
22 
构的角度说明了 KGM与XG通过氢键交联形成凝胶的机理。而对比原始KGM粉末和 XG 粉末,KGM/XG 复合凝胶的谱图中 3437 cm-1、2932 cm-1、2153 cm-1、1650 cm-1、 1450 cm-1和1026 cm-1处的吸取峰都要明显增强,这是由于KGM和XG通过协同作用
形成了三维网状结构的复合凝胶。
2.3.2KGM/XG复合凝胶的质构性能
根据2.2.4.2所述方法进行TPA测试,分别考察了表2-3中各个实验样品的硬度、 脆性、弹性和粘结性,TPA测试结果如图2-3和表2-5所示。为便于对复合凝胶的物性 测试数据有比较直观感知,同时测试了市场上常见的果冻,即8%海藻酸钠凝胶果冻的 TPA数据。
从图2-3和表2-5可以看出,固定KGM与XG的质量比为1 : 1时,复合凝胶的硬 度和脆性随着多糖浓度的增大显著增大,弹性和粘结性的影响则不明显。KGM:XG (wt : wt)分别为3 : 7和7 : 3的A-5和A-6样品的硬度和脆性均比1 : 1的A-3样品 有所减小。
表2-5不同组成的复合凝胶的TPA质构测试结果 Table 2-5 TPA characteristics of the KGM/XG plural gel with different compositions
复合凝胶的组成
No.多糖总浓度 (%)KGM : XG
(wt :wt)硬度/g脆性/g弹性粘结性
A-11:10.250.735.90.7660.584
A-21:10.5191.6109.80.7790.542
A-31: 11.0446.4159.21.0090.598
A-41: 12.0705.6218.71.0650.553
A-53: 71.0441.4119.81.0780.512
A-67: 31.0303.2137.51.0160.601
8%海藻酸钠果冻17.732.10.9770.257
A-1?A-4样品中,随着多糖浓度的增大,复合凝胶中多糖基质增多,凝胶强度增大, 导致测试结果中硬度和脆性随多糖浓度显著增大。另外,葡甘聚糖与黄原胶均为生物多 糖,其分子结构相似,二者通过氢键作用实现协同凝胶性。从化学计量的角度来说,当 KGM/XG质量比偏离1 : 1时,KGM与XG的大分子之间有可能“嵌合”不够完善, 协同效应受到抑制,从而使凝胶强度减弱,表现为测试结果中的硬度和脆性值降低。 
 
A-1(1: 1, 0.2%)
 
 
A-3(1: 1,1.0%)
 
A-4 (1: 1,2.0%)
 
 
A-6 (7: 3,1.0%)
A-5 (3: 7,1.0%)
 
 
8%海藻酸钠果冻
图2-3 KGM/XG复合凝胶TPA质构图 Fig. 2-3 Texture characteristics of KGM/XG plural gel in different composition 24
文献报道[92]葡甘聚糖和黄原胶在实际应用中作为一种良好的食品增稠剂与稳定剂, 两者形成的复合凝胶具有很高的粘度和物理机械性能,表2-5中与8%的海藻酸钠凝胶 果冻样品的对比结果也证明了这一点。
2.3.3KGM/XG复合凝胶的流变性能
2.3.2中的质构分析结果表明KGM/XG复合凝胶具有很高的硬度和凝胶强度,葡甘聚糖和黄原胶复合凝胶的性能及其作为药物载体的应用研究,为进 一步探索葡甘聚糖和黄原胶在形成凝胶过程中的协同作用,探讨KGM/XG复合凝胶用 作药物载体的可能性,就必须对其流变性能进行研宄,考察KGM/XG复合凝胶在外力 作用下的凝胶稳定性。
2.3.3.1多糖浓度对复合凝胶流变特性的影响
根据浓或亚浓高分子溶液动态粘弹行为的参数研宄理论,储存模量表征的是交联网 络的弹性,损耗模量则表征高分子链段间相互磨擦阻力[115, 116]。
1000
ed/ -0
100
0.2%
0.5%
1%
2%
0.2%
0.5%
1%
2%
10100 0.1110100
c〇 / rad/s-1« / rad/s-1
(a)
1 c(b)
1E-3
10
100
« / rad/s" (c)
图2-4不同多糖浓度的KGM/XG复合凝胶在25 °C下的流变性能 Fig. 2-4 Storage modulus G’(a),loss modulus G”(b) and loss factor tan 5 (c) for KGM/XG plural gel of different polysaccharide at 25 C
25 
图2-4 (a)、(b)和(c)分别表示不同多糖浓度的KGM/XG复合凝胶A-1?A-4的储能模 量G’、损耗模量G”和损耗角正切tan 5 (=G”/G’)对角频率ra的依赖关系。在实验观 察的角频率范围内(0.1-100 rad/s),G’和G”都几乎不具有频率依赖性,且始终有G’ > G” 和tan 5远低于1.0。由此可以说明,KGM和XG通过协同作用形成的复合凝胶为高强 度凝胶[117]。
随着多糖浓度的增加,储能模量和损耗模量相应增大。G’增幅远远大于G”,使得 tan 5在大部分角频率范围内随多糖浓度的增加而降低;当多糖浓度增加至2%时,tan 5 在0.1-100 rad/s范围内均小于0.1。由此表明,随着多糖浓度的增加,复合凝胶强度增强。 图2-4也从流变学角度说明了 2.3.2中KGM/XG复合凝胶的质构测试结果。综合成本和 凝胶强度两个方面考虑,以下实验应选择多糖总浓度为1 %作为实验条件。
rod/ -9
KGM
KGM
KGM
10
XG( wt XG( wt XG( wt
 
ed/ --0
 
▲ KGM:XG( wt: wt) = 1:
• KGM:XG( wt: wt) = 3:
■ KGM:XG( wt: wt) = 7:
100 0.1
10
100
2.3.3.2多糖比例对复合凝胶流变性能的影响
w / rad/s" (b)
« / rad/s"
(a)
0.01
KGM:XG( wt:wt) = 1:
KGM:XG( wt:wt) = 3:
1E-3KGM:
i ■ ■ . ■XG( wt
....i:wt) = 7:
01 110
100
w / rad/s"
(c)
图2-5不同多糖比例的KGM/XG复合凝胶在25 °C的流变性能 Fig. 2-5 Storage modulus G’(a), loss modulus G”(b) and loss factor tan 5 (c) for KGM/XG plural gel of different KGM/XG ratio at 25 C
26
固定总的多糖浓度为1%,改变KGM和XG的质量比,探讨KGM/XG质量比对复 合凝胶流变性能的影响,结果如图2-5所示。显然,复合凝胶的流变特性随角频率的变 化趋势与图2-4相似,G’也具有很小的频率依赖性,并且在实验观察的角频率范围内 (0.1-100 rad/s)内始终有G’ > G”。可见多糖比例对复合凝胶的流变特性影响不大。 KGM/XG质量比的不同导致复合凝胶的流变性能的差异在于当KGM/XG质量比偏离 1:1时,复合凝胶的储能模量小幅增大,而损耗模量并没有太大变化,导致tan S增 大。这有可能是因为葡甘聚糖和黄原胶分子间的“嵌合”程度不同而导致的复合凝胶强 度变化。因此,从流变学性质和凝胶强度的角度来看,制备KGM/XG复合凝胶的最佳 质量比为1 : 1。
2.3.3.3温度对复合凝胶流变性能的影响
在25?90〇C的温度范围内,通过等频温度扫描,考察了多糖浓度为1%,KGM和 XG的质量比为1 : 1的KGM/XG复合凝胶样品A-3的流变性能,测试结果如图2-6所 示。从图中可以看出,在所考察的温度范围内,A-3样品的流变特性对温度的依赖总体 上体现出三个明显不同的阶段。在25?60 〇C的温度区间,复合凝胶的储能模量、损耗 模量和损耗角正切都保持相对稳定;在随后的第二阶段(60?70 °C),复合凝胶的储能 模量显著降低并在约70 °C时保持相对稳定。由于此温度区间中损耗模量没有太大变化, 因此复合凝胶的损耗角正切随着温度的增大而显著提高,最大值达到1.100;在第三阶 段,即75?85 〇C,储存模量和损耗模量再度显著降低,并伴随着损耗角正切的变化而达 到一个相对低的稳定值。
复合凝胶这一流变特性表明KGM/XG复合凝胶为热可逆凝胶。在温度扫描的第一 阶段,复合凝胶在较低的温度下仍能保持高强度凝胶状物理状态,因此,复合凝胶的流 变性质并没有太大变化。在60?70 °C的温度扫描第二阶段,随着温度的升高,复合凝 胶中KGM和XG之间的氢键解离,协同作用减弱,流动性增强,实验用样品从凝胶状 向溶胶状转变。这一阶段也证明了 KGM/XG复合凝胶的凝胶转变温度为60?70 〇C。在 温度达到75 〇C时,此前一直保持相对稳定的损耗模量显著降低,在温度达到80 〇C时 储存模量也再度显著降低。因此,第三阶段储存模量和损耗模量的变化是黄原胶分子在 热处理过程中规整的相对较规整的双螺旋结构和无序的卷曲链结构间相互转变造成的 结果。由于黄原胶构象的变化,KGM与XG之间的氢键进一步解离,凝胶强度迅速降 低。
27
(32 X) 9 I
M/bb
 
30405060708090
T/V
图2-6 KGM/XG复合凝胶在不同温度下的流变特性 Fig. 2-6 Storage modulus G5, loss modulus G,J and loss factor tan 5 (X 102) of KGM/XG
plural gel at different temperature
2.3.4KGM/XG复合凝胶的溶胀行为
凝胶的溶胀行为与凝胶的性质、组成与外部溶液状况有关。而凝胶在不同外部条件 (pH值、温度等)下的溶胀行为的差异,影响着包埋于凝胶中的药物分子向外扩散的 速率[118,119]。因此,凝胶的溶胀行为对药物的释放行为有着重要的影响。
基于上述分析,探讨了 KGM/XG复合凝胶的组成、制备条件和释放环境对该体系 的溶胀特性的影响。
在25 °C下,通过各个复合凝胶样品在不同介质中的溶胀试验,可对比分析不同组 成复合凝胶在不同pH值的缓冲溶液中的溶胀行为,结果如图2-7所示。从图2-7(a)可 以看出,当固定KGM : XG (wt : wt) = 1 : 1时,在酸性环境下,不同多糖浓度复合凝 胶的溶胀均受到抑制;而随着pH值的增大,复合凝胶的平衡溶胀度明显增大,并在pH 值为6.0?7.0的较偏酸性的范围内达到最大值。在pH=8.0的偏碱性介质中,所有样品的 平衡溶胀度对比中性条件下基本保持平衡。
不同多糖浓度的复合干凝胶之间在溶胀特性上存在着明显的差异。在pH= 1.0和pH = 2.0的介质中,多糖浓度最大和最小的样品A-1和A-4的平衡溶胀度高于多糖浓度居 中的样品A-2和A-3;在pH>3.0的测试范围内,复合凝胶的平衡溶胀度随着多糖浓度 的增大而增大。多糖浓度为1.0%和2.0%的A-3和A-4样品的平衡溶胀度分别在pH= 6.0和pH=7.0的介质中达到最大值,分别为104.00和119.10,而在同一 pH介质中A-1 (多糖浓度为0.2%)平衡溶胀度的最大值仅为53.53。
28
这一溶胀特性与复合凝胶的pH敏感性和不同多糖浓度的复合凝胶间凝胶强度的不 一致有关。KGM为非离子型多糖,XG带有可离子化的弱酸基团,为阴离子型多糖[84], 因而两者通过协同作用形成的复合凝胶具有pH敏感性。在酸性较强的介质中,葡甘聚 糖和黄原胶间氢键作用加强,凝胶溶胀被抑制[120];而在偏碱性环境中,电荷间的静电 斥力作用使葡甘聚糖和黄原胶分子链构象更为舒展,复合凝胶溶胀行为增强。另外,黄 原胶中弱酸基团在离子化后有可迀移的反离子存在,在复合凝胶内外两侧产生渗透压, 使得外部溶剂在渗透压驱动下进入复合凝胶,其溶胀行为增强[121-123]。
随着复合凝胶多糖浓度的增加,平衡溶胀度SR增大。这是因为KGM和XG含量 的增多使复合凝胶中亲水性基团增多,凝胶溶胀度增大;而KGM与XG的协同作用使 复合凝胶强度随着多糖浓度的增大而增大,凝胶溶胀能力增强。
 
