葡甘聚糖和黃原膠復合凝膠的性能及其作為藥物載體的應用研究：
葡甘聚糖和黃原膠復合凝膠的性能及其作為藥物載體的應用研究，魔芋葡甘聚糖（KGM)和黃原膠（XG)都是來源豐富的可再生的天然聚多糖，一 直被廣泛作為食品或食品添加劑用于食品工業(yè)。它們具有優(yōu)異的生物相容性和可生物降 解性，降解產物對人和環(huán)境均不會產生危害。研宄已發(fā)現(xiàn)，KGM和XG之間存在強的 協(xié)同作用，兩者形成的復合凝膠的粘度和凝膠強度比相同濃度下單一凝膠要強得多； KGM在經過上消化道時不會被存在于胃及小腸的酶所降解，只有當到達結腸部位后， 被存在于結腸內的P-甘露糖酶降解，而XG更是不能在人體消化酶的作用下降解。這些 性質賦予了 KGM/XG復合凝膠作為緩釋肥料和口服藥物載體的優(yōu)異的基本特性。因此， 設計和制備具有適宜的凝膠強度和溶脹特性的KGM/XG復合凝膠，研宄其作為化肥和 口服藥物載體時的釋放特性具有重要的意義和廣闊的應用前景。
本研宄首先在多糖總濃度為0.2?2％的范圍內，制備了一系列不同KGM/XG質
量比的復合凝膠，利用質構測試（TPA)和流變測試（RDA)對復合凝膠的凝膠強度進 行表征，從而確定在多糖總濃度為1%，KGM/XG質量比為1 : 1的條件下制備的復合 凝膠可表現(xiàn)出較強的協(xié)同作用，凝膠強度較高，其三維網絡結構能在一定壓力和溫度范 圍內保持相對穩(wěn)定。對KGM/XG復合凝膠在不同條件下的溶脹行為研宄表明：該復合 凝膠的溶脹行為具有明顯的pH敏感性。在pH<6.0的酸性環(huán)境中，其溶脹會受到抑制； 當pH值在6.0?8.0的范圍內，復合凝膠的平衡溶脹度隨著pH值的增大而明顯增大，葡甘聚糖和黃原膠復合凝膠的性能及其作為藥物載體的應用研究，并 在pH值為8.0時達到最大值。
根據上述結果，以用量最大的氮肥尿素、抗帕金森病藥物左旋多巴（L-Dopa)和用 于治療潰瘍性結腸炎的藥物4-氨基水楊酸（4-ASA)作為模型藥物，分別制備了包埋尿 素、L-Dopa和4-ASA的載藥KGM/XG凝膠體系，考察了其基本性質和在不同溫度和 pH環(huán)境下的釋放特性及其機理。研宄結果表明：
(a)包埋尿素的KGM/XG復合凝膠具有與不含藥物的復合凝膠相似的凝膠強度和流變 性能；包埋L-Dopa和4-ASA的KGM/XG復合凝膠則由于L-Dopa或4-ASA與多糖
大分子之間的氫鍵交聯(lián)作用而表現(xiàn)出較高的凝膠強度和較低的平衡溶脹度，當載藥 量達到25.0 mg/g時，這種作用尤為明顯。這一效應有利于抑制凝膠內藥物的擴散釋 放，實現(xiàn)藥物的緩釋和控釋。
(b)包埋尿素的KGM/XG復合凝膠在中性水介質中，尿素釋放主要由復合凝膠的溶脹行
為所控制。升高溫度會加速復合凝膠的崩解，從而增大尿素的釋放速率和累積釋放 率。包埋尿素的復合凝膠的釋放行為具有明顯的pH敏感性。在堿性條件下，在50 h 的釋放過程中，尿素的釋放速率加快，累積釋放率明顯增大；pH 2.0時50 h的尿素 累積釋放率僅為11.8%，釋放曲線平緩。因此，在較偏酸性的條件下，包埋尿素的 KGM/XG復合凝膠能夠在相對長的時間內實現(xiàn)緩釋。
(c)包埋L-Dopa的KGM/XG復合凝膠和包埋4-ASA的KGM/XG復合凝膠的藥物釋放 具有明顯的pH敏感性。二者在pH為1.0的模擬人體胃液中，3 h內藥物的累積釋放 率較低，僅分別為13.21 %和7.38%;在pH為6.8和7.4的模擬人體腸液中，24 h 內L-Dopa的累積釋放率則分別為53.53%和76.62%，4-ASA的累積釋放率則分別為 63.00%和68.04%。因此，用KGM/XG復合凝膠作為口服L-Dopa和4-ASA的藥物 載體可以減少藥物的“首過效應”，減少給藥次數，降低藥物的毒副作用，實現(xiàn)結腸 內的藥物緩釋和靶位給藥的目的。
(d)利用Peppas方程分別對包埋L-Dopa和4-ASA的載藥KGM/XG復合凝膠在不同pH
環(huán)境下的釋放曲線進行擬合分析，發(fā)現(xiàn)在所測試的pH值范圍內，L-Dopa釋放的理 論擬合曲線與實驗曲線相似，釋放參數《< 0.45,說明L-Dopa從KGM/XG復合凝膠 中的釋放遵循Fickian擴散機制；在pH為1.0和6.8的介質中，4-ASA釋放的理論 擬合曲線與實驗曲線也相似，釋放參數《分別為0.3307和0.3959，4-ASA的釋放同 樣遵循Fickian擴散機制；而在pH為7.4的介質中，《值為0.5848,說明在這一條件 下，4-ASA的釋放受擴散和復合凝膠藥物載體骨架溶蝕共同控制。
第一章緒論
天然多糖類高分子在自然界中大量存在，來源豐富，可以被人體及生物所代謝利用 或分解，屬于可再生資源。多糖類高分子是由多個單糖分子脫水、縮合，通過糖苷鍵連 接而成的一類高分子聚合體。從其分子組成單元的種類看，它們有的是由一種糖基聚合 而成的均多糖，如淀粉、纖維素和甲殼素等；有的則含有兩種或兩種以上的糖基的雜多 糖，如魔芋葡甘聚糖、黃原膠等。天然多糖類高分子種類繁多，成本較低，且大部分的 多糖類高分子都含有大量親水性基團，在適當的條件下，能成為低交聯(lián)度、不溶于水、 高膨脹性的水凝膠材料。多糖類高分子這些特性使其被廣泛研宄應用于食品、化工、醫(yī) 藥及農用化學品等領域。然而，未經改性的天然多糖材料往往具有物理機械性能和加工 性能較差、易分解、應用面窄等缺點。因此，通過物理和化學改性研制和開發(fā)高物理機 械性能的多糖類水凝膠材料具有重要的學術意義和應用價值。
1.1高分子水凝膠 1.1.1水凝膠的定義和分類
高分子水凝膠（hydrogels)是指親水性高分子以水或水溶液作為分散介質，通過化 學鍵、氫鍵、范德華力或物理纏結形成的具有三維網狀結構的高分子 。水凝膠不溶于 水但能吸收自身重量數倍至數十倍的水溶液而溶脹，同時保持固體形狀。水凝膠這種獨 特的吸水和保水能力是由于其結構中含有一OH、一CONH—、一CONH2—、一 COOH 和一 SO3H等親水性基團[1]。
高分子水凝膠根據高分子交聯(lián)鍵性質的不同可分為化學凝膠和物理凝膠。化學凝膠 是指大分子通過共價鍵連接形成的網狀結構，一般通過單體聚合或化學交聯(lián)制得。這類 化學鍵交聯(lián)的凝膠不能熔融，也不能溶解，結構比較穩(wěn)定，因此也稱為不可逆凝膠。物 理凝膠是指大分子間通過非共價鍵（通常為氫鍵或范德華力）相互連接，形成網狀結構。 當溫度等外界條件的改變超出一定范圍時，這類水凝膠的分子間的物理交聯(lián)就會被破 壞，重新形成鏈狀結構溶解在溶劑中形成溶膠狀粘稠液。因此，物理凝膠也稱為可逆凝 膠。
高分子水凝膠根據行程水凝膠的高分子基質的來源可分為天然高分子水凝膠和合 成高分子水凝膠。合成高分子水凝膠以人工合成的親水性或吸水性高分子為基質，而這 些合成高分子通常用源于石油資源的單體為原料，通過各種聚合途徑而制得；天然高分 子水凝膠則以天然高分子為基質而制得。能形成水凝膠的天然高分子主要是來自植物、 動物或微生物的聚多糖。它們來源較廣，是自然界中最豐富的可再生資源之一。由于聚 多糖源于自然界，因而具有優(yōu)異的可生物降解性和環(huán)境友好特性，對人和動植物無毒無 害。因此，天然高分子水凝膠被廣泛研宄應用于食品工業(yè)和各種醫(yī)療用途[2]。不論形成 水凝膠的高分子是天然的還是哼的，它們的共同特點是它們都具有良好的親水性。
根據高分子水凝膠對外界刺激的答應情況不同，水凝膠又可分為兩類：一、傳統(tǒng)水 凝膠。這類水凝膠對環(huán)境的變化，如pH或溫度變化不敏感；二、環(huán)境敏感水凝膠。這 類水凝膠對溫度或pH等環(huán)境因素的變化所給予的刺激有非常明顯的應答。目前，正在 研發(fā)及應用的環(huán)境敏感水凝膠主要有溫度敏感水凝膠（temperature-sensitive hydrogels)、 pH 敏感水凝膠（pH-sensitive hydrogels)、鹽敏感水凝膠（salt-sensitive hydrogels)、光敏 水凝膠（photo-sensitive hydrogels)、電場響應水凝膠（electric field response hydrogels)、 形狀記憶水凝膠（shaped-memoried hydrogels)等。這類水凝膠廣泛用于藥物控制釋放、 酶和細胞固定、生物分離、人造器官等領域[3 一6]。
在環(huán)境敏感水凝膠仲，研宄最多的是溫敏型水凝膠和pH敏感水凝膠（又稱離子型 水凝膠）。溫敏型水凝膠是其自身體積能隨溫度變化而變化的高分子凝膠材料；pH敏感 水凝膠是指自身體積隨環(huán)境pH值、離子強度的變化而變化的高分子凝膠材料[7]。此類 凝膠都是含有酸性或堿性側基（如羧基或氨基）的大分子，隨著外界pH值、離子強度 的變化，酸、堿基團發(fā)生電離，導致三圍網狀結構中大分子鏈段間氫鍵的解離，引起不 連續(xù)的體積變化[8一11]。
1.1.2高分子水凝膠的性質
一般說來，高分子水凝膠具有以下性質：
(1)溶脹性
溶脹性高分子水凝膠的最基本的特性。它指的是水凝膠吸收水溶液后自身體積明顯 增大的現(xiàn)象。溶脹行為是彈性凝膠的重要特性，分為兩個階段：第一階段中溶劑分子滲 透進入凝膠，與大分子相互作用形成溶劑化層，此過程伴有放熱效應，并且凝膠體積的 增加比吸收的液體體積要小；第二階段，水溶液分子繼續(xù)滲透，凝膠體積大大增加至原 有干凝膠重量的幾倍甚至幾十倍。溶脹性的大小可用溶脹度（swelling capacity，Q)來 衡量。溶脹度為一定溫度下，單位重量或體積的凝膠所能吸收的液體量[12]。
Q=(m2-m〇/m1 或 Q=(V-V0)/V。(1-1)
式中，Q為溶脹度，m1、m2分別為吸水膨脹前后凝膠的質量；V0、V為溶脹前后凝膠 的體積。
2
影響溶脹度大小的主要因素有水溶液的性質、溫度、電解質和pH等。水溶液的性 質不同，溶脹度有很大的差異；對于溫敏型水凝膠，溫度升高可加速其溶脹速度，提高 其溶脹度間。
介質的pH值主要對pH敏感水凝膠（離子型水凝膠）的溶脹度有較大影響。離子 型水凝膠結構中離子型基團（如一COOH、一S〇3、一NH2等）的解離作用增加了聚合 物的親水性，從而使水凝膠有較強的吸水性。解離程度的增強，使三圍網絡中高分子鏈 上存在大量具有相同電荷的解離基團，它們之間的靜電斥力導致高分子鏈進一步的伸展 并與水分子充分接觸。陰離子型水凝膠的平衡溶脹度隨pH增大而增大，陽離子水凝膠 則隨pH增大而降低[12]。
(2)脫水收縮性
脫水收縮現(xiàn)象是凝膠內部三圍網狀結構形成以后，高分子鏈段間相互作用繼續(xù)進行 的結果，高分子鏈段繼續(xù)運動并相互靠近，使網狀結構更為緊密，一部分液體從網孔中 擠出。部分溶劑的損失使水凝膠表面形成干燥、緊密的外膜；繼續(xù)干燥，則形成干凝膠， 如明膠粉末等[12]。