(a)
 
在pH较低时,多糖浓度较低的复合凝胶所含KGM、XG基质较少,葡甘聚糖和黄原胶复合凝胶的性能及其作为药物载体的应用研究,两者间氢键作 用更易受到酸性破坏而使外部溶剂进入凝胶。因此,pH=1时多糖浓度最小的A-1 (0.2 %)平衡溶胀度反而最大。
图2-7不同多糖浓度与多糖比例的KGM/XG复合凝胶在不同pH值下的平衡溶胀度 Fig. 2-7 Equilibrium weight swelling ratio SR of KGM/XG plural gel of different polysaccharide content (a) and KGM/XG ratio (b) in different pH
固定多糖浓度为1%,图2-7(b)中三个样品平衡溶胀度对pH值的依赖关系表现出与 图2-7(a)中相似的趋势。平衡溶胀度同样随着pH的增大而显著增大,并在pH为7.0时 达到最大值。在pH为1.0和2.0的酸性介质中,样品A-3、A-5和A-6的平衡溶胀度并 没有太大差别;当pH>3.0时,随着黄原胶用量的增加,复合凝胶平衡溶胀度增大。这 是因为XG含量的增大使复合凝胶中一COO-基团增多,pH值较高时静电斥力与凝胶内 外两侧反离子渗透压增大,复合凝胶pH响应性增大。因此,增加黄原胶的用量可明显
29 
增大KGM/XG复合凝胶在碱性环境下的平衡溶胀度。然而,从2.3.2和2.3.3.2中A-5
样品凝胶强度明显低于A-3的结果可以推断,尽管碱性条件下增加黄原胶的用量可增大 复合凝胶的平衡溶胀度,但是其在吸水溶胀后的凝胶强度相对较弱。
2.4本章小结
利用天然多糖KGM与XG在形成凝胶过程中的协同作用以及简单的包埋工艺,制 备了包埋尿素(Urea)、左旋多巴(L-Dopa)和4-氨基水杨酸(4-ASA)的KGM/XG复 合凝胶,通过复合凝胶的红外表征以及系统地考察不同组成的复合凝胶在不同温度和 pH值的质构性能、流变特性和溶胀行为,可以得出以下结论:
(1)复合凝胶的红外表征结果表明葡甘聚糖和黄原胶通过协同作用形成具有三维 网状结构的复合凝胶。
(2)质构测试和流变测试结果表明通过协同作用形成的KGM/XG复合凝胶具有较 大的硬度和脆性,为高强度凝胶。同时随着多糖浓度的增大,复合凝胶强度增大;当 KGM和XG的质量比偏离1 : 1时,大分子间“嵌合”不完善而致使复合凝胶强度下降。 流变特性研宄同时表明KGM/XG复合凝胶为热可逆凝胶,凝胶一溶胶转变温度为60?70
°C。
(3)KGM/XG复合凝胶的溶胀行为具有明显的pH敏感性。在pH<3.0的酸性条件 下,复合凝胶的溶胀受到限制;在pH>3.0的介质中,静电斥力和同离子渗透压使复合 凝胶溶胀行为增强,并在pH为6.0?8.0的中性和偏碱性范围内达到最大值。复合凝胶的 平衡溶胀度随着多糖浓度的增大而增大;适当XG的含量,可以增大复合凝胶的平衡溶 胀度,但凝胶强度则相应减弱。
(4)通过探讨不同多糖浓度、KGM和XG的质量比、温度、pH等条件对复合凝 胶强度和溶胀特性的影响,确定了用于载药体系的KGM/XG复合凝胶的较佳反应条件。 实验结果表明:多糖浓度为1%、KGM : XG (wt : wt) = 1 : 1时,复合凝胶具有相对 较强的凝胶强度,形成的三维网络结构能在一定压力和温度范围内保持相对稳定。
30
第三章载药的KGM/XG复合凝胶的制备及其基本性质研
3.1前言
第二章中研宄了 KGM/XG复合凝胶的结构、流变性能和溶胀特性,并初步得到了 作为药物载体的KGM/XG复合凝胶的较佳实验条件。本章基于KGM/XG复合凝胶良好 的溶胀特性,拟将尿素(Urea)、左旋多巴(L-DOPA)和4-氨基水杨酸(4-ASA)作为 模型药物,制得包埋药物的KGN/XG复合凝胶,考察其质构性能、流变性能和溶胀特 性。当KGM/XG复合凝胶包埋了药物之后,由于不同药物的化学结构的差异,载药的 复合凝胶的基本特性,如流变性能和溶胀特性等将发生不同的变化,这些变化将最终影 响复合凝胶的释放特性。
尿素是一种高浓度氮肥,直接施用往往由于在水溶液中溶解速度快而造成农作物吸 收不及[124]。因此,以KGM/XG作为载体包埋尿素,研宄开发相应的缓释/控释化肥,可 望为提高尿素的利用率和减少农业环境污染作出贡献。
左旋多巴为微溶性精神类药物,可用于治疗帕金森病。直接口服左旋多巴时往往由 于其过快的吸取会导致病人出现恶心、呕吐和排尿困难等不良反应[125]; 4-氨基水杨酸同 为微溶性药物,主要用于治疗溃疡性结肠炎,但由于水杨酸类口服药可被胃和小肠迅速 吸取,这样很难保证有足够量的药物到达结肠而起抗炎作用,同时吸取入体内的药物易 产生副作用[126,127]。基于以上分析,本章将制备包埋左旋多巴和4-氨基水杨酸的 KGM/XG复合凝胶,并研宄其质构性能、流变性能和溶胀特性,研宄小分子药物与复 合凝胶之间的相互作用,为复合凝胶的释放特性研宄提供实验依据。
3.2实验部分 3.2.1原料和试剂
实验中所用到的主要原料和试剂列于表3-1中。
31
0.01
VA
>▲
0.2%
0.5%
1%
2% 
Table 3-1表3-1主要原料与试剂
The raw materials and reagents used in the experiments
原料名称规格产地及生产厂家
葡苷聚糖(KGM)3ASF-0512海南多环保健品有限企业北海分企业
黄原胶(XG)食品级山东中轩股份有限企业
无水乙醇分析纯天津市富宇精细化工有限企业
二甲基硅油PMX200-500 化学纯烟台长信化工有限企业
36%盐酸分析纯广州化学试剂厂
磷酸二氢钠分析纯广州化学试剂厂
磷酸二氢钾分析纯广州化学试剂厂
氢氧化钠分析纯广州化学试剂厂
醋酸钠分析纯广州化学试剂厂
硼酸分析纯广州化学试剂厂
氯化铵分析纯广州化学试剂厂
3.2.2主要设备和仪器
实验中所用到的主要设备和仪器列于表3-2中。
表3-2主要设备与仪器
Table 3-2 The main equipments and instruments used in the experiments
设备名称型号规格生产厂家
磁力搅拌机KMO 2 basic 型广州仪科实验室技术有限企业
电子天平BS200S 型赛多利斯科学仪器(北京)有限企业
电热恒温真空干燥箱DZ60 型上海医疗器械七厂
紫外可见分光光度计UV-1700 型日本SHIMADZU企业
红外光谱仪FTS 3000Bio-Rad 企业
质构仪TA.X2i 型SMS 企业
雷磁精密pH计PHS-3C 型上海精密科学仪器有限企业
高级应变控制流变仪RDA m 型Reometric Scientific, USA
3.2.3载药的KGM/XG复合凝胶的制备
准确称取尿素(Urea)对照品5.000 g, 200 ml蒸馏水溶解,再准确定容至500 ml,
32 
则该尿素储备液浓度为10 mg/ml,室温下阴暗处保存。
精确称取左旋多巴(Levodopa,L-Dopa)对照品250 mg,使用0.01 mol/L的稀盐酸
水溶液溶解,再准确定容至1000 ml,摇匀,则该左旋多巴储备液浓度为250昭/ml, 3 °〇下阴暗处保存。
精确称取4-氨基水杨酸(4-Aminosalicylic acid,4-ASA)对照品250 mg,使用pH
= 1.0的盐酸溶液溶解,再准确定容至1000 ml,摇匀,则该4-氨基水杨酸储备液浓度为 250昭/ml,3 °C下阴暗处保存。
根据表3-3的设计,计算一定量的复合凝胶中各组分的用量;分别称取一定量的 KGM和XG置于50 ml烧杯中,以适量以上配制的尿素、左旋多巴、4-氨基水杨酸储备 液进行溶胀;室温下搅拌2h,使其充分混合溶胀;将混合溶胶置于80C水浴锅中加热2 h,再冷却至室温即制得相应的包埋药物的KGM/XG复合凝胶。
室温下加入无水乙醇使其脱水,用蒸馏水快速洗涤5?10次,并收集滤液;使用紫
外分光光度计测定洗液在400 nm、280 nm和299 nm处并不存在吸取,由此认为用于制
备包埋药物复合凝胶的溶胀液中所有尿素、左旋多巴分子和4-氨基水杨酸分子已均匀包 埋于复合凝胶中。
使用打孔器将复合凝胶样品切为直径为直径为10 mm,厚度为2 mm的圆柱片。均 匀铺在培养皿中,在40C下烘干至恒重,烘干后的样品为干凝胶。
表3-3载药的KGM/XG复合凝胶的组成设计 Table 3-3 The formula of composition of KGM/XG plural gel embedding different drugs
湿凝胶的组成单位重量多糖的载药量(mg/g)
No.多糖总浓度 (%)KGM
(wt:XG
;wt)尿素左旋多巴4-氨基水杨酸
B-10.211500000
B-20.511200000
B-31.011200000
B-42.01150000
C-11.011012.50
C-21.011025.00
C-31.01105000
D-11.0110012.5
D-21.0110025.0
D-31.01100500
3.2.4载药的KGM/XG复合凝胶的结构与基本性质表征
3.2.4.1质构测试
本章实验中,复合凝胶样品高度为30 mm,直径60 mm。采用TA.X2i型质构仪在 室温下记录被测样品的质构谱图。使用P/0.5探头,测试前速率为5.0 mm/s,测试速率 1.0 mm/s,测试后速率与测试速率一致,压缩程度为50%,停留时间3.0 min,触发值5.000 g。每组3个平行样品,取平均值,控制相对误差在±5%。
3.2.4.2KGM/XG复合凝胶的流变性能研究
KGM/XG复合凝胶的流变性能使用高级应变控制流变仪(RDAm,Reometric Scientific企业,美国)进行研宄测试。使用直径为25mm的平板夹具,湿凝胶样品厚度 为2.0 mm。测试前,在样品表面涂上一薄层二甲基硅油,防止复合凝胶水分蒸发影响 结果精度。设定恒温动态频率扫描范围为0.1?100 rad/s,测量应变设定为1.0%,B-1?B-4 的测试温度为25°C,C-1?C-3和D-1?D-3的测试温度则为37°C。等频温度扫描过程中, 频率值和初始应变分别设为10.0 rad/s和1.0%,加热速率为1.0 °C/min。每组3个平行 样品,取平均值,控制相对误差在±5%。
3.2.4.3KGM/XG复合凝胶溶胀行为研究
根据表2-4的设计配制不同pH值的缓冲溶液。用于考察载药的KGM/XG复合凝胶 的溶胀特性。
准确称取200 mg载药的KGM/XG复合干凝胶,使用200目的滤网包裹,置于一定 pH值的缓冲溶液中;每隔一定时间将滤网从溶液中取出,用滤纸吸去复合凝胶表面水 分,称重;根据2.2.4.4中式2-1即可计算该样品在这pH缓冲溶液中的溶胀比SRXSwelling Ratio, SR)。
以溶胀时间为横坐标,得到溶胀比一时间曲线,由此可分析样品在不同pH环境下 的溶胀动力学。当溶胀比不再随溶胀时间的延长而增加时,表明样品此时已达到溶胀平 衡,此时的样品即为平衡溶胀比,用SRe表示。
每组3个平行样品,取平均值,控制相对误差在±5%。
3.3结果与讨论
3.3.1载药的KGM/XG复合凝胶的质构性能
根据3.2.4.1所述方法进行TPA测试,分别考察了表3-3中各个实验样品的硬度、 脆性、弹性和粘结性,TPA测试结果如图3-1和表3-4所示,同时引入2.3.2中KGM/XG
34
 