(3)觸變性
物理凝膠受外界作用（如溫度、pH值、振蕩、攪拌或其他機械力），網狀結構伸縮 而發(fā)生形狀變化或結構被破壞而變成溶膠流體，外力作用停止后，又能恢復原有狀態(tài)， 這種凝膠的形變或狀態(tài)改變稱為觸變性（thixotropy)。水凝膠具有觸變性是因為水凝膠 的網狀結構不穩(wěn)定，外力作用時容易破壞，消除外力后三圍網狀結構又重新形成。凝膠 觸變具有一定的屈服值（yield value)，具體表現(xiàn)為彈性和粘性；但對于某一具體凝膠， 彈性或粘性等性質往往不是同時都顯著的表現(xiàn)出來[12]。
(4)透過性
水凝膠的三維網狀結構使包埋或交聯(lián)在其中的小分子物質在水溶液中的擴散速度 變小。因此，水凝膠可以作為擴散介質。水凝膠的骨架空隙越小，小分子物質通過這些 迂回曲折的通道所需的時間越長，擴散速度越低。物質在凝膠中的透過性還與凝膠中所 含溶劑的性質和含量有關。高溶脹狀態(tài)下的凝膠有較大的平均孔徑，有利于分子透過， 含水的孔道有利于可溶于水的物質透過[12]。
利用這一特點，水凝膠被廣泛研宄作為藥物緩釋/控釋制劑，特別是環(huán)境敏感水凝膠 (其中又以溫敏型水凝膠和pH敏感水凝膠為主）由于其特殊的透過性能和獨特的環(huán)境 響應性已在醫(yī)藥領域中取得一定的臨床效果[12]。
3
1.1.3水凝膠在緩釋/控釋體系中的應用
與疏水聚合物相比，水凝膠與被固定在其中的藥物或生物活性分子的相互作用較 小，可使被固定的物質保持長時間的活性。此外，水凝膠良好的物理化學性質和生物相 容性也為其作為緩/控釋制劑載體提供巨大的應用前景[13，14]。其中，pH敏感水凝膠和溫 敏型水凝膠被研宄最多。Wu和Hoffman等結合磷脂酰乙醇胺和PNIPA，作為脂質體的 藥物釋放體系，結果表明作為脂溶性藥物的載體，釋藥體系達到了增溶及緩釋藥物的效 果，并增強藥物的穩(wěn)定性及生物活性[15]; Zhang和Zhuo等合成了以PNIPA為主的溫敏 型水凝膠作為藥物載體，研宄了 5-氟尿嘧啶的釋放過程，發(fā)現(xiàn)藥物在模擬人體溫度的釋 放環(huán)境中約5 h后達到最大釋放值，與正常人口服藥后從胃轉運到結腸的時間基本一致 [16];劉鋒和卓仁禧等對木瓜酶在控釋過程中的活性和釋放過程進行了研宄，并且制成了 高粘度的PCD微膠囊，結果表明由于pH敏感的PCD微膠囊的作用，減少了環(huán)境中不 利因素對酶活力的影響，使其應用范圍更廣[17]。利用天然高分子水凝膠能被結腸內菌群 降解的特點，各國學者開發(fā)了大量以偶氮苯類聚合物[18]和多糖類凝膠[19-29]材料為載體的 緩/控釋制劑。其中，多糖類高分子因其結構多樣、可設計性強、具有生物相容性和安全 性和資源豐富等優(yōu)點而在藥物釋放載體的研宄中倍受青睞。
1.2用于緩釋/控釋體系中的多糖類高分子材料
多糖類高分子材料如多糖類淀粉、纖維素、海藻酸、蛋白質類明膠等，既是人類和 動物食物的來源，也是醫(yī)藥工業(yè)的有用材料。它們來自于自然界，在一定條件下能被微 生物和酶分解[18]。多糖類高分子來源豐富，價格低廉，本身無毒副作用；其降解產物為 各種簡單糖類，也是安全無毒的，屬于GRAS (generally regarded as safe)材料。在結構上， 天然多糖類高分子的大分子帶有大量的親水性基團，在一定條件下可形成凝膠；易于進 行化學和生化修飾，可設計性較強，因而可根據實際應用的要求進行適當的結構設計與 改性。另一方面，當非淀粉類聚多糖用作口服類藥物的藥物載體時，它們在上消化道不 能被消化吸收，而在結腸部位可被結腸細菌利用作為能源物質，或在結腸環(huán)境的pH下 降解，使藥物釋放出來，大大減少了藥物對胃的刺激，可達到降低藥物劑量、提高藥效 的目的。這些特點使得天然多糖類高分子作為生物醫(yī)用材料的基材而引起了各國學者的 研宄興趣，并得到了迅速發(fā)展，尤其在藥物緩釋、靶向控釋骨架材料中顯示出極大的優(yōu) 越性。
4
1.2.1多糖類高分子在緩釋/控釋體系中的作用及其特點
在醫(yī)藥領域，多糖類高分子材料既可作為藥物，又可作為藥物載體來使用。近年來， 用于經皮給藥、鼻腔給藥和癌癥治療的制劑大多使用天然多糖類高分子材料作為藥物載 體[22-24]。幾十年來的研宄表明，多糖類高分子材料在具有緩/控釋性能的口服制劑的制備 中起到了重要的作用。以下將分類總結近年來不同天然多糖類高分子的應用原理和概 況：
(1)淀粉[30-34]
普通淀粉在進入人體胃腸道后不斷溶脹直至崩解釋放出藥品，性能不能滿足控釋和 結腸給藥的要求。所以淀粉在傳統(tǒng)的制藥工藝中一般要經過交聯(lián)、支鏈修飾等改性。淀 粉基的藥物控釋系統(tǒng)有片劑和微球等。交聯(lián)的淀粉被越來越多地用于控制釋放的藥物賦 形劑。它比較容易應用于工業(yè)生產，不容易蝕化并有好的持續(xù)釋放效果。藥物釋放的過 程是藥片的外部先形成膠層，膠層隨后停止向內擴展而水繼續(xù)滲透，最終侵入內核并導 致藥物的擴散溶出。
現(xiàn)階段的研宄中淀粉多用于多肽、蛋白類等大分子藥物的載體；淀粉給藥體系往往 通過人體消化道中pH值的變化和酶降解作用使淀粉賦形劑溶脹崩解而實現(xiàn)藥物釋放。
(2)甲殼素/殼聚糖[35-37]
甲殼素(Chitin)是一種線性氨基多糖，廣泛存在于節(jié)足動物類的翅膀和外殼及真菌和 藻類的細胞壁中；殼聚糖(Chitosan)是甲殼素脫乙?；漠a物，具有和粘多糖類似的結構， 無毒、生物可吸收[38]。這種陽離子聚合物的伯仲羥基和氨基使其可以和酸反應而溶解， 使得藥物的透過性在酸性環(huán)境比在堿性環(huán)境要大，因此殼聚糖/甲殼素控釋具有一定的胃 靶向性。以殼聚糖/甲殼素為基質的材料在酸性環(huán)境下還會形成膠質，這又可以減少藥物 對胃的刺激性并有助于持續(xù)釋放。殼聚糖/甲殼素還有許多對人體有利的生物活性，如抗 腫瘤作用、免疫佐劑功效和促進組織修復及止血作用等。以殼聚糖/甲殼素為基質的藥劑 有微球、顆粒、小球/微囊、膠囊和藥片各種形式[39-42]。
(3)海藻酸/海藻酸鹽[43-44]
海藻酸(Alginic acid)是從褐藻中提取的一種多糖類化合物，是甘露糖醛酸和古羅糖 酸兩種單糖以不同組成形成的共聚物[43]。海藻酸鹽基質在溶液中會發(fā)生溶脹，控制藥物 釋放速度的機理與殼聚糖相似，所不同的是海藻酸鈣等二價鹽在體內不同pH值環(huán)境浸 泡的過程中會逐漸發(fā)生離子交換成為海藻酸(酸性)或一價鹽(中性或堿性)。在小腸的微 堿性環(huán)境中形成的一價鹽可以慢慢溶解，藥物可以獲得比胃中高許多的釋放速率，因此
5
海藻酸類制劑常用于小腸內的pH靶向給藥[44]。
然而，載藥的海藻酸鹽載藥體系也存在一些問題，如藥物在制備時浸入交聯(lián)劑溶液 中由于損失嚴重而導致負載量太小、載藥微球在溶脹或離子交換后漸漸崩解喪失控釋效
果等。
(4)環(huán)糊精
環(huán)糊精(Cyclodextrin，CD)是由6?12個D-葡萄糖分子以0 -1,4甙鍵連接起來形成
的閉合錐筒狀結構，毒性很低。常用的a、0、e-CD分別由6、7、8個葡萄糖單元組 成[45]。環(huán)糊精通過形成藥物的包合物或鍵合物參與藥劑的制備，其中以前者應用最多。 環(huán)糊精包合物(CD inclusion compound)是指藥物分子(客分子)被包含或嵌入環(huán)糊精(主分 子)的筒狀結構內形成的超微粒分散物。小分子藥物根據大小的不同嵌入不同內徑的 CD,環(huán)糊精也可由選擇地嵌套大分子的側鏈形成包合物。最常用的是內徑居中的0-環(huán) 糊精[46, 47]。
除了天然的環(huán)糊精外，近些年來半合成的環(huán)糊精衍生物越來越受到矚目。甲基化環(huán) 糊精可以進一步提高藥物的溶解度、穩(wěn)定性和生物利用率。環(huán)糊精包合物可以改變藥物 的溶解性，調節(jié)藥物的釋放速度，提高藥物的生物利用度，常被制成栓劑、油膏、微囊、 滲透泵片，有良好的藥物控制釋放作用[48, 49]。
CD包合物也可以使某些易溶的藥物水溶度下降，起到緩釋作用，如羥丙基環(huán)糊精 可以作為緩釋儲庫用于鴉片類藥物的鞘內給藥。環(huán)糊精還可以用于靶向給藥，不易水解 的環(huán)糊精在胃腸道很難被吸收，但卻可以被結腸的微生物群落分解為小分子糖類，因此 可以用于結腸的靶向給藥[50-52]。
(5)葡甘聚糖[53-67]
葡甘聚糖本身作為一種可溶性膳食纖維；在藥劑學中也被廣泛應用作緩釋、控釋制 劑輔料。研宄發(fā)現(xiàn)，KGM在經過上消化道時不會被存在于胃及小腸的酶所降解，當到 達結腸部位后，則會被存在于結腸部位的P-糖苷鍵酶降解[53]。利用這一特性，可將KGM 開發(fā)為納米粒子、水凝膠微球多肽和蛋白質緩釋/控釋載體，制備口服結腸定位控釋體系。
綜上所述，擁有良好生物相容性的多糖類高分子具有許多優(yōu)異的性質，可以廣泛地 用于各種口服或植入藥物載體，在藥物的速度、靶向控制釋放中發(fā)揮重要的作用。藥物 的突釋可以通過用多糖制片、包囊、覆膜等手段得到有效的控制。然而，多糖類高分子 藥物載體在菌群觸發(fā)型結腸定位轉運系統(tǒng)中的應用還存在許多問題，其中最關鍵的問題 是提高多糖的疏水性和降低其溶脹性和如何使藥物在細菌作用下以合理的速度釋放出
6
來以及促進結腸對藥物吸收。在未來的發(fā)展研宄中，將數種物質復合使用，成為集短期 控制病情、長期定時維持、局部靶向釋放等特點于一身的高級藥劑，已成為一個重要的 研宄思路。
1.2.2魔芋葡甘聚糖的分子結構、基本特性及其在緩釋/控釋體系中的應用
1.2.2.1魔芋葡甘聚糖的分子結構
魔芋葡甘聚糖(Konjac glucomannan，簡稱KGM)來源于植物魔芋，是一種天然高分
子多糖。其主鏈是由D-甘露糖(M)和D-葡萄糖(G)以0-1,4吡喃糖苷鍵連接的雜多糖， 在主鏈甘露糖的C3位上存在著以0 -1,3鍵結合的支鏈結構[58]。每32個糖殘基上大約有 3個支鏈，支鏈只有幾個殘基的長度，并且每19個糖殘基上約有1個乙?；鶊F[59, 60]。 與其他聚多糖一樣，KGM的重復結構單元中C2、C3、C5位上的-OH均具有較強的反
應活性。
一般認為，KGM的粘均分子量約為70到80萬[61]。Ogawa等根據X射線分析，推 斷魔芋葡甘聚糖粒子近似為無定形結構[62]。Chen等用分光光度法和薄層色譜法對魔芋 精粉中KGM的含量進行了檢測，并用掃描電鏡(SEM)法進行了分析，得出KGM的推 測性結構如圖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