(0.2%,5000 mg/g 尿素)
 
 
(2.0%
B-4
500 mg/g 尿素)
 
 
C-3
(1.0%, 500 mg/g L-Dopa)
 
 
C-5
(1.0%, 25.0 mg/g 4-ASA)
35
Fig. 3-1 Texture characteristics of KGM/XG plural gel embedding different drugs
包埋尿素的复合凝胶样品(B-1?B-4)的质构性能与同一多糖浓度和KGM/XG共混 比例的样品(A-1?A-4)相比并没有太大变化。单位重量多糖的左旋多巴载药量(以下 简称载药量)较小的C-1、C-2与载药量为0的A-3相比,发现随着载药量的增大,样 品的硬度和脆性均有所增大,但差别并不大;但是当载药量提高至500.0 mg/g时,发现 C-3的硬度比A-3样品大幅提高约50%。包埋4-氨基水杨酸的复合凝胶样品D-1、D-2
图3-1 KGM/XG复合凝胶TPA质构图
质量比为1 : 1的空白样品A-1?A-4作为对比。
和D-3的质构性能出现了类似的趋势。
表3-4载药的复合凝胶的TPA质构测试 Table 3-4 TPA characteristics of the KGM/XG plural gel embedding different drugs
复合凝胶的组成
No.多糖比例多糖浓度载药量硬度/g脆性/g弹性粘结性
(wt :wt)(%)(mg/g)
A-11:10.2050.735.90.7660.584
A-21:10.50191.6109.80.7790.542
A-31:11.00446.4159.21.0090.598
A-41:12.00705.6218.71.0650.553
B-11:10.2500051.036.10.7620.569
B-21:10.52000192.8111.20.7850.555
B-31:11.01000442.1160.30.9980.551
B-41:12.0500703.8212.51.0250.599
C-11:11.012.5453.2178.61.0650.587
C-21:11.025.0481.3172.91.0210.568
C-31:11.0500718.6209.41.0740.693
D-11:11.012.5462.1162.61.0140.549
D-21:11.025.0475.1172.21.0230.514
D-31:11.0500741.5196.21.0540.688
本研宄中使用的模型药物尿素水合作用好、溶解度大,且分子结构中不存在能与复 合凝胶形成氢键的活泼基团;而L-Dopa和4-ASA均为微溶性药物,分子中均带有活泼 的羟基基团,理论上能与KGM/XG分子对形成氢键作用,加大复合凝胶的交联密度,
36 
从而使复合凝胶强度增大。TPA的测试结果初步证明了这一点。
3.3.2载药的KGM/XG复合凝胶的流变性能
为进一步考证包埋小分子药物对复合凝胶结构和交联密度的影响,分别对表3-4中 的各个样品进行等温频率和等频温度扫描。
3.3.2.1载药量不同对复合凝胶流变性能的影响
KGM/XG质量比为1 : 1、不同多糖浓度的包埋尿素复合凝胶的流变性能测试结果
如图3-2所示。与图2-4相比,包埋尿素对复合凝胶的流变性能并没有太大影响,也从
流变学角度证明包埋尿素对复合凝胶的结构没有太大改变,这与2.3.2中的质构测试结
果相似。因此,以下实验中不再讨论包埋尿素的复合凝胶的流变性能和溶胀特性。
rod/ -9
▼ ▼▼▼▼▼▼▼ 卜▼▼▼▼▼▼▼100
as
CL▼ ▼▼▼▼▼▼▼▼▼ ▼▼
;▲b▲ ▲
2%, 500 mg/g 尿素102。/。, 500 mg/g 尿素
1%, 1000 mg/g 尿素1%, 1000 mg/g 尿素
■ . . ..... i . . i . • ■■■■■■
1000 800
0.02
p us
 
« / rad/s" (c)
10
600
101000.1110100
« / rad/s"1c〇 / rad/s"1
(a)(b)
0.1
0.08
100
0.1
图3-2不同尿素载药量的KGM/XG复合凝胶在25 °C的流变特性 Fig. 3-2 Storage modulus G’(a), loss modulus G”(b) and loss factor tan 5 (c) at 25 C for KGM/XG plural gel of different urea loading amount 选取多糖浓度为1%、KGM/XG质量比为1 : 1作为复合凝胶的组成条件,对包埋 L-Dopa和4-ASA的复合凝胶进行流变性能测试,结果如图3-3和图3-4所示。从图3-3
37 
华南理工大学硕士学位论文
(a)可以看出,L-Dopa的存在使复合凝胶的储能模量增大。而当L-Dopa载药量增大至 500.0 mg/g时,储能模量明显增大。如图3-4(a)所示,同样的现象出现在4-ASA载药量 为500.0 mg/g的D-3样品的流变行为中。
在3.3.1对复合凝胶质构性能的分析中,本研宄针对样品C-3和D-3硬度明显增大 的现象提出小分子药物有可能与KGM/XG分子对形成一定程度的氢键交联作用的假 设。图3-3和图3-4表明,从流变学的角度来看,适量L-Dopa和4-ASA的包埋的确使 复合凝胶强度增大,L-Dopa和4-ASA起到了“交联剂”的作用。然而,如图3-3 (b)(c) 和图3-4 (b) (c)所示,L-Dopa和4-ASA的存在并没有使复合凝胶的损耗模量和损耗角正 切有明显变化,因此,L-Dopa和4-ASA起到的氢键交联作用对于凝胶强度的改变是有 限的。
ed/ -o
' • ...... 1 ' ' ...... 1 • ' .......
•參參__ ■■馨■參* ■霉!
▲100
10' • ■■■■■■ 1 • ■ ...... 1 ' • '
▲ ▲ ▲ ▲ • • ■ 4 :::::
: :ro
〇_
£
0 mg/g L-DOPA1- ■
25.0 mg/g L-DOPA▲ 0 mg/g L-DOPA
500.0 mg/g L-DOPA• 25.0 mg/g L-DOPA
0.1■ 500.0 mg/g L-DOPA
« / rad/s"
(a)
w / rad/s- (b)
10
10
100
 
0.01
1E-3
 
▲ 0 mg/g L-DOPA • 25.0 mg/g L-DOPA ■500.0 mg/g L-DOPA .
10
图3-3 Fig. 3-3 Sto
38
不同L-Dopa载药量的KGM/XG复合凝胶在37〇C下的流变特性 rage modulus G’(a), loss modulus G”(b) and loss factor tan 5 (c) at 37 °C for KGM/XG plural gel of different L-Dopa loading amount
w / rad/s- (c)
100
100 
 
« / rad/s"
(a)
 
« / rad/s" (b)
1
1E-3
0.1
0.01
• • • • • ■ • ■ ■ 1• • ■ ■ ■ • • i • •
i A ▲
l M • % l l
■ ■ A Mt s - . i i 1 ;
▲ 0 mg/g 4-ASA
• 25.0 mg/g 4-ASA
. . ......i■ 500.0 mg/g 4-ASA
• . ■ i • .
0.1 1 10 100 c〇 / rad/s-1 (c)
 
图3-4不同4-ASA载药量的KGM/XG复合凝胶在37°C下的流变特性
Fig. 3-4 Storage modulus G’(a), loss modulus G”(b) and loss factor tan 5 (c) at 37 °C for
KGM/XG plural gel of different 4-ASA loading amount
3.3.2.2温度对包埋L-Dopa和4-ASA的KGM/XG复合凝胶流变特性的影卩向
进一步选用表3-3中样品C-3和D-3进行等频温度扫描,并将其储能模量与载药量 为0的A-3样品做对比,结果如图3-5所示。从图中可以看出,在实验所测的温度范围 内,载药量为500.0 mg/g的样品C-3和D-3的储能模量始终大于载药量为0的A-3样品, 再一次证明了 3.3.1和3.3.2.1中提出的L-Dopa和4-ASA对复合凝胶的氢键交联作用。 然而,从图3-5也可以看出,C-3和D-3的G’和G”同样具有3个温度依赖阶段。由此 可以说明,L-Dopa和4-ASA的包埋并没有显著改变复合凝胶随温度改变的流变性能。 而包埋L-Dopa和4-ASA复合凝胶流变特性的差别则可能是L-Dopa和4-ASA的分子量 和分子直径大小的差异导致复合凝胶的交联密度不一致所造成的。
39
1000
1
rod / -9 -9
 
(a)
1000
£/--0-0
 
(b)
图3-5不同载药量的KGM/XG复合凝胶在不同温度下的流变特性 Fig. 3-5 Storage modulus G5 and loss modulus G,5 of KGM/XG plural gel of different L-Dopa(a) and 4-ASA (b) loading amounts at different temperature
3.3.3载药的KGM/XG复合凝胶的溶胀行为
2.3.4中提到,凝胶的溶胀行为影响包埋其中的药物分子向外扩散的速率,从而影响 着药物的释放行为。另一方面,不同的药物和载药量对凝胶的溶胀行为又有着一定程度 的影响。因此,本文针对人体消化道内的pH变化,对载药量不同的包埋L-Dopa和4-ASA 的KGM/XG复合凝胶在不同介质中的溶胀比和溶胀动力学进行了研宄。
3.3.3.1载药量不同对KGM/XG复合凝胶的溶胀比的影响
考察表3-3中C-2、C-3、D-2和D-3在25°C下平衡溶胀度对pH值的依赖关系,并
与空白载药量的A-3作对比,研宄载药量对复合凝胶平衡溶胀度SR的影响,结果如图 3-6所示。可以看出,当复合凝胶中包埋有L-Dopa或4-ASA时,复合凝胶在pH较高时
40
的平衡溶胀度均有所下降。其中,载药量分别为500.0 mg/g的C-3、D-3在pH=8.0的 环境中平衡溶胀度明显低于载药量为25.0 mg/g的C-2、D-2。
 