圖1-1葡甘聚糖的分子結構示意圖 Fig. 1-1 The schematic structure of KGM
1.2.2.2魔芋葡甘聚糖的基本特性
從1.2.2.1可知，魔芋葡甘聚糖分子中含有大量親水性基團，能在水中溶脹且不溶于 甲醇、乙醇、丙酮等有機溶劑。KGM水溶液為假塑性流體，表觀粘度與剪切速率成反 比，并隨著溫度的上升而逐漸降低，冷卻后又重新升高，但不能回升到加熱前的水平。 魔芋葡甘聚糖水溶膠在80°C以上較不穩(wěn)定，其溶膠于121°C下保溫0.5 h,粘度約下降 50 Pa %[64]。在一定的堿性條件下，魔芋葡甘聚糖能形成水凝膠[65]。魔芋葡甘聚糖形成
7
的凝膠具有以下幾個特性:
(1)魔芋葡甘聚糖由于分子量大，結合水的能力強，因而具有較好的增稠作用。 1%wt的魔芋精粉的粘度可達數十乃至200帕斯卡•秒(Pa* s)[66]。與黃原膠、瓜兒豆膠 等增稠劑相比，魔芋葡甘聚糖凝膠不帶電荷，屬于非離子型多糖凝膠，因而受鹽的影響 很小。
(2)魔芋凝膠脫水后可制成透明度和致密度高的硬膜。該膜在冷、熱水中及酸液 中能長期保持穩(wěn)定。添加甘油等保濕劑還可改變魔芋膠膜的物理機械性能：隨著甘油量 增加，膜機械強度降低，透明性增加。通過改變添加劑的品種和用量，可改變魔芋膠膜 的柔軟性和透氣性[65’67]。
(3)單獨的魔芋葡甘聚糖在強堿條件下通過脫乙?；饔眯纬傻哪z為熱不可逆 凝膠。這種凝膠不溶于水，對熱穩(wěn)定。
另外，魔芋葡甘聚糖還能與黃原膠、淀粉等增稠劑有協(xié)同增稠作用。魔芋精粉與黃 原膠、淀粉混合使用形成復合凝膠時，其溶液和凝膠粘度比單獨使用葡甘聚糖、黃原膠 或淀粉高數倍[65’68’69]。KGM與其他多糖間的這種協(xié)同作用在實際應用中非常廣，它不 僅節(jié)約了膠體的用量，還能獲得比同等濃度下單一凝膠更高的粘度和更好的使用效果。
1.2.2.3魔芋葡甘聚糖在緩釋/控釋體系中的應用
魔芋葡甘聚糖具有親水性、增稠性、凝膠性等多種特性，廣泛應用于食品[70]、包裝 [71]、輕工和石油化工[72]等行業(yè)。
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醫(yī)藥學方面得 到了較大的實踐應用。Nakano等在弱堿性的條件下加熱KGM水溶液，制得彈性模量高、 熱穩(wěn)定的水凝膠，并成功應用于局部麻醉藥物二丁卡因的控釋體系[57]。除了使用傳統(tǒng)方 法制備KGM凝膠作為載藥系統(tǒng)，Liu等利用二異丁烯酰胺偶氮苯為交聯(lián)劑制備的 KGM-AA接枝共聚物凝膠有望用作結腸定位給藥載體[55, 56]; Yu等制備了一系列不同配 比的KGM-PAA復合膜，通過IR，WAXD，TGA，SEM等測試方法對其進行了性能表 征，該復合膜可開發(fā)應用于結腸定位給藥系統(tǒng)[54]。Du等采用接枝方法在KGM分子鏈 上接枝丙烯酸得到了可生物降解水凝膠。結果表明，用Cereflo酶降解該水凝膠，一個 月后凝膠降解了 73%，在Mannaway 25L作用下凝膠降解86%，有望用作結腸定位給藥 載體。通過溶液揮發(fā)法制備的聚電解質羧甲基葡甘聚糖-殼聚糖納米粒子。對牛血清白 蛋白（BSA)包合的實驗表明，納米粒子對BSA的釋放率優(yōu)于羧甲基葡甘聚糖純聚合 物，在蛋白質結腸定位給藥具有潛在的應用前景[73,74]。Wang等制備了海藻酸-葡甘聚糖
8
-殼聚糖(ALG-KGM-CHI)共混膜，并研宄了該復合膜對BSA、胰島素的體外緩釋性能。 實驗結果表明，ALG-KGM-CHI顆粒在酸性溶液中溶脹率高于ALG-CHI顆粒，在堿溶 液中則相反；ALG-KGM-CHI共混膜可增加藥物在體內的滯留時間，蛋白質釋放能力取 決于KGM的粘度及溶脹性[53]。
1.2.3黃原膠的分子結構、基本特性及其研究應用現(xiàn)狀
黃原膠(Xanthan)又稱漢生膠，是由野油菜黃單胞桿菌(Xanthomonas campestris)分泌 的一種胞外酸性多糖。Jeans等在20世紀50年代首先發(fā)現(xiàn)了黃原膠獨特的剪切變稀特 性；1961年，CP Kelco成為第一個采用發(fā)酵法將黃原膠商業(yè)化生產的公司[75]; 1969年 黃原膠正式被美國FDA認證為食品添加劑。從那時開始，黃原膠就因其優(yōu)良的物化性 質，如分散液的高黏度、觸變性、穩(wěn)定性等被廣泛關注和研宄，各種改性黃原膠產品也 在食品工業(yè)、采油、涂料等領域得到了應用。
1.2.3.1黃原膠的分子結構
如圖1-2所示，黃原膠(Xanthan Gum，以下簡稱XG)是由D-葡萄糖(G)、D-甘露糖 (M)、D-葡萄糖醛酸、乙酸和丙酮酸組成的具有“五糖重復單元”結構的天然多糖類高 分子。黃原膠分子的一級結構包括由0 -1,4鍵連接的D-葡萄糖基主鏈及含三個糖單位的 側鏈，側鏈則由兩個D-甘露糖和一個D-葡萄糖醛酸的交替連接而成。部分側鏈末端的 甘露糖4,6位C上連接有一個丙酮酸基團，而部分連接主鏈的甘露糖在C-6被乙?；?丙酮酸和乙?；鶊F的含量取決于黃原膠的產地以及后處理過程。在不同溶氧的條件下發(fā) 酵所得的黃原膠，其丙酮酸含量會有十分明顯的差異：通常溶氧速率越小，黃原膠的丙 酮酸含量越低。一般而言，黃原膠中丙酮酸取代基的含量在30?40°%之間，乙?；幕?團在60?70°%之間。丙酮酸取代基和乙?；鶊F在主鏈上呈無規(guī)律分布，但是其含量對于 黃原膠的構象及物化性質卻有著很大的影響[76]。黃原膠脫去乙?；兔撊ケ峄鶊F都 會使其性質發(fā)生明顯變化。據流變學研宄，脫去丙酮酸基團后的黃原膠分子間作用力顯 著減小，丙酮酸基團在黃原膠分子中能相互之間形成氫鍵，并與鄰近側鏈的乙?；a生 氫鍵，以此來穩(wěn)定黃原膠的分子結構。而乙酰基團通常被認為是提供了分子內的相互作 用力，因為脫去乙酰基后黃原膠分子變得更加柔順[77,78]。
9
CH2OH
M
G
n
O
O
CH2OCCH3 O
M: Mannose G: Glucose
圖1-2黃原膠的分子結構示意圖
Fig. 1-2 The schematic structure of XG
黃原膠的二級結構是由側鏈繞主鏈骨架反向纏繞，通過氫鍵、靜電力等非共價鍵力 作用所形成的五重折疊(5-fold helix)的棒狀螺旋結構。研宄表明，位于D-葡萄糖主鏈上 C3位置上的支鏈是影響黃原膠構象的主要因素。這些支鏈可能發(fā)生折疊并依附在主鏈 骨架上，通過分子間氫鍵、靜電作用力和空間位阻效應等非共價鍵作用力使棒狀螺旋結 構長期保持穩(wěn)定，不受外界環(huán)境的影響[79, 80]。Rengaswami等通過分子模型研宄發(fā)現(xiàn)黃 原膠分子在空間排布上呈現(xiàn)出雙螺旋構象，如圖1-3所示[80]。一般的說，黃原膠在水溶 液中可能呈現(xiàn)出3種構象：天然黃原膠可能具有一個相對較規(guī)整的螺旋結構；而經過長 時間的熱處理，黃原膠螺旋鏈會伸展為無序的卷曲鏈結構，該段溫度通常稱為構象轉變 溫度；冷卻后，螺旋和卷曲鏈在體系中均有相當程度的存在[81,82]。
10
Fig. 1-3 Double Helix chain (top) and 5-fold structure of XG
圖1-3黃原膠的雙螺旋和五重折疊構象
1.2.3.2黃原膠的基本特性
一、流變性
11
黃原膠的水溶液是一種典型的假塑性流體。在低剪切速率下，黃原膠溶液具有高黏 度。逐漸增加剪切速率能使黏度逐步下降，使溶液發(fā)生所謂的剪切變稀，即呈現(xiàn)流體的 流變假塑性行為。剪切停止后，黃原膠的黏度會迅速恢復。這種性質源于上述的黃原膠 分子結構和構象特點。水溶液中的黃原膠通過分子內和分子間的非共價健以及分子鏈間 的纏結形成的聚集態(tài)結構具有高度纏繞的網絡結構，剛性的分子鏈也使其在低剪切下具 有很高的黏度。在外界剪切作用力下，分子鏈間的纏結發(fā)生解纏，無序的網絡結構轉變 為有序的隨著剪切方向排布的分子鏈結構，從而表現(xiàn)出剪切變稀行為。研宄發(fā)現(xiàn)，加入 二價、三價鹽或者硼酸后，黃原膠的這種剪切變稀行為增強。在足夠低的剪切速率和足 夠高的濃度(>1%wt)下，黃原膠水分散液呈現(xiàn)出弱凝膠性質。這種凝膠是由非共價鍵連 結、分子鏈纏結構成的弱網絡結構，在一定的剪切力下可以被破壞。研宄還表明，對黃 原膠進行預處理如離析、干燥和再水合，這些過程會在很大程度上影響黃原膠的流變學 性質[83]。
二、協(xié)同凝膠性
黃原膠可與大多數天然多糖如淀粉、刺槐豆膠、瓜爾膠、卡拉膠、魔芋膠及結冷膠 等互溶而產生協(xié)同作用，混溶后黏度顯著提高并形成凝膠[84]。這種協(xié)同作用的機理為： 在陽離子或加熱的作用下，黃原膠能顯著改變與其共混多糖的分子鏈排列；兩者更趨向 于形成共同有序的構象，凝膠化程度增強。在三價陽離子或者硼酸鹽陰離子作用下黃原 膠也可以獨立形成物理機械性能相對較弱的凝膠[85]。
1.2.3.3黃原膠的研究應用概況
黃原膠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， 因而黃原膠可在許多食品飲料中用作乳化劑和穩(wěn)定劑。黃原膠溶液具有優(yōu)良的懸浮性、 假塑性、無毒安全性，在許多苛刻的條件(如pH、溫度、鹽等)下性能基本保持穩(wěn)定，因 此在食品中的應用比明膠、果膠等更普遍[86]。
總體來說，在食品工業(yè)中，黃原膠可作為穩(wěn)定劑、乳化劑、增稠劑、分散劑和品質 改良劑等。黃原膠應用在飲料中可懸浮果肉、并保持其良好的罐裝性；在冷凍食品與冰 淇淋中可用于控制冰晶、抗融化、延長保存期、提高膨脹率等；在肉制品中可增加持水 性、延長貨架期、抑制淀粉的回生；在蛋糕中可使蜂窩組織均勻、質體松軟、富有彈性， 延長松軟時間，具有保濕性；在乳制品中可增加黏度、防止脂肪上浮、提高熱穩(wěn)定性； 在罐裝蔬菜中可降低脫水、抗酸敗、延長儲藏期等[86]。
黃原膠優(yōu)良的增稠和剪切變稀性能在石油開采中應用也十分普遍。低濃度的黃原膠
12
水溶液可保持水基鉆井液的黏度，使鉆井液保持良好的懸浮性能，從而防止井室坍塌、 抑制地層井噴、便于將切削下的碎石排出井外，其性能遠好于聚丙烯酰胺。獨特的假塑 性使處于鉆頭附近的黃原膠由于高速旋轉引起的強剪切而表現(xiàn)出極低的黏度，這種低磨 阻特性有利于降低能耗。由于黃原膠具有抗鹽性、耐高溫性等，海洋、海灘、高鹵層以 及永凍土層等區(qū)域的鉆井作業(yè)中往往采用黃原膠作為泥漿增稠劑，節(jié)省長途輸送淡水的 費用[87, 88]。
除食品工業(yè)和油田工業(yè)外，黃原膠還被廣泛應用于食品、醫(yī)藥、化妝品、造紙、紡 織、陶瓷、消防滅火劑、日用化工、石油開采等20多個行業(yè)數百種產品[84]。
研宄發(fā)現(xiàn)，黃原膠不能被人體消化道內所含消化酶降解[89]。因此，近年來中外學者 開始研宄將XG與其他能被人體結腸消化酶降解的天然多糖(如淀粉、KGM等）通過物 理共混和協(xié)調增效作用形成共混物作為藥物緩釋載體[90]。
1.3KGM與XG之間的協(xié)同作用及其研究與應用
1.3.1KGM與XG之間的協(xié)同作用及其機理
13
Fig. 1-4 The mechanism of the synergistic interaction between KGM and XG
在可發(fā)生協(xié)同作用的多糖復合物中，葡甘聚糖與黃原膠之間的協(xié)同作用較強，機理 研宄得較為深入。KGM與XG的協(xié)同作用機理是：黃原膠分子的側鏈繞主鏈骨架反向 纏繞，通過氫鍵、靜電力等非共價鍵力作用能夠形成五重折疊(5-fold helix)的棒狀螺旋 結構。KGM和XG具有相似的分子主鏈結構，因而當兩者溶解在同一水介質中并加熱 至黃原膠構象轉變溫度(75-85°C)時[92]，含0 -1,4鍵的KGM分子與黃原膠的雙螺旋分子
魔芋葡甘露聚糖和黃原膠均為非凝膠多糖，兩者單獨在水溶液中時，在低濃度下均 為溶膠狀，無法形成凝膠。然而，KGM和XG在同一水介質中溶解時，經過一定的熱 處理能形成初步的三維網狀結構，共混膠粘度比相同濃度單一膠的粘度數倍增加或成膠 凍狀，這種現(xiàn)象稱為協(xié)同增稠性或協(xié)同凝膠性[91, 92]。其他多糖(如瓜兒豆膠[93-95]和卡拉 膠[93-98])之間也存在這種多糖間的協(xié)同作用。多糖間的協(xié)同作用在實際應用中非常廣， 它不僅節(jié)約了單一多糖的用量，混合凝膠更是能獲得比單一膠使用更好的效果。
和卷曲鏈分子發(fā)生嵌合作用，形成三維網狀結構，并在溫度降至常溫時形成熱可逆凝膠 [92, 94]。KGM和XG共混凝膠機理如圖1-4所示。
1.3.2KGM/XG復合凝膠的理論研究
KGM和XG形成的復合體系，具有很高的粘度和凝膠強度，不少文獻研宄了兩者 間的協(xié)同增效機理以及影響復合體系粘度和凝膠強度的因素，對魔芋粉和黃原膠在實際 中的應用，提供了理論依據和理論指導。Morris等對葡甘聚糖與黃原膠的協(xié)同機理進行 了研宄，并先后提出了兩者復配形成凝膠的Uniliver模型和Norwich模型[99]，為后人研 宄復合凝膠的協(xié)同機理研宄提供了模型理論依據。Goycoolea等使用DSC和X射線衍射 表征了 KGM/XG復合凝膠，從化學計量法的角度證明了 KGM與XG在加熱條件下協(xié) 同作用的自組裝特性，并得到了復合凝膠的熱轉變溫度范圍為60?70 °C，自組裝特性研 宄的結果為后人提供了復合凝膠應用研宄的理論依據[100]。楊新亭和陳云中等討論了影 響KGM/XG復合凝膠粘度和凝膠強度的相關因素。結果表明，隨著溫度與鹽離子濃度 的增大，凝膠強度下降，粘度增大，復合凝膠有望用于果醬、布丁等食品加工中[92，101]。 何東保等進一步探討了制備溫度對凝膠強度的影響，并使用FTIR技術對復合凝膠進行 了表征[102]。趙謀明等研宄了 KGM/XG復合凝膠的耐鹽穩(wěn)定性，并與其他多糖復合凝膠 進行了對比。實驗結果表明：魔芋葡甘聚糖和黃原膠在濃度極低時就能形成復合凝膠， 并比單一膠的粘度和耐鹽穩(wěn)定性大大提高，達到了用量少、成本低和提高使用效果的目 的[91]。中國學者對KGM/XG復合凝膠的熱性能和凝膠強度進行了系統(tǒng)研宄，為復合凝 膠的應用提供了實驗依據；然而，對KGM/XG復合凝膠的質構性能和粘彈性研宄鮮見 有報道。因此，需要進一步通過質構測試等手段，進一步研宄KGM/XG復合凝膠的質 構性能、凝膠強度和粘彈性等基本特性，為拓寬復合凝膠的應用提供理論和實驗依據。
1.3.3KGM/XG復合凝膠的應用研究
KGM/XG復合凝膠的優(yōu)良特性使其被廣泛應用于食品加工等領域中。韓國華等應 用魔芋精粉與黃原膠的協(xié)同增效作用，對低溫(-20 C)冷凍果餡（添加天然果汁）進 行了研宄，采用葡萄糖漿與黃原膠、魔芋精粉復合使用，在其抗析水性及抗凍性方面取得 了良好效果[103]。陳志行等使用KGM/XG復合凝膠作為甜味劑，并探討了檸檬酸等對復 合體系作為食品應用的影響[104]。另外，在國內現(xiàn)階段的研宄應用中，已市場化開發(fā)的 KGM/XG復合凝膠產品包括各種增稠劑[93]、保水劑[93]、果凍[96-98]、乳化穩(wěn)定劑[1叫、添 加劑[105]等。
14
然而，這樣的利用形式應用面窄，附加值低，利用率不高。要提高魔芋葡甘聚糖和 黃原膠復合凝膠的利用價值，充分發(fā)揮二者的協(xié)同增效作用，就需要為復合凝膠開辟新 的用途。
如1.2.2.3所述，魔芋葡甘聚糖已被廣泛應用于緩/控釋體系中，并取得了一定的臨 床效果。同時，在近年來的研宄中，黃原膠已被證實具有良好的生物相容性但不能被人 體內的消化酶所降解[106]。因此，中外學者開始著手研宄將黃原膠開發(fā)成藥物賦形劑以 及親水性骨架型緩釋片材料：Talukdar等研宄了黃原膠圓片制劑的溶脹行為，并以咖啡 因和吲哚美酸作為模型藥物，探討了黃原膠口服制劑的釋放行為。結果表明：小分子藥 物的釋放受藥物類型與黃原膠的溶脹行為所控制。其中，咖啡因作為親水性藥物，釋放 行為符合Fick擴散機制；吲哚美酸作為疏水性藥物，釋放速率由溶脹行為和骨架腐蝕共 同控制，屬于〇33611機制[1〇6]。1^和8&6仙等先后使用盤尼西林、撲爾敏、苯左卡因 和新霉素作為模型藥物，黃原膠作為固體藥物包膜，實驗結果表明該包膜有望用于緩釋 藥物制劑[1〇7-11〇]。另外，眾多針對黃原膠作為緩/控釋制劑的研宄證明：黃原膠作為親水 性骨架片時具有以下3個優(yōu)良特性：A.具有快速水化作用，溶液中離子濃度增加，則水 化速度變慢；B.多種濃度下皆為高度假塑性流體；C.流變特性與溫度和離子濃度無關。 黃原膠用量不同，藥物釋放的速率也不同。黃原膠的用量較高時可制得在人工腸液中近 乎零級釋放的制劑[111, 112]。
KGM和XG單獨使用是作為藥物賦形劑和藥物包膜已被廣泛研宄，兩者在多糖總 濃度極低時即可形成高強度熱可逆凝膠的協(xié)同作用也被證實并應用于多個工業(yè)領域。然 而，KGM/XG復合體系作為藥物載體的研宄卻鮮有報道。
1.4本研究的目的意義和主要內容 1.4.1本研究的目的和意義
魔芋粉和黃原膠雖然具有很強的協(xié)同增效作用，但是兩者形成的復合凝膠的粘彈 性、溶脹度及相關物理機械強度隨著實驗條件的不同而變化很大。因此，本研宄通過單 因子實驗確定各種實驗條件對復合凝膠溶脹度等相關性質的影響及其規(guī)律，進一步優(yōu)化 實驗工藝，尋求平衡成本和凝膠強度的較佳實驗配方。
KGM/XG復合凝膠在現(xiàn)階段的研宄中主要用于乳化劑、增稠劑等，但是這樣的利 用模式，附加值低，利用率不高。要提高KGM和XG的利用價值，充分發(fā)揮兩者的協(xié) 同作用，就要為KGM/XG復合凝膠開辟新的用途。
15
KGM和XG均來源于自然界，安全無毒，為可再生資源；KGM和XG的分子結構 中均含有大量親水性基團，因此，兩者形成的復合凝膠具有很好的溶脹性；同時，經研 宄發(fā)現(xiàn)，KGM在經過上消化道時不會被存在于胃及小腸的酶所降解，只有當到達結腸 部位后，被存在于結腸部位的P-甘露糖酶降解，而XG更是不能在人體消化酶的作用下 降解。根據以上分析，可將KGM/XG復合凝膠開發(fā)成藥物載體。
本工作利用KGM和XG的協(xié)同作用，制備具有良好溶脹行為的包埋型載藥復合凝膠: ①研宄包埋尿素的KGM/XG復合凝膠的釋放特性，可望為將KGM/XG二元復合凝膠作為 化肥的緩釋載體，從而提高尿素的利用率和達到較好的環(huán)保效應提供理論依據和新的研 宄思路；①研宄包埋左旋多巴和包埋4-氨基水楊酸的KGM/XG復合凝膠的釋放特性，可 以提高左旋多巴和4-氨基水楊酸的利用率，減少兩者的“首過效應”和突釋現(xiàn)象，盡可 能減少藥物在人體結腸前釋放，并保證在結腸部位迅速釋放，以達到理想的緩釋和結腸 定位效果。為將KGM/XG二元復合凝膠設計為安全無毒的口服結腸給藥系統(tǒng)（Oral Colon Drug Delivery System, OCDDS)提供實驗和理論依據。
1.4.2本研究的主要內容
要將KGM/XG復合凝膠設計為環(huán)境友好的包埋型載藥體系，就必須對KGM/XG復 合凝膠的制備條件、凝膠強度、粘彈性和溶脹性能進行測試和分析，了解小分子藥物與 復合凝膠之間的相互作用，探討復合凝膠用于環(huán)保型農業(yè)和結腸給藥體系的可能性。
因此，本課題的主要研宄內容包括三個部分：
(1)包埋小分子藥物的KGM/XG復合凝膠的制備與表征利用KGM和XG的協(xié) 同作用，通過簡單的包埋技術實現(xiàn)小分子藥物在復合凝膠內的均勻分散，采用紅外光譜
(FTIR)、質構測試（TPA)、流變儀（RDA)和溶脹測試對復合凝膠進行鑒定與表征； 研宄小分子藥物、KGM、XG的相互作用；綜合成本、凝膠強度和對釋放特性的影響三 個方面探索合成包埋型載藥KGM/XG復合凝膠的較佳條件。
(2)包埋尿素的KGM/XG復合凝膠的釋藥性能研宄通過改變多糖總濃度、多糖 比例和溫度、pH等因素，探討凝膠組成、制備條件和釋放環(huán)境對該體系的尿素釋放特 性的影響，確定最佳工藝條件。
(3)包埋左旋多巴和4-氨基水楊酸的KGM/XG復合凝膠的釋藥性能和釋藥動力學 研宄采用紫外光譜儀研宄包埋型KGM/XG復合凝膠的體外模擬釋藥行為，利用經典 的Peppas動力學方程擬合藥物累積釋放率小于或等于60%的部分，研宄左旋多巴和4- 氨基水楊酸從復合凝膠中釋放的機理。
16
第二章葡甘聚糖/黃原膠復合凝膠的制備與基本性質研究
2.1前言
自上世紀70年代，Pettitt等發(fā)現(xiàn)KGM與XG在水溶液中會產生協(xié)同作用，在低的 多糖濃度下即可制成凝膠的現(xiàn)象以來[91]，國內外學者對KGM/XG復合凝膠的粘度、凝 膠特性、表征影響因素、形成機制和應用研宄等進行了很大研宄，取得了一定的成果 [91-94]。然而，關于KGM/XG復合凝膠的質構性能、流變性能以及溶脹特性方面的研宄 仍然鮮見有報道，關于凝膠強度的報道也大多缺乏系統(tǒng)的表征手段。在應用方面，將 KGM/XG復合凝膠用作藥物載體的研宄也相對較少。