图3-6载药量不同的KGM/XG复合凝胶样品在不同pH值下的平衡溶胀度 Fig. 3-6 Equilibrium weight swelling ratio SR of 1% KGM/XG plural gel with different
loading amount of L-Dopa in different pH
在3.3.1和3.3.2中对复合凝胶质构性能和流变特性的分析中,本研宄提出包埋于复 合凝胶中的小分子药物有可能与KGM/XG分子对形成一定程度的氢键交联作用的假 设,并利用3.3.2.1和3.3.2.2中的测试结果从流变学角度讨论了这一假设。图3-6的结 果也从复合凝胶的溶胀特性的角度证明了这一假设的现实存在性。当复合凝胶中包埋适 量的L-Dopa或4-ASA时,L-Dopa或4-ASA中的-OH基团能与已嵌合的KGM/XG分子 对中侧基形成分子内或分子间氢键作用,实际上起到了“交联剂”的作用。样品C-2、 C-3、D-2和D-3在同等条件下溶胀,复合凝胶中相对交联密度随着载药量的增大而提 高,其平衡溶胀度反而更低。
3.3.3.2载药量不同对KGM/XG复合凝胶的溶胀动力学的影响
图3-7是L-Dopa载药量为25.0 mg/g的复合凝胶在25〇C下,在不同pH值的缓冲溶 液中的溶胀动力学曲线。
从图中可以看出,在pH值分别为1.0、6.8和7.4的缓冲溶液中,不含L-DOPA的 A-3的溶胀速率和平衡溶胀度都比含有25.0 mg/g L-Dopa的C-2有所增大。在pH分别 为6.8和7.4的环境中,试样A-3和C-2达到溶胀平衡的时间均大约为100 min,可见,
L-Dopa的存在使复合凝胶相对交联密度增加,凝胶强度增大,因而降低了平衡溶胀度,
41 
但对复合凝胶的溶胀动力学影响不大。
在pH =1.0的缓冲溶液中,阴离子多糖凝胶pH敏感性与L-Dopa起到的氢键交联作 用使C-2试样的溶胀受到抑制,平衡溶胀度仅为9.97。由此可以说明,KGM/XG复合 凝胶可以避免包埋其中的适量药物在胃(pH=1.0)等上消化道中由于溶胀过快而导致的 药物爆释现象。
 
图3-7含25.0 mg/g L-Dopa的KGM/XG复合凝胶样品在25°C下,在不同pH值下的
平衡溶胀度
Fig. 3-7 Equilibrium weight swelling ratio SR of 1% KGM/XG plural gel with 25.0 mg/g
L-Dopa in different pH at 25°C
改变复合凝胶的溶胀温度为37°C,模拟复合凝胶在人体消化道中的溶胀行为,进 一步研宄复合凝胶的溶胀动力学,结果如图3-8所示。由图可见,37°C下复合凝胶在pH 分别为1.0、6.8、7.4时的平衡溶胀度与25°C下同等条件的复合凝胶相比均有所降低, 达到溶胀平衡所需时间更短。据文献报道,在一定范围内,随着温度的提升,魔芋葡甘 聚糖与黄原胶的脱水量和含水量都相应增加[128],从而导致复合凝胶溶胀速度的加快。 同时,KGM/XG复合凝胶为热可逆性凝胶,温度升高,复合凝胶流动性增强、粘度增 大,溶胀速率加快。然而,这样的差异并不明显,因为KGM/XG复合凝胶的凝胶一溶 胶转变温度范围为75 — 85C,因此,37C下复合凝胶的溶胀行为与25C下相比变化并 不明显。
42
 
图3-8含25.0 mg/g L-Dopa的KGM/XG复合凝胶样品在37°C下,在不同pH值下的
平衡溶胀度
Fig. 3-8 Equilibrium weight swelling ratio SR of 1% KGM/XG plural gel with different loading amount of L-Dopa in different pH at 37°C 将用于包埋的药物改为4-ASA,选取载药量同为25.0 mg/g的D-2,并与空白载药 量的A-3对比,研宄包埋4-ASA复合凝胶分别在25°C和37°C下的溶胀行为,结果如 图3-9和图3-10所示。从图中可以看出,D-2在pH为1.0的介质中溶胀速率和平衡溶 胀度都要比在pH=6.8和pH = 7.4的环境中明显降低。pH较低时A-3和D-2的平衡溶 胀度差别不大;但在pH = 6.8和pH = 7.4时,D-2的平衡溶胀度均小于同等pH值下的 A-3。由此也可以说明适量4-ASA的存在同样对复合凝胶起着“交联剂”的作用。对于 试样C-2和D-2,尽管平衡溶胀度有所不同,但它们达到溶胀平衡的时间大约都需要100 min。当溶胀实验温度从25°C增大到37°C后,D-2的溶胀特性并没有明显变化。
从A-3、C-2、D-2在pH分别为1.0、6.8、7.4的复合凝胶溶胀特性可以看出,复合 凝胶在酸性环境中平衡溶胀度较低,溶胀速率较慢;适量L-Dopa和4-ASA的交联作用 使复合凝胶在较偏酸性(pH>3.0)、中性和碱性环境中溶胀速率减慢,平衡溶胀度降低。 以上溶胀特性有利于KGM/XG复合凝胶在上消化道中抑制溶胀,从而抑制凝胶内药物 的扩散释放,而在结肠位置实现缓慢释放或控制释放。
43
 
图3-9含25.0 mg/g 4-ASA的KGM/XG复合凝胶样品在25°C下,在不同pH值下的平
衡溶胀度
Fig. 3-9 Equilibrium weight swelling ratio SR of 1% KGM/XG plural gel with 25.0 mg/g
4-ASA in different pH at 25°C
 
图3-10含25.0 mg/g 4-ASA的KGM/XG复合凝胶样品在37°C下,在不同pH值下的
平衡溶胀度
Fig. 3-10 Equilibrium weight swelling ratio SR of 1% KGM/XG plural gel with 25.0 mg/g
4-ASA in different pH at 37°C
3.4本章小结
本章研宄制备了包埋尿素(Urea)、左旋多巴(L-Dopa)和4-氨基水杨酸(4-ASA)
44 
的KGM/XG复合凝胶,系统地考察不同组成的复合凝胶在不同温度和pH值的质构性能、 流变性能和溶胀行为,可以得出以下结论:
(1)包埋尿素并没有改变复合凝胶的结构、凝胶强度和流变性能;而适量的L-Dopa 和4-ASA的包埋在复合凝胶中以氢键起着交联剂的作用,使复合凝胶的相对交联密度 增大,从而使复合凝胶的凝胶强度比同等条件下空白载药量的复合凝胶有所增大。
(2)载药量不同能显著影响复合凝胶的平衡溶胀度,但对相应的溶胀动力学则影 响不大。当L-Dopa和4-ASA的载药量增大至500 mg/g时,其在pH=7.0的平衡溶胀度 分别为56.77和58.02,比空白载药量的对照复合凝胶样品降低约一半。适量L-Dopa和 4-ASA的存在使复合凝胶相对交联密度增大,从而降低了复合凝胶的平衡溶胀度。所有 样品的复合凝胶在25°C和37°C下的溶胀动力学和平衡溶胀度并没有太大变化。
(3)当L-Dopa和4-ASA的载药量为25.0 mg/g时,复合凝胶的质构性能和流变性 能已有一定增强,而溶胀行为相应减弱,并能在pH=1.0的环境中抑制溶胀,从而有可 能抑制凝胶内药物的扩散释放,实现药物在结肠位置缓慢释放或控制释放。
45
第四章包埋尿素的KGM/XG复合凝胶的释放特性研究
4.1前言
尿素(Urea)是现今中国乃至发展中国家粮食生产中使用最广的化肥。据国家农业 局估计,2009年我国农业使用尿素量约为6700万吨。作为中性速效的有机态氮肥,尿 素在土壤中经过脲酶作用,水解成碳酸铵或碳酸氢铵后被作物吸取利用。然而,尿素在 水溶液中溶解速度快[124],养分迅速释放而导致农作物来不及吸取。同时,化肥生产的 高能耗与施用方法不恰当使尿素施入农田后的利用率一直维持在较低的水平。我国由此 而产生的氮肥年损失折合尿素高达1900多万吨[129]。如此高的损失率不仅带来了直接的 经济损失,而且未被作物吸取的尿素还会随着雨水进入生态链,严重污染环境。因此, 提高化肥的利用率,开发相应的缓释/控释化肥,已成为环保型农业研宄的一个十分重要 的课题。
包埋型肥料缓释剂制作工艺简单,成本较低。早期的硫包膜尿素、聚苯乙烯包膜尿 素等缓释肥料价格昂贵,在土壤中难以分解[130-133],应用受到很大限制。研宄开发来源 丰富、价格低廉、具有生物兼容性的天然高分子缓释/控释化肥载体材料,对于减少环境 负荷,研制环境友好型缓释/控释肥料是非常有意义的。
基于上述分析,本章利用了 KGM和XG的协同作用,制备包埋尿素的葡甘聚糖/ 黄原胶二元复配凝胶体系,并探讨凝胶组成、制备条件和释放环境对该体系的尿素释放 特性的影响。这一研宄可望为将KGM/XG二元复合凝胶作为化肥的载体,从而提高尿 素的利用率和达到较好的环保效应提供理论依据和新的研宄思路。
4.2实验部分 4.2.1原料和试剂
KGM/XG复合凝胶:根据3.2.3中方法制备。
无水乙醇,分析纯,天津市富宇精细化工有限企业。
邻苯二甲酸氢钾pH缓冲剂,分析纯,上海雷磁•创益仪器仪表有限企业有限企业。 氯化氨,分析纯,广州化学试剂厂。
氯化钠,分析纯,广东台山市粵侨试剂塑料有限企业。
对二甲氨基苯甲醛(DMAB),分析纯,上海润捷化学试剂有限企业。
尿素,分析纯,天津市福晨化学试剂厂。
甲醇,分析纯,广州市东红化工厂。
46
36%盐酸,分析纯,广州市东红化工厂。
4.2.2主要设备和仪器
磁力搅拌机,KMO 2 basic型,广州仪科实验室技术有限企业。
水浴振荡器,HZS-H型,哈尔滨市东联电子技术开发有限企业。
电热恒温真空干燥箱,DZ60型,上海医疗器械七厂。
紫外可见分光光度计,UV-1700型,日本SHIMADZU企业。
电子天平,BS200S型,赛多利斯科学仪器(北京)有限企业。
4.2.3尿素浓度的测定
4.2.3.1测定原理
根据埃利希反应,对二甲氨基苯甲醛(DMAB)能与尿素发生缩合反应,生成的对 二甲氨基苯甲醛脲为柠檬黄色化合物,其颜色的深浅与尿素含量成正比。反应可在室温 条件下进行,5 min后即可达到稳定。反应产物对紫外光在400 nm处有最大吸取。因此, 利用紫外分光光度计测定反应液在400 nm处的吸光度即可分析溶液中的尿素含量[134]。
根据上述尿素含量的测试分析原理,首先配制一系列已知尿素浓度的样品,使之与 一定浓度的DMAB显色液反应,从而测定并制作尿素的标准曲线。
4.2.3.2尿素溶液的配制
取6个50 ml的容量瓶,根据拟要配制的尿素溶液的浓度,分别加入适量浓度为 10mg/ml的尿素储备液,加入蒸馏水定容至50 ml,配制得到浓度分别为0.2 mg/ml、0.5 mg/ml、0.8 mg/ml、1.0 mg/ml、3.0 mg/ml、5.0 mg/ml 和 7.0 mg/ml 的尿素溶液,分别记 为标0.2、标0.5、标0.8、标1、标3、标5和标7。
4.2.3.3对二甲氨基苯甲醛(DMAB)显色液的配制
将1.600 gDMAB溶解于100 ml甲醇中,再加入10 ml浓度为36%的盐酸,即得到
所需要的DMAB显色液[134]。
4.2.3.4尿素标准曲线的测定与制作
准确汲取2 ml在3.2.3.2中所配制的尿素溶液于比色管中,加入2 ml pH 7.0的缓冲 溶液液和2 ml DMAB显色液,加入2 ml蒸馏水稀释,摇匀,放置10 min。以蒸馏水为
参比调零,在400 nm下进行测定,记录各浓度溶液的吸光度0)。
根据所测得的不同浓度的尿素溶液的吸光值便可建立如图1所示的尿素的标准曲 线。对这一标准曲线进行线性回归,得到如下的标准方程:
47 
Y=0.0621x 十 1.2819
系数R=0.9957。这表明在所测试的尿素浓^ fe测得的A值与尿素浓度具有良好线性相关 AB显色法测定未知溶液的尿素浓度。
(4-1)
度(0.1?7 mg/ml)
度。因此,利用这
u°uraqJOSCK
 