為了深入理解KGM和XG的協(xié)同凝膠作用，為優(yōu)化制劑配方提供依據，有必要對 KGM/XG復合凝膠的凝膠強度、流變性能和溶脹特性進行系統(tǒng)研宄。本章通過分組討 論，探討研宄了多糖濃度、KGM/XG共混比例、溫度和pH值等實驗參數，考察KGM/XG 復合凝膠的的各種環(huán)境響應性；并考察不同載藥量下復合凝膠的不同特性，為KGM/XG 復合凝膠在緩/控釋給藥體系等附加值更高的應用提供理論和實驗依據。
2.2實驗部分 2.2.1原料和試劑
實驗中所用到的主要原料和試劑列于表2-1中。
表2-1主要原料與試劑
Table 2-1 The raw materials and reagents used in the experiments
原料名稱規(guī)格產地及生產廠家
葡苷聚糖（KGM)3ASF-0512海南多環(huán)保健品有限公司北海分公司
黃原膠（XG)食品級山東中軒股份有限公司
無水乙醇分析純天津市富宇精細化工有限公司
二甲基硅油PMX200-500 化學純煙臺長信化工有限公司
36%鹽酸分析純廣州化學試劑廠
磷酸二氫鈉分析純廣州化學試劑廠
磷酸二氫鉀分析純廣州化學試劑廠
氫氧化鈉分析純廣州化學試劑廠
醋酸鈉分析純廣州化學試劑廠
硼酸分析純廣州化學試劑廠
氯化銨分析純廣州化學試劑廠
17
2.2.2主要設備和儀器
實驗中所用到的主要設備和儀器列于表2-2中。
表2-2主要設備與儀器
Table 2-2 The main equipments and instruments used in the experiments
設備名稱型號規(guī)格生產廠家
磁力攪拌機KMO 2 basic 型廣州儀科實驗室技術有限公司
電子天平BS200S 型賽多利斯科學儀器(北京)有限公司
電熱恒溫真空干燥箱DZ60 型上海醫(yī)療器械七廠
紅外光譜儀FTS 3000Bio-Rad 公司
質構儀TA.X2i 型SMS 公司
雷磁精密pH計PHS-3C 型上海精密科學儀器有限公司
高級應變控制流變儀RDA m 型Reometric Scientific, USA
2.2.3KGM/XG復合凝膠的制備
根據表2-3的設計，計算一定量的復合凝膠中各組分的用量；分別稱取一定量的 KGM和XG置于50 ml燒杯中，以適量的蒸餾水進行溶脹；室溫下攪拌2h，使其充分 混合溶脹;將混合溶膠置于80°C水浴鍋中加熱2 h，再冷卻至室溫即制得相應的KGM/XG
復合凝膠。
表2-3 KGM/XG復合凝膠的組成設計
Table 2-3 The formula of composition of KGM/XG plural gel
濕凝膠的組成單位重量多糖的載藥量(mg/g)
No.多糖總濃度 (%)KGM
(wt:XG
；wt)尿素左旋多巴4-氨基水楊酸
A-10.211000
A-20.511000
A-31.011000
A-42.011000
A-51.037000
A-61.073000
室溫下加入無水乙醇使其脫水，用蒸餾水快速洗滌5?10次。使用打孔器將復合凝
18
膠樣品切為直徑為直徑為10 mm,厚度為2 mm的圓柱片。均勻鋪在培養(yǎng)皿中，在40 °C下烘干至恒重，烘干后的樣品為干凝膠。
2.2.4KGM/XG復合凝膠的結構與基本性質表征
2.2.4.1紅外光譜分析
采用Bio-Rad公司的FTS 3000型紅外光譜儀記錄被測樣品的紅外分析譜圖。采用 溴化鉀壓片法制樣。具體壓片方法：精確稱取2.0 mg實驗樣品，加入干燥的KBr約200 mg，磨細后裝入壓片機壓成薄片。
2.2.4.2質構測試
質構儀(Texture Analyzer)，可對食品類樣品的如物理機械強度等物性概念作出數據 化的表征。儀器設計有多種探頭可供選擇，是國內外公認的質構標準檢測儀器。質構儀 可用于分析食品樣品的硬度、脆性、彈性、黏性、拉伸強度、抗壓強度、穿透強度、內 聚性、黏附性、松弛性、咀嚼性、破壞強度、恢復度、斷裂強度、張力、破裂點、剝離 強度、鋪展性、果蔬新鮮度和食物加工法等，也可用于檢測包裝材料的硬度、彎曲強度、 抗拉伸強度、穿透強度和彈性等多種參數[113]。而在質構儀的多種測試模式中，TPA (Texture Profile Analysis)無疑是應用最廣泛的一種測試模式。
TPA質構測試又被稱為兩次咀嚼測試(Two Bite Test，TBT)主要是通過模擬人口腔
19
Fig. 2-1 TPA test feature curve
1.硬度：樣品達到一定變形時所必須的力。硬度值指探頭第一次擊沖樣品時的壓
的咀嚼運動，對固體半固體樣品進行兩次壓縮，得到如圖2-1所示的質構測試曲線，從 中分析質構特性參數。
力峰值。
2.彈性：變形樣品在去除變形力后恢復到變形前的條件下的高度或體積比率。它 的度量是探頭第二次擊沖樣品時的測量高度與第一次測量時的高度的比值，即圖2-1中 的長度2與長度1的比值。
3.粘聚性或粘結性：該值可模擬表示樣品內部粘合力，即將樣品保持原來物理性 態(tài)的內聚力。它的度量是探頭第二次擊沖樣品時的作功面積與第一次測量時的作功面積 的比值，即圖2-1中的面積2與面積1的比值。
4.粘著性：該值模擬表示在探頭與樣品接觸時用以克服兩者表面間吸引力所需的 力。它的度量值是負的峰值面積與探頭第一次擊沖樣品時下壓擊沖階段面積的比值，即 圖2-1中的面積3與面積4的比值。
5.膠著性：該值摸擬表示將半固體的樣品破裂成吞咽時的穩(wěn)定狀態(tài)所需的能量， 計算公式為：硬度X粘聚性。
6.咀嚼度：該值摸擬表示將半固體的樣品咀嚼成吞咽時的穩(wěn)定狀態(tài)所需的能量， 計算公式為：膠著性X彈性（或硬度X粘聚性X彈性）。
7.脆性：第一次壓縮過程中若是產生破裂現(xiàn)象，曲線中出現(xiàn)一個明顯的峰，此峰 值定義為脆性。
本實驗采用TA.X2i型質構儀在室溫下記錄被測樣品的質構譜圖。復合凝膠樣品高 度為30 mm，直徑60 mm。使用P/0.5探頭，測試前速率（探頭接觸樣品前的行進速率) 為5.0 mm/s，測試速率（探頭接觸樣品后的行進速率）1.0 mm/s，測試后速率（探頭壓 縮樣品后的回調速率）與測試速率一致，壓縮程度為50%，停留時間3.0 min,觸發(fā)值 5.000 g。每組3個平行樣品，取平均值，控制相對誤差為±5%。
2.2.4.3KGM/XG復合凝膠的流變性能研究
KGM/XG復合凝膠的流變特性使用高級應變控制流變儀（RDAm，Reometric Scientific公司，美國）進行研宄測試。使用直徑為25 mm的平板夾具，濕凝膠樣品厚 度為2.0 mm。測試前，在樣品表面涂上一薄層二甲基硅油，防止復合凝膠水分蒸發(fā)影 響結果精度。設定恒溫動態(tài)頻率掃描范圍為0.1?100 rad/s，測量應變設定為1.0%，測試 溫度分別為25 °C和37 °C。等頻溫度掃描過程中，頻率值和初始應變分別設為10.0 rad/s 和1.0%，加熱速率為1.0 °C/min。每組3個平行樣品，取平均值，控制相對誤差為±5%。
2.2.4.4KGM/XG復合凝膠在不同環(huán)境下的溶脹行為研究
根據表2-4配制不同pH值的緩沖溶液[114]，用于考察不同環(huán)境下KGM/XG復合凝
20
膠的溶脹行為。
表2-4不同pH值緩沖溶液的配方設計
Table 2-4 The Formula of buffer solutions with different pH
No.緩沖液pH緩沖液組成
S-1鹽酸緩沖溶液1.0準確稱取9 ml 36%鹽酸于1000 ml容量
瓶中，加蒸餾水定容，搖勻。
S-2磷酸鹽緩沖液2.0甲液：取磷酸17 ml,加水至1000 ml,
搖勻。乙液：取磷酸氫二鈉71.600 g, 加水使溶解成1000 ml。取上述甲液73 ml與乙液28 ml混合，搖勻。
S-3醋酸一鈉鹽緩沖液3.0取冰醋酸50 ml,加水800 ml混合后， 用0.2 mol/ml氫氧化鈉溶液調節(jié)pH值 至3.0,加蒸餾水稀釋至1000 ml，搖勻。
S-4醋酸一鈉鹽緩沖液4.0取冰醋酸26 ml,加水800 ml混合后， 用 0.2 mol/ml 氫氧化鈉溶液調節(jié) pH 值 至4.0,加蒸餾水稀釋至1000 ml，搖勻。
S-5磷酸鹽緩沖液5.0取0.2 mol/L磷酸二氫鈉溶液一定量，用 0.2 mol/ml氫氧化鈉溶液液調節(jié)pH值至 5.0，加蒸餾水稀釋至1000 ml,搖勻。
S-6醋酸一醋酸鈉緩沖
液6.0取醋酸鈉54.600g,加1.0mol/L醋酸溶 液20ml溶解后，加蒸餾水稀釋至500ml。
S-7磷酸鹽緩沖液7.0取磷酸二氫鉀0.700 g,加0.1 mol/L氫
氧化鈉溶液29 ml,加蒸餾水稀釋至100 ml,搖勻。
S-8磷酸鹽緩沖液8.0取磷酸氫二鉀5.600 g與磷酸二氫鉀 0.410 g,加1000 ml蒸餾水使溶解。
S-9硼酸一氯化鉀緩沖 液9.0取硼酸3.090 g,加0.1 mol/L氯化鉀溶 液500 ml使溶解，加蒸餾水稀釋至 1000ml,搖勻。
S-10氯化銨緩沖液10.0取氯化銨5.400 g,加水20 ml溶解后，
再加蒸餾水稀釋至100 ml,搖勻。
S-11磷酸鹽緩沖液6.8取 0.2 mol/L 磷酸二氫鉀溶液 250 ml , 加0.2 mol/L氫氧化鈉溶液118 ml,加 二次去離子水稀釋至1000 ml,搖勻。
S-12磷酸鹽緩沖液7.4取磷酸二氫鉀1.400g，加0.1mol/L氫氧 化鈉溶液79ml，加蒸餾水稀釋至200 ml
21
準確稱取200 mg的KGM/XG復合干凝膠，使用200目的濾網包裹，置于一定pH 值的緩沖溶液中；每隔一定時間將濾網從溶液中取出，用濾紙吸去復合凝膠表面水分， 稱重;根據式2-1即可計算該樣品在這pH緩沖溶液中的溶脹比SR( Swelling Ratio, SR):
SR=(W2-WI)/WI(2-1)
式中：SR—一復合凝膠溶脹一段時間后的溶脹度
W1復合干凝膠的初始質量，g
W2復合干凝膠溶脹一段時間后的質量，g
2.3結果與討論
2.3.1 KGM/XG復合凝膠的紅外分析
用紅外光譜法表征KGM、XG和不含藥物的KGM/XG復合凝膠的化學結構，它們 的FTIR譜圖如圖2-2所示。圖中，3437cm-1處出現(xiàn)的吸收峰是多糖分子中羥基-OH存 在分子間及分子內的氫鍵振動吸收造成的；波數位于1730 cm-1處為KGM和XG的羰基 和乙酰基振動吸收峰；位于2932cm-1的峰則是KGM、XG大分子主鏈中六元環(huán)的C-H 振動吸收峰；位于1240 cm-1和1450 cm-1處的峰則分別歸因于C-O的伸縮振動峰和一 CH2-的振動吸收峰。
Wave number (cm-1)