4.2.4包埋尿素的KGM
7.0)或相应pH值的缓冲 以50 r/min的速度振荡, 后补加2 ml水(pH 7.0)
积和pH值不变。测定上; 为:
1234567
Concentration mg/ml
图4-1尿素溶液的标准曲线 7ig. 4-1 The standard curve of urea solution
4/XG复合凝胶的释放特性的测定
胶样品分别置于6个500 ml的广口瓶中,各 溶液,瓶口密封以防溶液蒸发损失;将样品 记时;在预设的振荡时间t时,用移液管移 或相应pH值的缓冲溶液,以保证复合凝胶 清液中的尿素浓度,即尿素的累积浓度,则
加入150 ml水(pH
t置于恒温水浴中, 取上清液2 ml,然 释放体系的溶液体 尿素的累积释放率
:1〇〇°%
(4-2)
式中,累积释放
Mtt时间内上
尿素100 由于表2-3中所有复^ 中的均为定值。
〔率;
二清液中尿素的累积浓度;
%释放时上清液中的尿素浓度。
合凝胶样品均含有等量的尿素,故对本测试
而言,公式(4-2)
48
 
在基本方法和条件相同的情况下,改变恒温水浴的温度或介质的pH值,则可考察 温度或介质的pH值对包埋尿素的复合凝胶样品的释放行为的影响。选取两面平滑的 3mm厚的固化树脂样品,使用日本SHIMADZU企业的UV-1700型紫外可见分光光度计 在25 °C下,波长550nm处测试。
4.3结果与讨论
4.3.1尿素载药量对包埋尿素复合干凝胶的缓释行为的影响
图4-2是凝胶基质的多糖比例相同而单位重量多糖的尿素载药量(以下简称载药量) 不同的复合干凝胶在20°C下,在pH为7.0的水介质中的尿素累积释放率随释放时间而 变化的曲线。这4条曲线的变化趋势虽表现各异,总体上仍体现出三个明显不同的阶段。 在第一阶段,即尿素开始释放之初,累积释放率随时间显著上升,释放速率较快,且释 放速率随载药量的不同而有所不同。其中,载药量较多的样品A-7、A-8和A-9释放速 率明显地高于载药量较少的样品A-10,并在5?7 h后曲线趋平,即释放速率减缓,而 A-10在大约10 h后才达到此状态。在随后的第二阶段,4个样品的尿素累积释放率没 有明显地增加,甚至趋于停滞。在释放时间达24 h后,释放进入第三阶段,释放速率再 度加快,各样品均在约45 h后达到释放平衡。
不同载药量的复合干凝胶之间在释放特性上存在着明显的差异。同一时间段中,载 药量最多和最少的样品A-7和A-10的累积释放率较低,两者在50 h内的累积释放率均 未超过50°%;而载药量居中的样品A-8和A-9的累积释放率高,释放速率相对较快,在 50 h内的累积释放率均超过70°/〇。
这一释放特性与复合凝胶的凝胶强度和在释放试验过程中的溶胀行为有关。在释放 的初期,复合干凝胶样品在迅速吸水溶胀的同时,向外界不断地释放尿素分子;由于以 KGM/XG为基质的凝胶的吸水率非常大,故由此而导致的介质减少不可忽略。因此, 在这一阶段,对外部溶液而言,溶质尿素在增加而溶剂在减小,使得尿素浓度不断上升, 累积释放率增加较快,释放速率较高。在释放的第二阶段,介质中的尿素已达到一定的 浓度,于是复合凝胶在释放尿素的同时也从溶液中持续包埋尿素溶液,两者的作用达到 平衡而使得尿素累积释放率保持平稳。在释放时间达24 h后的第三阶段,观察到4个样 品均出现了不同程度的崩解现象,原本冻胶状复合凝胶崩解为小颗粒,这有利于尿素分 子从凝胶内释出,故尿素累积释放率明显增加;至于各样品的累积释放率和释放速率的 差异则很可能是由于不同载药量的复合干凝胶在水介质中溶胀后的凝胶强度不同的缘
49
故。根据上述分析,不同载药量的包埋尿素的复合干凝胶在水介质中的尿素的释放行为 大致分为三个阶段:在开始释放的初期,尿素的释放由多糖复合凝胶的溶胀行为所控制; 在中期则是尿素的释放与包埋达到平衡的阶段;在后期,尿素的释放主要由复合凝胶的 崩解所致。
 
01020304050
Release Time/h
图4-2载药量不同的包埋尿素的复合干凝胶样品在20〇C,水介质(pH 7.0)中的释放
行为
Fig. 4-2 The release behavior of the dry plural gel samples embedding urea with different drug-loading amounts in water (pH 7.0) at 20 °C
90
80 70
60
zr,
S
50 40
30
8
20 10 0
4.3.2多糖比例对包埋尿素的复合干凝胶的缓释行为的影响
图4-3反映了载药量相同而多糖KGM/XG的质量比不同的复合干凝胶在20°C下, 在pH为7.0的水介质中的尿素释放行为。显然,尿素的累积释放率随释放时间的变化 趋势与图2相似,也具有三个释放阶段的特征,并且在释放后期表现出来的最终累积释 放率差别并不大。KGM/XG质量比的不同导致载药复合干凝胶在水中的尿素释放行为 的差异在于:当KGM/XG质量比偏离1:1时,尿素的累积释放率在释放的第一、二阶 段要稍高一些,且凝胶进入释放的第三阶段,即崩解阶段的时间提前至大约30 h。这可 能是由于在KGM/XG质量比偏离1: 1时,复合干凝胶在溶胀过程中,KGM与XG的大 分子之间的“嵌合”不够完善,协同效应受到抑制,从而使溶胀后的凝胶强度相对较弱 的缘故。
50
0/°'/3sra-3^3All-nmn°°v
 
Release Time/h
图4-3 KGM与XG的质量比对包埋尿素的复合干凝胶在20°C,水介质(pH 7.0)中的
释放行为的影响
Fig. 4-3 The effect of the mass ratio of KGM to XG on the release behavior of the dry plural gel samples embedding urea in water (pH 7.0) at 20 °C
 
4.3.3温度对包埋尿素的复合干凝胶的缓释行为的影响
图4-4温度对包埋尿素的复合凝胶A-9在水介质(pH 7.0)中的释放行为的影响 Fig. 4-4 The effect of temperatures on the release behavior of the dry plural gel sample A-9
in water (pH 7.0)
以凝胶基质的多糖比例为1:1,载药量为1.0 g/g的复合干凝胶A-9为研究对象,探 讨了温度对其在pH为7.0的水介质中的释放行为的影响,结果如图4-4所示。从图中 可以看出,温度并未对尿素的累积释放率随释放时间的变化趋势产生影响,各曲线仍具
51 
有三个释放阶段的特征;然而,随着温度的升高,尿素的累积释放量增加且释放速率有 所增大,温度的升高使复合凝胶提前至22 h就进入崩解阶段,并使崩解加速,尿素的累 积释放率随之而大大增加。在40°C下,复合凝胶最终的尿素累积释放率接近90%。
4.3.4pH值对包埋尿素的复合干凝胶的缓释行为的影响
0
o o o o c 0 8 6 4 0
o/°/usra-uciuAi3ra--nmnoov
 
01020304050
Release Time / h
在不同pH值的水溶液介质中,包埋尿素的复合干凝胶样品A-9在20C下的尿素累 积释放率随释放时间而变化的曲线如图4-5所示。图中的曲线表明,过酸和过碱的环境 都能明显影响复合凝胶的尿素累积释放率。与pH 7.0的释放行为相比,在pH为6.0的 弱酸性条件下,尿素累积释放率和释放速率均有所增大,但释放50 h的尿素累积释放率 明显降低;在pH <6.0的酸性条件下,尿素的释放受到极大的抑制,尿素累积释放率随 时间缓慢增加,pH 2.0时50 h的尿素累积释放率仅为11.8%,释放曲线未呈现如pH 7.0 时的三个释放阶段特征;在pH > 7.0的碱性条件下,在50 h的释放过程中,尿素的释放 速率加快,累积释放率明显增大。
图4-5介质的pH值对包埋尿素的复合凝胶A-9在20°C时的释放行为的影响 Fig. 4-5 The effect of the pH values of buffer solutions on the release behavior of the dry
plural gel sample A-9 at 20 °C
介质的pH值对复合凝胶的释放行为的影响与凝胶在不同介质中的溶胀行为和结构 变化密切相关。如2.3.4.1中所述,葡甘聚糖为非离子型多糖,黄原胶分子中则带有可离 子化的弱酸基团[84],因而两者通过协同作用形成的复合凝胶具有pH敏感性。在酸性较 强的介质中,复合凝胶溶胀被抑制,使复合凝胶在相对长时间内保持稳定,尿素难以在 复合凝胶内部通过扩散释放;而在碱性条件下,电荷间的静电斥力作用使葡甘聚糖和黄
52
原胶分子链构象更为舒展,复合凝胶溶胀行为增强。另外,黄原胶中的弱酸基团在离子 化后,溶液介质中有大量可迀移的反离子存在,在复合凝胶内外两侧产生渗透压,使得 外部溶剂在渗透压驱动下进入复合凝胶,其溶胀行为增强[121-123],致使尿素释药速度加 快,累积释放率增大;随着溶胀趋于平衡,凝胶强度减小,OH^的存在加速破坏了葡甘 聚糖与黄原胶的协同作用,使凝胶加速崩解,尿素释放加快,且曲线中没有明显的相对 平衡阶段。因此,在较偏酸性的条件下,包埋尿素的复合凝胶能够在相对长的时间内实 现缓释。
4.4本章小结
利用天然多糖KGM与XG在形成凝胶过程中的协同作用以及简单的包埋尿素工艺, 制备了包埋尿素的KGM/XG复合凝胶,通过系统地考察不同组成的复合凝胶在不同温度 和pH值的水介质中尿素的释放特性,可以得出以下结论:
(1)不同载药量或不同KGM/XG质量比的包埋尿素的复合干凝胶在中性水介质中 的尿素的释放行为可大致分为三个阶段:在开始释放的初期,尿素的释放由复合凝胶的 溶胀行为所控制,此时累积释放率随时间显著上升,释放速率较快;在第二阶段,尿素 的释放与包埋达到基本平衡,此间尿素的累积释放率没有明显地增加,甚至趋于停滞; 在第三阶段,尿素的释放主要由复合凝胶的崩解所致,释放速率再度加快,并在一定时 间后达到释放平衡。各阶段的持续时间与复合凝胶的组成和介质的温度有关。
(2)在温度20?40°C之间,复合干凝胶在中性水介质中的尿素累积释放率和释放 速率均随温度的升高而有所增加;温度的升高会加速复合凝胶的崩解。
(3)包埋尿素的复合凝胶的释放行为具有明显的pH敏感性。与pH 7.0的释放行 为相比,在碱性条件下,在50 h的释放过程中,尿素的释放速率加快,累积释放率明显 增大;在pH <6.0的酸性条件下,尿素的释放受到极大的抑制,尿素累积释放率随时间 缓慢增加,pH 2.0时50 h的尿素累积释放率仅为11.8%,释放曲线未呈现如pH 7.0时的 三个释放阶段特征。因此,在较偏酸性的条件下,尿素释放受到抑制,复合凝胶能够在 相对长的时间内实现缓释。
53
第五章用于结肠给药的KGM/XG复合凝胶的释放特性研
5.1前言
结肠部位含有丰富的有益菌,微生物系多达400多种,除了小肠已有的种类外,还 有大肠杆菌和厌氧菌存在,它们产生偶氮还原酶、糖苷酶和多糖酶等。因此,在人的消 化道中,结肠部分是蛋白质和多肽药物的最佳吸取场所。
利用结肠部位的特殊酶系和pH特点设计包埋小分子药物的缓/控释体系,避免药物 在上消化道中大量释放,使载体到达结肠后达到最大溶胀或载体降解,药物得到最大释 放。这样的载药体系能避免“首过效应”带来的爆释现象,并且能针对特定药物的设计 达到靶位给药的效果。
在前面的研宄中,大家提到KGM在经过人体上消化道时不会被存在于胃及小肠的 酶所降解,只有当到达结肠部位后,才能被结肠中的甘露糖酶降解;另一方面,同 为安全无毒的天然多糖XG也被发现不能被人体消化道内的消化酶所降解。利用这些特 性,将KGM/XG复合凝胶开发为结肠给药体系具有无可比拟的优势。
左旋多巴(Levodopa,L-Dopa)为拟多巴胺类抗帕金森病的重要药物,是体内合成 多巴胺的前体物质,本身并无药理活性,通过血脑屏障进入中枢,经多巴脱羧酶作用转 化成多巴胺而发挥药理作用,改善帕金森病症状。左旋多巴在人体血液中的有效浓度值 为25 — 85 pg/ml[125],葡甘聚糖和黄原胶复合凝胶的性能及其作为药物载体的应用研究,一般在口服后后1?2小时血药浓度达峰值,该药口服后广泛分布 于体内各组织,1%进入中枢转化成多巴胺而发挥作用,其余大部分均在脑外代谢脱羧 成多巴胺,故起效缓慢,半衰期(t1/2)为1?3小时。然而,口服左旋多巴药物大部分在 胃和小肠部位被大量吸取和转化,过快的吸取速度会导致恶心、呕吐、直立性低血压、 五官和身体上部的异常不随意运动、精神抑郁、排尿困难等不良反应[125]。根据药物在 结肠位置转运时间最长(24—48 h)的特点,若能将L-Dopa/KGM/XG复合凝胶设计为 菌群触发型结肠给药体系,尽可能减少左旋多巴在结肠前释放,并保证在结肠部位稳定 缓慢释放,则能减少左旋多巴过快释放所带来的“首过效应”,降低药物的毒副作用, 达到缓释效果。
4-氨基水杨酸(4- aminosalicylic acid, 4-ASA)是一种可大剂量用于治疗结核病的较 安全的药物,为5-ASA的同分异构体。与5-ASA相比,4-ASA价格远低于5-ASA,用
于治疗溃疡性结肠炎时比5-ASA更为稳定,不良反应更低,病人的耐受性较好[135]。ASA
54 
类药物在人体内的血药浓度有效值为40 — 60昭/ml[126]。由于ASA类口服药可被胃和小 肠迅速吸取并达到血药浓度峰值,这样很难保证有足够量的药物到达结肠而起抗炎作 用,同时吸取入体内的药物易产生副作用[127]。
O=
 
 
在本章中,将选取优化的复合凝胶组成条件(多糖总浓度为1%,KGM与XG质量 比为1:1),以左旋多巴和4-氨基水杨酸作为模型药物,探讨复合凝胶用于口服结肠给 药系统的可能性以及相应的释放动力学。图5-1表示左旋多巴和4-氨基水杨酸的化学式。
左旋多巴4-氨基水杨酸
Levodopa4- aminosalicylic acid
图5-1左旋多巴和4-氨基水杨酸的分子结构图 Fig. 5-1 Molecular structure of Laevodopa and 4-aminosalicylic acid
5.2实验部分 5.2.1原料与试剂
KGM/XG复合凝胶:按照3.2.3中的方法与参数制备。
左旋多巴(L-Dopa): BR购自上海晶纯试剂有限企业。
4-氨基水杨酸(4-ASA):纯度98%〇 ,购自Sigma企业。
盐酸:36%,分析纯,广州化学试剂厂。
无水乙醇,分析纯,天津市富宇精细化工有限企业。
邻苯二甲酸氢钾pH缓冲剂,分析纯,上海雷磁•创益仪器仪表有限企业有限企业。 氯化氨,分析纯,广州化学试剂厂。
氯化钠,分析纯,广东台山市粵侨试剂塑料有限企业。
5.2.2主要设备和仪器
水浴振荡器:HZS-H型,哈尔滨市东联电子技术开发有限企业。
雷磁精密pH计:pHS-3C型,上海精密科学仪器有限企业。
傅立叶变换红外光谱仪:FTS 3000型,Bio-Rad企业。
磁力搅拌机:KMO 2 basic型,广州仪科实验室技术有限企业。
55
电热恒温真空干燥箱:DZ60型,上海医疗器械七厂。
紫外可见分光光度计:UV-1700型,日本SHIMADZU企业。
电子天平:BS200S型,赛多利斯科学仪器(北京)有限企业。
5.2.3载药的KGM/XG复合凝胶的体外释放实验
为了考察所制备的复合凝胶给药体系的释放行为以及pH敏感特性,本章采用模拟 体外释放环境的方法,测量给药体系的体外释放曲线,考察不同载药量的 L-Dopa/KGM/XG复合凝胶和4-ASA/KGM/XG复合凝胶在不同pH和温度下的释放特
性。
5.2.3.1人工胃液和人工肠液的配制[136]
人工胃液:准确移取8.52 ml 36°%盐酸于1L容量瓶中,用二次去离子水定容。
人工肠液:磷酸盐缓冲液(pH 6.8):取0.2 mol/L磷酸二氢钾溶液250 ml,加0.2 mol/L 氢氧化钠溶液118 ml,用二次去离子水稀释至1000 ml;摇匀。
磷酸盐缓冲液(pH 7.4):取磷酸二氢钾1.36 g,加0.1 mol/L氢氧化钠溶液79 ml,用
二次去离子水稀释至200 ml;摇匀。
5.2.3.2左旋多巴标准曲线的制作
(a)pH 1.0介质中的L-Dopa标准曲线
精确称取L-Dopa对照品250.0 mg,用适量pH = 1.0的盐酸溶解,定容至1000 ml, 摇匀,则该L-Dopa储备液浓度为250 pg/ml,室温下阴暗处保存。
取14个50 ml的容量瓶,根据拟要配制的L-Dopa溶液的浓度,分别加入适量浓度 为250昭/ml的L-Dopa储备液,加入pH = 1.0的盐酸定容至50 ml,配制得到浓度分别 为 5.0 pg/ml、10.0 pg/ml、15.0 pg/ml、20.0 pg/ml、25.0 pg/ml、30.0 pg/ml 和 35.0 pg/ml、 40.0 pg/ml、45.0 pg/ml、50.0 pg/ml、60.0 pg/ml、70.0 pg/ml、80.0 pg/ml 和 90.0 pg/ml 的L-Dopa溶液。以pH = 1.0的盐酸作空白对照,在L-Dopa的最大吸取波长280 nm处 测定吸取值。以吸取值(A)对浓度(C)作图并线性回归,得溶剂为盐酸溶液的标准曲线 如图5-2所示。对这一标准曲线进行线性回归,得到如下的标准方程:
Y=0.01443x+0.0736 (pH=1.0)(5 — 1)
精确称取L-Dopa对照品250.0 mg,用适量pH = 6.8的磷酸盐缓冲溶液溶解,定容 至1000 ml,摇匀,则该L-DOPA储备液浓度为250 pg/ml,室温下阴暗处保存。
(b)pH 6.8介质中的L-Dopa标准曲线
56
精确称取L-Dopa对照品250.0 mg,用适量pH = 6.8的磷酸盐缓冲溶液溶解,定容 至1000 ml,摇匀,则该L-Dopa储备液浓度为250 pg/ml,室温下阴暗处保存。
采取与以上(a)中同样的容量瓶和浓度,加入pH = 6.8的磷酸盐缓冲溶液分别定 容至50 ml,以pH = 6.8的磷酸盐缓冲溶液作空白对照,制得pH 6.8介质中的L-Dopa 标准曲线如图5-3所示。对这一标准曲线进行线性回归,得到如下的标准方程:
Y=0.01385x+0.03291 (pH=6.8)(5—2)
(c)pH 7.4介质中的L-Dopa标准曲线
精确称取L-Dopa对照品250.0 mg,用适量pH = 7.4的磷酸盐缓冲溶液溶解,定容 至1000 ml,摇匀,则该L-Dopa储备液浓度为250 pg/ml,室温下阴暗处保存。
采取与以上(a)中同样的容量瓶和浓度,加入pH = 7.4的磷酸盐缓冲溶液分别定 容至50 ml,以pH = 7.4的磷酸盐缓冲溶液作空白对照,制得pH 7.4介质中的L-Dopa 标准曲线如图5-4所示。对这一标准曲线进行线性回归,得到如下的标准方程:
Y=0.01441x+0.00928 (pH=7.4)(5 — 3)
(5 —1)、(5—2)和(5 —3)的线性相关系数 R=0.9991、R=0.9994 和 R=0.9994。 这表明在所测试的L-DOPA浓度(5.0?90.0 mg/ml)范围内,A值与L-Dopa浓度具有良 好线性相关度。因此,利用这一标准曲线,可以测定未知溶液的L-Dopa浓度。 
sou^qjo^qv
 
20
40
60
80
 
Concentration of L-Dopa (u g/ml)
图5-2 L-Dopa在pH=1.0的盐酸溶液中的标准曲线 Fig. 5-2 The standard curve of L-Dopa in pH 1.0 hydrochloric acid 57
0.2 0.0
3°uraqJ0sqv
 