圖2-2葡甘聚糖、黃原膠和KGM/XG復合凝膠的紅外譜圖 Fig. 2-2 FTIR spectra of KGM, XG and KGM/XG plural gel
通過紅外譜圖，可以發(fā)現(xiàn)KGM和XG分子上含有豐富的羥基基團，這就從分子結
22
構的角度解釋了 KGM與XG通過氫鍵交聯(lián)形成凝膠的機理。而對比原始KGM粉末和 XG 粉末，KGM/XG 復合凝膠的譜圖中 3437 cm-1、2932 cm-1、2153 cm-1、1650 cm-1、 1450 cm-1和1026 cm-1處的吸收峰都要明顯增強，這是由于KGM和XG通過協(xié)同作用
形成了三維網狀結構的復合凝膠。
2.3.2KGM/XG復合凝膠的質構性能
根據2.2.4.2所述方法進行TPA測試，分別考察了表2-3中各個實驗樣品的硬度、 脆性、彈性和粘結性，TPA測試結果如圖2-3和表2-5所示。為便于對復合凝膠的物性 測試數據有比較直觀感知，同時測試了市場上常見的果凍，即8%海藻酸鈉凝膠果凍的 TPA數據。
從圖2-3和表2-5可以看出，固定KGM與XG的質量比為1 : 1時，復合凝膠的硬 度和脆性隨著多糖濃度的增大顯著增大，彈性和粘結性的影響則不明顯。KGM:XG (wt : wt)分別為3 : 7和7 : 3的A-5和A-6樣品的硬度和脆性均比1 : 1的A-3樣品 有所減小。
表2-5不同組成的復合凝膠的TPA質構測試結果 Table 2-5 TPA characteristics of the KGM/XG plural gel with different compositions
復合凝膠的組成
No.多糖總濃度 (%)KGM : XG
(wt :wt)硬度/g脆性/g彈性粘結性
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%海藻酸鈉果凍17.732.10.9770.257
A-1?A-4樣品中，隨著多糖濃度的增大，復合凝膠中多糖基質增多，凝膠強度增大， 導致測試結果中硬度和脆性隨多糖濃度顯著增大。另外，葡甘聚糖與黃原膠均為生物多 糖，其分子結構相似，二者通過氫鍵作用實現(xiàn)協(xié)同凝膠性。從化學計量的角度來說，當 KGM/XG質量比偏離1 : 1時，KGM與XG的大分子之間有可能“嵌合”不夠完善， 協(xié)同效應受到抑制，從而使凝膠強度減弱，表現(xiàn)為測試結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%海藻酸鈉果凍
圖2-3 KGM/XG復合凝膠TPA質構圖 Fig. 2-3 Texture characteristics of KGM/XG plural gel in different composition 24
文獻報道[92]葡甘聚糖和黃原膠在實際應用中作為一種良好的食品增稠劑與穩(wěn)定劑， 兩者形成的復合凝膠具有很高的粘度和物理機械性能，表2-5中與8%的海藻酸鈉凝膠 果凍樣品的對比結果也證明了這一點。
2.3.3KGM/XG復合凝膠的流變性能
2.3.2中的質構分析結果表明KGM/XG復合凝膠具有很高的硬度和凝膠強度，葡甘聚糖和黃原膠復合凝膠的性能及其作為藥物載體的應用研究，為進 一步探索葡甘聚糖和黃原膠在形成凝膠過程中的協(xié)同作用，探討KGM/XG復合凝膠用 作藥物載體的可能性，就必須對其流變性能進行研宄，考察KGM/XG復合凝膠在外力 作用下的凝膠穩(wěn)定性。
2.3.3.1多糖濃度對復合凝膠流變特性的影響
根據濃或亞濃高分子溶液動態(tài)粘彈行為的參數研宄理論，儲存模量表征的是交聯(lián)網 絡的彈性，損耗模量則表征高分子鏈段間相互磨擦阻力[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)
圖2-4不同多糖濃度的KGM/XG復合凝膠在25 °C下的流變性能 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
圖2-4 (a)、（b)和(c)分別表示不同多糖濃度的KGM/XG復合凝膠A-1?A-4的儲能模 量G’、損耗模量G”和損耗角正切tan 5 (=G”/G’）對角頻率ra的依賴關系。在實驗觀 察的角頻率范圍內（0.1-100 rad/s)，G’和G”都幾乎不具有頻率依賴性，且始終有G’ > G” 和tan 5遠低于1.0。由此可以說明，KGM和XG通過協(xié)同作用形成的復合凝膠為高強 度凝膠[117]。
隨著多糖濃度的增加，儲能模量和損耗模量相應增大。G’增幅遠遠大于G”，使得 tan 5在大部分角頻率范圍內隨多糖濃度的增加而降低；當多糖濃度增加至2%時，tan 5 在0.1-100 rad/s范圍內均小于0.1。由此表明，隨著多糖濃度的增加，復合凝膠強度增強。 圖2-4也從流變學角度解釋了 2.3.2中KGM/XG復合凝膠的質構測試結果。綜合成本和 凝膠強度兩個方面考慮，以下實驗應選擇多糖總濃度為1 %作為實驗條件。
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多糖比例對復合凝膠流變性能的影響
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)
圖2-5不同多糖比例的KGM/XG復合凝膠在25 °C的流變性能 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
固定總的多糖濃度為1%，改變KGM和XG的質量比，探討KGM/XG質量比對復 合凝膠流變性能的影響，結果如圖2-5所示。顯然，復合凝膠的流變特性隨角頻率的變 化趨勢與圖2-4相似，G’也具有很小的頻率依賴性，并且在實驗觀察的角頻率范圍內 (0.1-100 rad/s)內始終有G’ > G”?？梢姸嗵潜壤龑秃夏z的流變特性影響不大。 KGM/XG質量比的不同導致復合凝膠的流變性能的差異在于當KGM/XG質量比偏離 1:1時，復合凝膠的儲能模量小幅增大，而損耗模量并沒有太大變化，導致tan S增 大。這有可能是因為葡甘聚糖和黃原膠分子間的“嵌合”程度不同而導致的復合凝膠強 度變化。因此，從流變學性質和凝膠強度的角度來看，制備KGM/XG復合凝膠的最佳 質量比為1 : 1。
2.3.3.3溫度對復合凝膠流變性能的影響
在25?90〇C的溫度范圍內，通過等頻溫度掃描，考察了多糖濃度為1%，KGM和 XG的質量比為1 : 1的KGM/XG復合凝膠樣品A-3的流變性能，測試結果如圖2-6所 示。從圖中可以看出，在所考察的溫度范圍內，A-3樣品的流變特性對溫度的依賴總體 上體現(xiàn)出三個明顯不同的階段。在25?60 〇C的溫度區(qū)間，復合凝膠的儲能模量、損耗 模量和損耗角正切都保持相對穩(wěn)定；在隨后的第二階段（60?70 °C)，復合凝膠的儲能 模量顯著降低并在約70 °C時保持相對穩(wěn)定。由于此溫度區(qū)間中損耗模量沒有太大變化， 因此復合凝膠的損耗角正切隨著溫度的增大而顯著提高，最大值達到1.100;在第三階 段，即75?85 〇C，儲存模量和損耗模量再度顯著降低，并伴隨著損耗角正切的變化而達 到一個相對低的穩(wěn)定值。
復合凝膠這一流變特性表明KGM/XG復合凝膠為熱可逆凝膠。在溫度掃描的第一 階段，復合凝膠在較低的溫度下仍能保持高強度凝膠狀物理狀態(tài)，因此，復合凝膠的流 變性質并沒有太大變化。在60?70 °C的溫度掃描第二階段，隨著溫度的升高，復合凝 膠中KGM和XG之間的氫鍵解離，協(xié)同作用減弱，流動性增強，實驗用樣品從凝膠狀 向溶膠狀轉變。這一階段也證明了 KGM/XG復合凝膠的凝膠轉變溫度為60?70 〇C。在 溫度達到75 〇C時，此前一直保持相對穩(wěn)定的損耗模量顯著降低，在溫度達到80 〇C時 儲存模量也再度顯著降低。因此，第三階段儲存模量和損耗模量的變化是黃原膠分子在 熱處理過程中規(guī)整的相對較規(guī)整的雙螺旋結構和無序的卷曲鏈結構間相互轉變造成的 結果。由于黃原膠構象的變化，KGM與XG之間的氫鍵進一步解離，凝膠強度迅速降 低。
27
(32 X) 9 I
M/bb
30405060708090
T/V
圖2-6 KGM/XG復合凝膠在不同溫度下的流變特性 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復合凝膠的溶脹行為
凝膠的溶脹行為與凝膠的性質、組成與外部溶液狀況有關。而凝膠在不同外部條件 (pH值、溫度等）下的溶脹行為的差異，影響著包埋于凝膠中的藥物分子向外擴散的 速率[118,119]。因此，凝膠的溶脹行為對藥物的釋放行為有著重要的影響。
基于上述分析，探討了 KGM/XG復合凝膠的組成、制備條件和釋放環(huán)境對該體系 的溶脹特性的影響。
在25 °C下，通過各個復合凝膠樣品在不同介質中的溶脹試驗，可對比分析不同組 成復合凝膠在不同pH值的緩沖溶液中的溶脹行為，結果如圖2-7所示。從圖2-7(a)可 以看出，當固定KGM : XG (wt : wt) = 1 : 1時，在酸性環(huán)境下，不同多糖濃度復合凝 膠的溶脹均受到抑制；而隨著pH值的增大，復合凝膠的平衡溶脹度明顯增大，并在pH 值為6.0?7.0的較偏酸性的范圍內達到最大值。在pH=8.0的偏堿性介質中，所有樣品的 平衡溶脹度對比中性條件下基本保持平衡。
不同多糖濃度的復合干凝膠之間在溶脹特性上存在著明顯的差異。在pH= 1.0和pH = 2.0的介質中，多糖濃度最大和最小的樣品A-1和A-4的平衡溶脹度高于多糖濃度居 中的樣品A-2和A-3;在pH>3.0的測試范圍內，復合凝膠的平衡溶脹度隨著多糖濃度 的增大而增大。多糖濃度為1.0%和2.0%的A-3和A-4樣品的平衡溶脹度分別在pH= 6.0和pH=7.0的介質中達到最大值，分別為104.00和119.10,而在同一 pH介質中A-1 (多糖濃度為0.2%)平衡溶脹度的最大值僅為53.53。
28
這一溶脹特性與復合凝膠的pH敏感性和不同多糖濃度的復合凝膠間凝膠強度的不 一致有關。KGM為非離子型多糖，XG帶有可離子化的弱酸基團，為陰離子型多糖[84]， 因而兩者通過協(xié)同作用形成的復合凝膠具有pH敏感性。在酸性較強的介質中，葡甘聚 糖和黃原膠間氫鍵作用加強，凝膠溶脹被抑制[120]；而在偏堿性環(huán)境中，電荷間的靜電 斥力作用使葡甘聚糖和黃原膠分子鏈構象更為舒展，復合凝膠溶脹行為增強。另外，黃 原膠中弱酸基團在離子化后有可迀移的反離子存在，在復合凝膠內外兩側產生滲透壓， 使得外部溶劑在滲透壓驅動下進入復合凝膠，其溶脹行為增強[121-123]。
隨著復合凝膠多糖濃度的增加，平衡溶脹度SR增大。這是因為KGM和XG含量 的增多使復合凝膠中親水性基團增多，凝膠溶脹度增大；而KGM與XG的協(xié)同作用使 復合凝膠強度隨著多糖濃度的增大而增大，凝膠溶脹能力增強。
(a)
在pH較低時，多糖濃度較低的復合凝膠所含KGM、XG基質較少，葡甘聚糖和黃原膠復合凝膠的性能及其作為藥物載體的應用研究，兩者間氫鍵作 用更易受到酸性破壞而使外部溶劑進入凝膠。因此，pH=1時多糖濃度最小的A-1 (0.2 %)平衡溶脹度反而最大。
圖2-7不同多糖濃度與多糖比例的KGM/XG復合凝膠在不同pH值下的平衡溶脹度 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
固定多糖濃度為1%，圖2-7(b)中三個樣品平衡溶脹度對pH值的依賴關系表現(xiàn)出與 圖2-7(a)中相似的趨勢。平衡溶脹度同樣隨著pH的增大而顯著增大，并在pH為7.0時 達到最大值。在pH為1.0和2.0的酸性介質中，樣品A-3、A-5和A-6的平衡溶脹度并 沒有太大差別；當pH>3.0時，隨著黃原膠用量的增加，復合凝膠平衡溶脹度增大。這 是因為XG含量的增大使復合凝膠中一COO-基團增多，pH值較高時靜電斥力與凝膠內 外兩側反離子滲透壓增大，復合凝膠pH響應性增大。因此，增加黃原膠的用量可明顯
29
增大KGM/XG復合凝膠在堿性環(huán)境下的平衡溶脹度。然而，從2.3.2和2.3.3.2中A-5
樣品凝膠強度明顯低于A-3的結果可以推斷，盡管堿性條件下增加黃原膠的用量可增大 復合凝膠的平衡溶脹度，但是其在吸水溶脹后的凝膠強度相對較弱。
2.4本章小結
利用天然多糖KGM與XG在形成凝膠過程中的協(xié)同作用以及簡單的包埋工藝，制 備了包埋尿素（Urea)、左旋多巴（L-Dopa)和4-氨基水楊酸（4-ASA)的KGM/XG復 合凝膠，通過復合凝膠的紅外表征以及系統(tǒng)地考察不同組成的復合凝膠在不同溫度和 pH值的質構性能、流變特性和溶脹行為，可以得出以下結論：
(1)復合凝膠的紅外表征結果表明葡甘聚糖和黃原膠通過協(xié)同作用形成具有三維 網狀結構的復合凝膠。
(2)質構測試和流變測試結果表明通過協(xié)同作用形成的KGM/XG復合凝膠具有較 大的硬度和脆性，為高強度凝膠。同時隨著多糖濃度的增大，復合凝膠強度增大；當 KGM和XG的質量比偏離1 : 1時，大分子間“嵌合”不完善而致使復合凝膠強度下降。 流變特性研宄同時表明KGM/XG復合凝膠為熱可逆凝膠，凝膠一溶膠轉變溫度為60?70
°C。
(3)KGM/XG復合凝膠的溶脹行為具有明顯的pH敏感性。在pH<3.0的酸性條件 下，復合凝膠的溶脹受到限制；在pH>3.0的介質中，靜電斥力和同離子滲透壓使復合 凝膠溶脹行為增強，并在pH為6.0?8.0的中性和偏堿性范圍內達到最大值。復合凝膠的 平衡溶脹度隨著多糖濃度的增大而增大；適當XG的含量，可以增大復合凝膠的平衡溶 脹度，但凝膠強度則相應減弱。
(4)通過探討不同多糖濃度、KGM和XG的質量比、溫度、pH等條件對復合凝 膠強度和溶脹特性的影響，確定了用于載藥體系的KGM/XG復合凝膠的較佳反應條件。 實驗結果表明：多糖濃度為1%、KGM : XG (wt : wt) = 1 : 1時，復合凝膠具有相對 較強的凝膠強度，形成的三維網絡結構能在一定壓力和溫度范圍內保持相對穩(wěn)定。
30
第三章載藥的KGM/XG復合凝膠的制備及其基本性質研
究
3.1前言
第二章中研宄了 KGM/XG復合凝膠的結構、流變性能和溶脹特性，并初步得到了 作為藥物載體的KGM/XG復合凝膠的較佳實驗條件。本章基于KGM/XG復合凝膠良好 的溶脹特性，擬將尿素（Urea)、左旋多巴（L-DOPA)和4-氨基水楊酸（4-ASA)作為 模型藥物，制得包埋藥物的KGN/XG復合凝膠，考察其質構性能、流變性能和溶脹特 性。當KGM/XG復合凝膠包埋了藥物之后，由于不同藥物的化學結構的差異，載藥的 復合凝膠的基本特性，如流變性能和溶脹特性等將發(fā)生不同的變化，這些變化將最終影 響復合凝膠的釋放特性。
尿素是一種高濃度氮肥，直接施用往往由于在水溶液中溶解速度快而造成農作物吸 收不及[124]。因此，以KGM/XG作為載體包埋尿素，研宄開發(fā)相應的緩釋/控釋化肥，可 望為提高尿素的利用率和減少農業(yè)環(huán)境污染作出貢獻。
左旋多巴為微溶性精神類藥物，可用于治療帕金森病。直接口服左旋多巴時往往由 于其過快的吸收會導致病人出現(xiàn)惡心、嘔吐和排尿困難等不良反應[125]; 4-氨基水楊酸同 為微溶性藥物，主要用于治療潰瘍性結腸炎，但由于水楊酸類口服藥可被胃和小腸迅速 吸收，這樣很難保證有足夠量的藥物到達結腸而起抗炎作用，同時吸收入體內的藥物易 產生副作用[126,127]?；谝陨戏治?，本章將制備包埋左旋多巴和4-氨基水楊酸的 KGM/XG復合凝膠，并研宄其質構性能、流變性能和溶脹特性，研宄小分子藥物與復 合凝膠之間的相互作用，為復合凝膠的釋放特性研宄提供實驗依據。
3.2實驗部分 3.2.1原料和試劑
實驗中所用到的主要原料和試劑列于表3-1中。
31
0.01
VA
>▲
▲
0.2%
0.5%
1%
2%
Table 3-1表3-1主要原料與試劑
The raw materials and reagents used in the experiments
原料名稱規(guī)格產地及生產廠家
葡苷聚糖（KGM)3ASF-0512海南多環(huán)保健品有限公司北海分公司
黃原膠（XG)食品級山東中軒股份有限公司
無水乙醇分析純天津市富宇精細化工有限公司
二甲基硅油PMX200-500 化學純煙臺長信化工有限公司
36%鹽酸分析純廣州化學試劑廠
磷酸二氫鈉分析純廣州化學試劑廠
磷酸二氫鉀分析純廣州化學試劑廠
氫氧化鈉分析純廣州化學試劑廠
醋酸鈉分析純廣州化學試劑廠
硼酸分析純廣州化學試劑廠
氯化銨分析純廣州化學試劑廠
3.2.2主要設備和儀器
實驗中所用到的主要設備和儀器列于表3-2中。
表3-2主要設備與儀器
Table 3-2 The main equipments and instruments used in the experiments
設備名稱型號規(guī)格生產廠家
磁力攪拌機KMO 2 basic 型廣州儀科實驗室技術有限公司
電子天平BS200S 型賽多利斯科學儀器(北京)有限公司
電熱恒溫真空干燥箱DZ60 型上海醫(yī)療器械七廠
紫外可見分光光度計UV-1700 型日本SHIMADZU公司
紅外光譜儀FTS 3000Bio-Rad 公司
質構儀TA.X2i 型SMS 公司
雷磁精密pH計PHS-3C 型上海精密科學儀器有限公司
高級應變控制流變儀RDA m 型Reometric Scientific, USA
3.2.3載藥的KGM/XG復合凝膠的制備
準確稱取尿素（Urea)對照品5.000 g, 200 ml蒸餾水溶解，再準確定容至500 ml,
32
則該尿素儲備液濃度為10 mg/ml，室溫下陰暗處保存。
精確稱取左旋多巴（Levodopa，L-Dopa)對照品250 mg,使用0.01 mol/L的稀鹽酸
水溶液溶解，再準確定容至1000 ml,搖勻，則該左旋多巴儲備液濃度為250昭/ml, 3 °〇下陰暗處保存。
精確稱取4-氨基水楊酸（4-Aminosalicylic acid，4-ASA)對照品250 mg，使用pH
= 1.0的鹽酸溶液溶解，再準確定容至1000 ml，搖勻，則該4-氨基水楊酸儲備液濃度為 250昭/ml，3 °C下陰暗處保存。
根據表3-3的設計，計算一定量的復合凝膠中各組分的用量；分別稱取一定量的 KGM和XG置于50 ml燒杯中，以適量以上配制的尿素、左旋多巴、4-氨基水楊酸儲備 液進行溶脹；室溫下攪拌2h，使其充分混合溶脹；將混合溶膠置于80C水浴鍋中加熱2 h，再冷卻至室溫即制得相應的包埋藥物的KGM/XG復合凝膠。
室溫下加入無水乙醇使其脫水，用蒸餾水快速洗滌5?10次，并收集濾液；使用紫
外分光光度計測定洗液在400 nm、280 nm和299 nm處并不存在吸收，由此認為用于制
備包埋藥物復合凝膠的溶脹液中所有尿素、左旋多巴分子和4-氨基水楊酸分子已均勻包 埋于復合凝膠中。
使用打孔器將復合凝膠樣品切為直徑為直徑為10 mm，厚度為2 mm的圓柱片。均 勻鋪在培養(yǎng)皿中，在40C下烘干至恒重，烘干后的樣品為干凝膠。
表3-3載藥的KGM/XG復合凝膠的組成設計 Table 3-3 The formula of composition of KGM/XG plural gel embedding different drugs
濕凝膠的組成單位重量多糖的載藥量（mg/g)
No.多糖總濃度 (%)KGM
(wt:XG
；wt)尿素左旋多巴4-氨基水楊酸
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載藥的KGM/XG復合凝膠的結構與基本性質表征
3.2.4.1質構測試
本章實驗中，復合凝膠樣品高度為30 mm,直徑60 mm。采用TA.X2i型質構儀在 室溫下記錄被測樣品的質構譜圖。使用P/0.5探頭，測試前速率為5.0 mm/s,測試速率 1.0 mm/s，測試后速率與測試速率一致，壓縮程度為50%，停留時間3.0 min,觸發(fā)值5.000 g。每組3個平行樣品，取平均值，控制相對誤差在±5%。
3.2.4.2KGM/XG復合凝膠的流變性能研究
KGM/XG復合凝膠的流變性能使用高級應變控制流變儀（RDAm，Reometric Scientific公司，美國）進行研宄測試。使用直徑為25mm的平板夾具，濕凝膠樣品厚度 為2.0 mm。測試前，在樣品表面涂上一薄層二甲基硅油，防止復合凝膠水分蒸發(fā)影響 結果精度。設定恒溫動態(tài)頻率掃描范圍為0.1?100 rad/s，測量應變設定為1.0%，B-1?B-4 的測試溫度為25°C，C-1?C-3和D-1?D-3的測試溫度則為37°C。等頻溫度掃描過程中， 頻率值和初始應變分別設為10.0 rad/s和1.0%，加熱速率為1.0 °C/min。每組3個平行 樣品，取平均值，控制相對誤差在±5%。
3.2.4.3KGM/XG復合凝膠溶脹行為研究
根據表2-4的設計配制不同pH值的緩沖溶液。用于考察載藥的KGM/XG復合凝膠 的溶脹特性。
準確稱取200 mg載藥的KGM/XG復合干凝膠，使用200目的濾網包裹，置于一定 pH值的緩沖溶液中；每隔一定時間將濾網從溶液中取出，用濾紙吸去復合凝膠表面水 分，稱重;根據2.2.4.4中式2-1即可計算該樣品在這pH緩沖溶液中的溶脹比SRXSwelling Ratio， SR)。