020406080
Concentration of L-Dopa (u g/ml)
SOUBqJO'-'qv
 
020406080
Concentration of L-Dopa (u g/ml)
图5-3 L-Dopa在pH=6.8的磷酸盐缓冲溶液中的标准曲线 Fig. 5-3 The standard curve of L-Dopa in pH 6.8 phosphate buffer
图5-4 L-Dopa在pH=7.4的磷酸盐缓冲溶液中的标准曲线 Fig.5-4 The standard curve of L-Dopa in pH 7.4 phosphate buffer
5.2.3.3 4-ASA标准曲线的绘制
(a)pH 1.0介质中的4-ASA标准曲线
精确称取4-ASA对照品250.0 mg,用适量pH = 1.0的盐酸溶解,定容至1000 ml, 摇匀,则该4-ASA储备液浓度为250 pg/ml,室温下阴暗处保存。
取12个50 ml的容量瓶,根据拟要配制的L-DOPA溶液的浓度,分别加入适量浓 度为250 pg/ml的4-ASA储备液,加入pH = 1.0的盐酸定容至50 ml,配制得到浓度分 别为 5.0 pg/ml、10.0 pg/ml、15.0 pg/ml、20.0 pg/ml、25.0 pg/ml、30.0 pg/ml 和 35.0 pg/ml、 40.0 pg/ml、45.0 pg/ml、50.0 pg/ml、60.0 pg/ml 和 70.0 pg/ml 的 4-ASA 溶液。以 pH = 1.0
58 
的盐酸作空白对照,在4-ASA的最大吸取波长299 nm处测定吸取值[137]。以吸取值(A)对 浓度(C)作图并线性回归,得溶剂为盐酸溶液的标准曲线如图5-5所示。对这一标准曲 线进行线性回归,得到如下的标准方程:
Y=0.05798x-0.00973 (pH=1.0)(5—4)
(b)pH 6.8介质中的4-ASA标准曲线
精确称取4-ASA对照品250.0 mg,用适量pH = 6.8的磷酸盐缓冲溶液溶解,定容 至1000 ml,摇匀,则该4-ASA储备液浓度为250昭/ml,室温下阴暗处保存。
采取与以上(a)中同样的容量瓶和浓度,加入pH = 6.8的磷酸盐缓冲溶液分别定 容至50 ml,以pH = 6.8的磷酸盐缓冲溶液作空白对照,制得pH 6.8介质中的4-ASA 标准曲线如图5-6所示。对这一标准曲线进行线性回归,得到如下的标准方程:
Y=0.09302x+0.0568 (pH=6.8)(5 — 5)
(c)pH 7.4介质中的4-ASA标准曲线
精确称取4-ASA对照品250.0 mg,用适量pH =7.4的磷酸盐缓冲溶液溶解,定容至 1000 ml,摇匀,则该4-ASA储备液浓度为250昭/ml,室温下阴暗处保存。
采取与以上(a)中同样的容量瓶和浓度,加入pH = 7.4的磷酸盐缓冲溶液分别定 容至50 ml,以pH = 7.4的磷酸盐缓冲溶液作空白对照,制得pH 7.4介质中的4-ASA 标准曲线如图5-7所示。对这一标准曲线进行线性回归,得到如下的标准方程:
Y=0.10742x+0.0056 (pH=7.4)(5 — 6) 
3°uraqJ0sqv
 
010203040506070
Concentration of 4-ASA ( U g/ml)
图5-5 4-ASA在pH=1.0的盐酸溶液中的标准曲线 Fig. 5-5 The standard curve of 4-ASA in pH 1.0 hydrochloric acid
59
 
0
3°UBqJ0sqv
 
010203040506070
Concentration of 4-ASA ( U g/ml)
 
图5-6 4-ASA在pH=6.8缓冲溶液中的标准曲线 Fig. 5-6 The standard curve of 4-ASA in pH 6.8 phosphate buffer
3°uraqJ0sqv
 
010203040506070
Concentration of 4-ASA ( U g/ml)
7
0
图5-7 4-ASA在pH=7.4缓冲溶液中的标准曲线 Fig. 5-7 The standard curve of 4-ASA in pH 7.4 phosphate buffer
(5—4)、(5 —5)和(5 —6)的线性相关系数 R=0.9997、R=0.9995 和 R=0.9997。 这表明在所测试的4-ASA浓度(5.0?70.0 mg/ml)范围内,A值与4-ASA浓度具有良好 线性相关度。因此,利用这一标准曲线,可以测定未知溶液的4-ASA浓度。
5.2.3.4载药体系的体外释放试验与结果的表达
参考中国药典2000年版的附录XD所描述的释放度测定法中的第二法,用转篮法 对载药的KGM/XG复合凝胶样品在不同介质中的体外释放特性进行测定。具体方法是: 将自制的载有L-Dopa或4-ASA的C-2和D-2分别置于各转篮中,加入pH值分别为1.0、 6.8和7.4的缓冲溶液介质,温度为37°C,转速为100 r/min-1仪器运转,每隔一定时间
60
取点,样品经0.8 pm微孔滤膜滤过,C-2于280 nm波长处测定吸取度,D-2于298 nm
波长处测定吸取度。
根据5.2.3.2和5.2.3.3中相应的标准曲线计算上清液中的药物浓度,即药物的累积 浓度,则药物的累积释放率为:
(5-7)
:100〇/。
式中,AR累积释放率;
Mtt时间内上清液中药物的累积浓度;
M„——药物100%释放时上清液中的药物浓度。
由于本实验中使用的所有复合凝胶样品均含有等量的小分子药物(25.0 mg/g),故 对本测试而言,公式(5-7)中的M„均为定值。
在基本方法和条件相同的情况下,改变恒温(37°C)水浴中介质的pH值,则可考 察介质的pH值对包埋小分子药物的复合凝胶样品的释放行为的影响。
5.3结果与讨论
5.3.1包埋左旋多巴的KGM/XG复合凝胶的释药特性 5.3.1.1 pH值对包埋左旋多巴的KGM/XG复合凝胶的释药行为的影卩向
在不同pH值的缓冲溶液介质中,包埋L-Dopa的复合凝胶样品C-2在37C下的 L-Dopa累积释放率随释放时间而变化的曲线如图5-8所示。这3条曲线的变化趋势虽表 现各异,总体上仍体现出两个明显不同的阶段。在第一阶段,即L-Dopa开始释放之初, 累积释放率随时间显著上升,释放速率较快。其中,在pH为1.0的环境中,样品C-2 的L-Dopa释放在2 h后曲线趋平,即释放速率减缓,而C-2在pH为6.8和7.4的环境 下在大约7 h后才达到此状态。在随后的第二阶段,所有测试样品的L-Dopa累积释放 率增加趋于平缓。
对比图中同一样品在不同pH介质中的释放曲线,可以清楚的看出pH环境能明显 影响复合凝胶的L-Dopa累积释放率。与pH 6.8和pH 7.4的释放行为相比,在pH为1.0 的弱酸性条件模拟人体胃液的pH环境的介质中,L-Dopa的释放速率很慢,释放3 h内 累积释放率仅为13.21 %,葡甘聚糖和黄原胶复合凝胶的性能及其作为药物载体的应用研究,24 h内的累积释放率为23.91 %;而在pH为6.8和7.4的模拟 肠液的pH环境的介质中,L-Dopa的释放速率均有所增大,3 h内的累积释放率分别为 36.74%和45.35%,24 h内的累积释放率则分别为53.53%和76.62%。
这一释放特性与复合凝胶的凝胶强度和在释放试验过程中的溶胀行为有关。2.3.4
61
中已经论证了 KGM/XG复合凝胶的pH敏感性。在酸性环境中,凝胶溶胀被抑制,L-Dopa 难以在复合凝胶内部通过扩散机制释放;而在碱性条件下,反离子渗透压,使得复合凝 胶的溶胀行为增强。在释放初期的5h内,复合干凝胶样品在迅速吸水溶胀的同时,向 外界不断地释放L-Dopa分子;由于以KGM/XG为基质的凝胶的吸水率非常大,故由此 而导致的凝胶外部的介质的减少不可忽略。因此,在这一阶段,对外部溶液而言,溶质 L-Dopa在增加而溶剂在减小,使得L-Dopa浓度不断上升,累积释放率增加较快,释放 速率较高。在释放的第二阶段,介质中的L-Dopa已达到一定的浓度,于是复合凝胶在 释放L-Dopa的同时,也从溶液中持续吸入含L-Dopa溶液。后者的作用大大增强,使 L-Dopa的累积释放率增长较慢,甚至趋于停滞。
据文献报道,大分子载体与小分子药物间的离子协同效应能降低小分子药物的释放 速率[138-141]。L-Dopa分子中具有可离子化的弱酸基团,能在分子内和分子间形成氢键。
L-Dopa、KGM和XG三者间的氢键作用和静电相互作用使复合凝胶强度增大,延缓了
小分子药物的渗透释放。碱性条件下,反离子渗透压和静电排斥力使复合凝胶的溶胀行
为增强,因此,释放速率和累积释放率都比酸性环境中高。
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图5-8包埋L-Dopa的复合凝胶在温度为37°C,不同缓冲溶液中的释放曲线 Fig. 5-8 In vitro release profile of L-Dopa/KGM/XG plural gel sample A-11 in phosphate
buffer of different pH at 37 °C
5.3.1.2 L-Dopa的释放动力学
根据前面章节对KGM与XG的协同作用以及包埋L-Dopa后载有L-Dopa的 KGM/XG复合凝胶中三者之间的基本性质的分析,KGM和XG分子间通过协同作用形
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成分子对,分子链聚集比较规整;物理包埋L-Dopa后,KGM、XG和L-Dopa三者间两 两存在的氢键作用使得复合凝胶强度增大,这就使得L-Dopa不太容易通过复合凝胶的 崩解而从给药载体中释放。从L-Dopa/KGM/XG复合凝胶样品在释药体系中的形态观察 来看,在释放的前期(5 h内)未出现凝胶崩解现象。据此认为,前期(1-5 h)的快速 释放仅仅是由于复合凝胶的快速溶胀使释放介质大量减少而造成的。
药物释放机理可进一步用Peppas方程[142, 143]加以说明。药物在时间t的累积释放率 Mt/M„可用溶出时间的指数函数形式表示,即:
Mt / M„ =ktn(5-8)
式(5-8)的函数形式可变为常见的Ritger-Peppas方程:
lg Mt - lg M„ = 1 gk + nlgt(5-9)
式中,一一药物累积释放百分率; k一一释放动力学系数; n——反映释放机制的释放参数。
n值的大小反映了释放机理的本质。对圆柱形药片,当n<0.45时,为Fickian扩散; 当打>0.89时,是。&3611扩散,属于骨架溶蚀机制;当打=0.45?0.89时,为非?^恤打扩 散,属药物扩散和骨架溶蚀协同作用[143]。
经计算,载药体系样品C-2在pH为1.0、6.8和7.4的缓冲溶液中的释放动力学常 数分别为0.0863、0.2412和0.2865;而释放参数n则分别为0.3317、0.2853和0.3434, 所有n值都小于0.45,属于Fickian扩散机制。可以认为,通过简单的物理包埋,L-Dopa
和复合凝胶既有保持各自原有的独立形态结构,又在一定程度上通过氢键和静电作用结 合在一起。因此,在释放药物过程中,小分子药物L-Dopa通过溶胀扩散从载药体系中 释放出来,并在释放初期有突释现象。
据文献报道,Peppas方程只适合用于分析累积释放率小于或等于60%的部分[144]。 因此,选取5.3.1.1中Mt/M„小于或等于60%的数据,使用Peppas方程进行拟合,所得 的实验曲线和拟合曲线的对比如图5-9所示。可以看出,在pH分别为1.0、6.8和7.4 的释放介质中,样品C-2的试验曲线与Peppas方程的理论曲线非常相似。
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Peppas ■ Experim
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•A …• Peppas parabola of fit Experimental data
 
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图5-9 Peppas模型对包埋L-DOPA的复合凝胶在温度为37°C,葡甘聚糖和黄原胶复合凝胶的性能及其作为药物载体的应用研究,不同缓冲溶液中的实验
曲线和拟合曲线
Fig. 5-9 Calculated L-DOPA accumulative release profile with Peppas model of L-DOPA/KGM/XG plural gel sample A-8 in phosphate buffer at different pH at 37 °C
5.3.2包埋4-氨基水杨酸的KGM/XG复合凝胶的释药特性
5.3.2.1 pH值对包埋4-氨基水杨酸的KGM/XG复合凝胶的释药行为的影响
以4-氨基水杨酸为模型药物,载有4-ASA的KGM/XG复合凝胶在不同pH介质中 的释放行为测试结果如图5-10所示。显然,4-ASA的累积释放率随pH值的变化趋势与 图4-8相似。在pH为1.0的模拟人体胃液的pH环境的介质中,4-ASA的释放速率很慢, 释放3 h内累积释放率仅为7.38%,24 h内的累积释放率为15.68%;而在pH为6.8和 7.4的模拟肠液中,4-ASA的释放速率均有所增大,3 h内的累积释放率分别为28.51% 和32.18%,24 h内的累积释放率则分别为63.00%和68.04%。
与L-Dopa/KGM/XG复合凝胶的释放略有不同的是,在pH为7.4的释放介质中, 4-ASA在释放的第5?10 h内并没有出现释放速率相对平缓的阶段。这有可能是L-Dopa 和4-ASA间分子量和基团活跃度不一样而造成的差别。从图5-1中两种小分子药物的分
64 
子式可以看出,在与KGM/XG混合过程中,L-Dopa分子中的氨基、羧基和酚羟基更倾
向于与KGM/XG分子对的一OH形成氢键,使凝胶强度增大,释药速率降低;而4-ASA
分子中羧基与酚羟基距离短,往往形成分子内氢键或2个4-ASA分子间的氢键,降低
了与KGM/XG分子对形成氢键交联的程度,凝胶强度相对没有L-Dopa/KGM/XG复合
凝胶的强,在碱性条件下释药速率较快。
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图5-10包埋4-ASA的复合凝胶在温度为37°C,不同缓冲溶液中的释放曲线 Fig. 5-10 In vitro release profile of 4-ASA/KGM/XG plural gel sample A-11 in phosphate
buffer at different pH at 37 °C
5.3.2.2 4-ASA的释放动力学
选取5.3.2.1中4-ASA的累积释放率小于或等于60%的数据,运用Peppas方程和 Rigter-Peppas方程进行拟合。经计算,载药体系样品A-11在pH为1.0、6.8和7.4的缓 冲溶液中的释放动力学常数分别为0.0505、0.1949和0.1411;而释放参数n则分别为 0.3307、0.3959和0.5848。在pH为1.0和6.8的释放介质中,n值都小于0.45,属于Fick
扩散机制。可以看出,4-ASA与L-Dopa具有相似的释放机理,即4-ASA和复合凝胶既 有保持各自原有的独立形态结构,又在一定程度上通过氢键和静电作用结合在一起。因 此,在释放药物过程中,4-ASA通过溶胀扩散从载药体系中释放出来,并在释放初期有 突释现象。但值得注意的是,在pH为7.4的较偏碱性环境中,释放参数n值介于0.45?0.89 之间,属于非Fickian扩散,即小分子药物的释放为扩散和骨架溶蚀共同作用的结果。 这样的结果说明在pH为7.4的介质中,载药量为25.0 mg/g的包埋4-ASA复合凝胶强 度相对较弱,长时间的浸泡使复合凝胶逐渐崩解,药物释放加快。
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图5-11反映了本章买验数据与Peppas方程拟合曲线的对比。从图5-11(a)可以看出, 在pH为1.0的释放介质中,4-ASA/KGM/XG复合凝胶的释放行为的实验曲线与Peppas 方程的理论曲线相似;图5-11(b)反映在pH为6.8的介质中,4-ASA/KGM/XG复合凝胶 在释放的头1 h内并没有出现如Peppas方程的突释现象,而在2?12 h的释放时间段中 则有较佳的拟合效果;如图5-11(c)所示,当释放介质的pH为7.4时,在第1 h内也没 有出现如Peppas方程的突释现象,在2?8 h的释放中,Peppas方程对4-ASA/KGM/XG 复合凝胶的释放行为的拟合程度较差,实验曲线在Mt /小于60%的测试范围内皆大
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于Peppas方程拟合数据。
图5-11 Peppas模型对包埋4-ASA的复合凝胶在温度为37°C,不同缓冲溶液中的买验
曲线和拟合曲线
Fig. 5-11 Calculated 4-ASA accumulative release profile with Peppas model of 4-ASA /KGM/XG plural gel sample A-11 in phosphate buffer at different pH at 37 °C 这一拟合结果与4-ASA/KGM/XG复合凝胶的凝胶强度有关。pH 7.4的释放介质中 n = 0.5848的结果说明此时载药体系中小分子药物的释放不仅仅依赖于复合凝胶的溶胀 行为,还与KGM与XG分子链的松弛有关。在碱性环境中,随着复合凝胶溶胀趋于平
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衡,凝胶强度减小,OH1 勺存在加速破坏了葡甘聚糖与黄原胶的协同作用,葡甘聚糖和黄原胶复合凝胶的性能及其作为药物载体的应用研究,使凝胶加速 崩解,4-ASA释放加快。因此,在较偏碱性的环境中,复合凝胶中4-ASA的释放行为 是小分子药物的释放为扩散和复合凝胶药物载体骨架溶蚀共同作用的结果。
5.4本章小结
以左旋多巴和4-氨基水杨酸作为模型药物,选取多糖总浓度为1%、KGM与XG 质量比为1 : 1、载药量为25.0 mg/g为条件,研宄包埋小分子药物的复合凝胶的释药行 为。实验结果表明:
在模拟人体胃液中,3 h内左旋多巴的累积释放率仅为13.21%;而在pH为6.8和 7.4的模拟肠液中,L-Dopa的释放速率均有所增大,24 h内的累积释放率则分别为53.53 %和76.62%。4-氨基水杨酸在模拟胃液中3 h内的累积释放率为7.38%,在模拟肠液中 24 h内的累积释放率则为63.00%?68.04%。这样的结果表明:复合凝胶对L-Dopa和 4-ASA的释放具有明显的pH敏感性,定位性较好。
在较偏碱性的释放介质中,复合凝胶在释放初期的2h内具有一定的突释现象,但 突释造成的介质药物浓度均没有超过L-Dopa和4-ASA的血药浓度。因此,使用KGM/XG 复合凝胶作为左旋多巴和4-氨基水杨酸的药物载体可以减少药物的“首过效应”,减少 给药次数,降低药物的毒副作用,实现结肠内的药物缓释和靶位给药的目的。
本章中还利用Peppas方程拟合了 2种药物的实验数据。结果表明:对于左旋多巴, 在测试内所有pH值均有较佳的拟合效果,释放参数n值均小于0.45,左旋多巴的释放 属于Fick扩散机制;对于4-氨基水杨酸,pH为1.0和6.8的测试中n值小于0.45,药 物释放同样遵循Fickian扩散机制。然而,在pH为7.4的模拟肠液条件下,n值则为0.5848, 药物释放受扩散和复合凝胶药物载体骨架溶蚀共同控制。由此可以得出,在较偏碱性环 境中,4-ASA/KGM/XG复合凝胶在溶胀一定时间后的凝胶强度比L-Dopa/KGM/XG复 合凝胶弱。综上所述,本研宄认为通过改变复合凝胶的凝胶强度和溶胀行为的pH敏感 性,能够实现小分子药物的结肠定位缓释。
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结 论
利用KGM和XG之间的协同作用,分别以最大用量的氮肥尿素、抗帕金森病药物 L-Dopa和用于治疗溃疡性结肠炎的药物4-ASA为模型药物,制备了包埋小分子药物的 KGM/XG复合凝胶,采用FTIR、TPA、流变仪和溶胀度测定对产物进行了表征,研宄 了药物在凝胶中的释放行为,葡甘聚糖和黄原胶复合凝胶的性能及其作为药物载体的应用研究,利用Peppas方程拟合了的释放曲线60%),探讨了 L-Dopa和4-ASA药物的释放机理。本工作的主要结论如下:
(1)在多糖总浓度为1%,KGM/XG质量比为1 : 1的条件下制备的复合凝胶表现 出较强的协同作用,凝胶强度较高,其三维网络结构能在一定压力和温度范围内保持相 对稳定。对KGM/XG复合凝胶在不同条件下的溶胀行为研宄表明:该复合凝胶的溶胀 行为具有明显的pH敏感性。在pH<6.0的酸性环境中,其溶胀会受到抑制;复合凝胶的 平衡溶胀度随着pH值的增大而明显增大,并在pH值为6.0?8.0的范围内达到最大值。
(2)包埋尿素的KGM/XG复合凝胶具有与不含药物的复合凝胶相似的凝胶强度和 流变性能;包埋L-Dopa和4-ASA的KGM/XG复合凝胶则由于L-Dopa或4-ASA与多 糖大分子之间的氢键交联作用而表现出较高的凝胶强度和较低的平衡溶胀度,当载药量 达到25.0 mg/g时,这种作用尤为明显。这一效应有利于抑制凝胶内药物的扩散释放, 实现药物的缓释和控释。
(3)包埋尿素的复合凝胶的释放行为具有明显的pH敏感性。与pH 7.0的释放行 为相比,碱性条件下尿素的释放速率加快,累积释放率明显增大;在pH<6.0的酸性条 件下,尿素的释放受到抑制,尿素累积释放率随时间缓慢增加,pH <2.0时50 h的尿素 累积释放率仅为11.8%,释放曲线相对平缓。因此,在较偏酸性的条件下,尿素释放受 到抑制,复合凝胶能够在相对长的时间内实现缓释。
(3) L-Dopa和4-ASA的释放特性研宄结果表明:复合凝胶在酸性条件的模拟人工 胃液中累积释放率较低,3 h内仅分别为13.21 %和7.38%。因此,KGM/XG复合凝胶 作为结肠给药体系的载体可以降低药物的“首过效应”,减少药物释放过快带来的毒副 作用,适宜作为L-Dopa和4-ASA的口服给药载体。Peppas方程拟合的结果表明L-Dopa 的《值在所测试的所有pH范围均小于0.45,即L-Dopa的释放受复合凝胶的溶胀行为 控制,遵循Fickian扩散机制;4-ASA在pH 1.0和6.8的释放测试中《值分别为0.3307 和0.3959,同为Fick扩散控制释药,但在pH 7.4的释放介质中,《值则为0.5848,此时 药物释放受扩散和复合凝胶药物载体骨架溶蚀共同控制。
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