以溶脹時間為橫坐標，得到溶脹比一時間曲線，由此可分析樣品在不同pH環(huán)境下 的溶脹動力學。當溶脹比不再隨溶脹時間的延長而增加時，表明樣品此時已達到溶脹平 衡，此時的樣品即為平衡溶脹比，用SRe表示。
每組3個平行樣品，取平均值，控制相對誤差在±5%。
3.3結果與討論
3.3.1載藥的KGM/XG復合凝膠的質構性能
根據3.2.4.1所述方法進行TPA測試，分別考察了表3-3中各個實驗樣品的硬度、 脆性、彈性和粘結性，TPA測試結果如圖3-1和表3-4所示，同時引入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
包埋尿素的復合凝膠樣品（B-1?B-4)的質構性能與同一多糖濃度和KGM/XG共混 比例的樣品（A-1?A-4)相比并沒有太大變化。單位重量多糖的左旋多巴載藥量（以下 簡稱載藥量）較小的C-1、C-2與載藥量為0的A-3相比，發(fā)現(xiàn)隨著載藥量的增大，樣 品的硬度和脆性均有所增大，但差別并不大；但是當載藥量提高至500.0 mg/g時，發(fā)現(xiàn) C-3的硬度比A-3樣品大幅提高約50%。包埋4-氨基水楊酸的復合凝膠樣品D-1、D-2
圖3-1 KGM/XG復合凝膠TPA質構圖
質量比為1 : 1的空白樣品A-1?A-4作為對比。
和D-3的質構性能出現(xiàn)了類似的趨勢。
表3-4載藥的復合凝膠的TPA質構測試 Table 3-4 TPA characteristics of the KGM/XG plural gel embedding different drugs
復合凝膠的組成
No.多糖比例多糖濃度載藥量硬度/g脆性/g彈性粘結性
(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藥物尿素水合作用好、溶解度大，且分子結構中不存在能與復 合凝膠形成氫鍵的活潑基團；而L-Dopa和4-ASA均為微溶性藥物，分子中均帶有活潑 的羥基基團，理論上能與KGM/XG分子對形成氫鍵作用，加大復合凝膠的交聯(lián)密度，
36
從而使復合凝膠強度增大。TPA的測試結果初步證明了這一點。
3.3.2載藥的KGM/XG復合凝膠的流變性能
為進一步考證包埋小分子藥物對復合凝膠結構和交聯(lián)密度的影響，分別對表3-4中 的各個樣品進行等溫頻率和等頻溫度掃描。
3.3.2.1載藥量不同對復合凝膠流變性能的影響
KGM/XG質量比為1 : 1、不同多糖濃度的包埋尿素復合凝膠的流變性能測試結果
如圖3-2所示。與圖2-4相比，包埋尿素對復合凝膠的流變性能并沒有太大影響，也從
流變學角度證明包埋尿素對復合凝膠的結構沒有太大改變，這與2.3.2中的質構測試結
果相似。因此，以下實驗中不再討論包埋尿素的復合凝膠的流變性能和溶脹特性。
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
圖3-2不同尿素載藥量的KGM/XG復合凝膠在25 °C的流變特性 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 選取多糖濃度為1%、KGM/XG質量比為1 : 1作為復合凝膠的組成條件，對包埋 L-Dopa和4-ASA的復合凝膠進行流變性能測試，結果如圖3-3和圖3-4所示。從圖3-3
37
華南理工大學碩士學位論文
(a)可以看出，L-Dopa的存在使復合凝膠的儲能模量增大。而當L-Dopa載藥量增大至 500.0 mg/g時，儲能模量明顯增大。如圖3-4(a)所示，同樣的現(xiàn)象出現(xiàn)在4-ASA載藥量 為500.0 mg/g的D-3樣品的流變行為中。
在3.3.1對復合凝膠質構性能的分析中，本研宄針對樣品C-3和D-3硬度明顯增大 的現(xiàn)象提出小分子藥物有可能與KGM/XG分子對形成一定程度的氫鍵交聯(lián)作用的假 設。圖3-3和圖3-4表明，從流變學的角度來看，適量L-Dopa和4-ASA的包埋的確使 復合凝膠強度增大，L-Dopa和4-ASA起到了“交聯(lián)劑”的作用。然而，如圖3-3 (b)(c) 和圖3-4 (b) (c)所示，L-Dopa和4-ASA的存在并沒有使復合凝膠的損耗模量和損耗角正 切有明顯變化，因此，L-Dopa和4-ASA起到的氫鍵交聯(lián)作用對于凝膠強度的改變是有 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
圖3-3 Fig. 3-3 Sto
38
不同L-Dopa載藥量的KGM/XG復合凝膠在37〇C下的流變特性 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)
圖3-4不同4-ASA載藥量的KGM/XG復合凝膠在37°C下的流變特性
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溫度對包埋L-Dopa和4-ASA的KGM/XG復合凝膠流變特性的影卩向
進一步選用表3-3中樣品C-3和D-3進行等頻溫度掃描，并將其儲能模量與載藥量 為0的A-3樣品做對比，結果如圖3-5所示。從圖中可以看出，在實驗所測的溫度范圍 內，載藥量為500.0 mg/g的樣品C-3和D-3的儲能模量始終大于載藥量為0的A-3樣品， 再一次證明了 3.3.1和3.3.2.1中提出的L-Dopa和4-ASA對復合凝膠的氫鍵交聯(lián)作用。 然而，從圖3-5也可以看出，C-3和D-3的G’和G”同樣具有3個溫度依賴階段。由此 可以說明，L-Dopa和4-ASA的包埋并沒有顯著改變復合凝膠隨溫度改變的流變性能。 而包埋L-Dopa和4-ASA復合凝膠流變特性的差別則可能是L-Dopa和4-ASA的分子量 和分子直徑大小的差異導致復合凝膠的交聯(lián)密度不一致所造成的。
39
1000
1
rod / -9 -9
(a)
1000
£/--0-0
(b)
圖3-5不同載藥量的KGM/XG復合凝膠在不同溫度下的流變特性 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載藥的KGM/XG復合凝膠的溶脹行為
2.3.4中提到，凝膠的溶脹行為影響包埋其中的藥物分子向外擴散的速率，從而影響 著藥物的釋放行為。另一方面，不同的藥物和載藥量對凝膠的溶脹行為又有著一定程度 的影響。因此，本文針對人體消化道內的pH變化，對載藥量不同的包埋L-Dopa和4-ASA 的KGM/XG復合凝膠在不同介質中的溶脹比和溶脹動力學進行了研宄。
3.3.3.1載藥量不同對KGM/XG復合凝膠的溶脹比的影響
考察表3-3中C-2、C-3、D-2和D-3在25°C下平衡溶脹度對pH值的依賴關系，并
與空白載藥量的A-3作對比，研宄載藥量對復合凝膠平衡溶脹度SR的影響，結果如圖 3-6所示?？梢钥闯觯攺秃夏z中包埋有L-Dopa或4-ASA時，復合凝膠在pH較高時
40
的平衡溶脹度均有所下降。其中，載藥量分別為500.0 mg/g的C-3、D-3在pH=8.0的 環(huán)境中平衡溶脹度明顯低于載藥量為25.0 mg/g的C-2、D-2。
圖3-6載藥量不同的KGM/XG復合凝膠樣品在不同pH值下的平衡溶脹度 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中對復合凝膠質構性能和流變特性的分析中，本研宄提出包埋于復 合凝膠中的小分子藥物有可能與KGM/XG分子對形成一定程度的氫鍵交聯(lián)作用的假 設，并利用3.3.2.1和3.3.2.2中的測試結果從流變學角度討論了這一假設。圖3-6的結 果也從復合凝膠的溶脹特性的角度證明了這一假設的現(xiàn)實存在性。當復合凝膠中包埋適 量的L-Dopa或4-ASA時，L-Dopa或4-ASA中的-OH基團能與已嵌合的KGM/XG分子 對中側基形成分子內或分子間氫鍵作用，實際上起到了“交聯(lián)劑”的作用。樣品C-2、 C-3、D-2和D-3在同等條件下溶脹，復合凝膠中相對交聯(lián)密度隨著載藥量的增大而提 高，其平衡溶脹度反而更低。
3.3.3.2載藥量不同對KGM/XG復合凝膠的溶脹動力學的影響
圖3-7是L-Dopa載藥量為25.0 mg/g的復合凝膠在25〇C下，在不同pH值的緩沖溶 液中的溶脹動力學曲線。
從圖中可以看出，在pH值分別為1.0、6.8和7.4的緩沖溶液中，不含L-DOPA的 A-3的溶脹速率和平衡溶脹度都比含有25.0 mg/g L-Dopa的C-2有所增大。在pH分別 為6.8和7.4的環(huán)境中，試樣A-3和C-2達到溶脹平衡的時間均大約為100 min，可見，
L-Dopa的存在使復合凝膠相對交聯(lián)密度增加，凝膠強度增大，因而降低了平衡溶脹度，
41
但對復合凝膠的溶脹動力學影響不大。
在pH =1.0的緩沖溶液中，陰離子多糖凝膠pH敏感性與L-Dopa起到的氫鍵交聯(lián)作 用使C-2試樣的溶脹受到抑制，平衡溶脹度僅為9.97。由此可以說明，KGM/XG復合 凝膠可以避免包埋其中的適量藥物在胃（pH=1.0)等上消化道中由于溶脹過快而導致的 藥物爆釋現(xiàn)象。
圖3-7含25.0 mg/g L-Dopa的KGM/XG復合凝膠樣品在25°C下，在不同pH值下的
平衡溶脹度
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
改變復合凝膠的溶脹溫度為37°C，模擬復合凝膠在人體消化道中的溶脹行為，進 一步研宄復合凝膠的溶脹動力學，結果如圖3-8所示。由圖可見，37°C下復合凝膠在pH 分別為1.0、6.8、7.4時的平衡溶脹度與25°C下同等條件的復合凝膠相比均有所降低， 達到溶脹平衡所需時間更短。據文獻報道，在一定范圍內，隨著溫度的提升，魔芋葡甘 聚糖與黃原膠的脫水量和含水量都相應增加[128]，從而導致復合凝膠溶脹速度的加快。 同時，KGM/XG復合凝膠為熱可逆性凝膠，溫度升高，復合凝膠流動性增強、粘度增 大，溶脹速率加快。然而，這樣的差異并不明顯，因為KGM/XG復合凝膠的凝膠一溶 膠轉變溫度范圍為75 — 85C，因此，37C下復合凝膠的溶脹行為與25C下相比變化并 不明顯。
42
圖3-8含25.0 mg/g L-Dopa的KGM/XG復合凝膠樣品在37°C下，在不同pH值下的
平衡溶脹度
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 將用于包埋的藥物改為4-ASA，選取載藥量同為25.0 mg/g的D-2，并與空白載藥 量的A-3對比，研宄包埋4-ASA復合凝膠分別在25°C和37°C下的溶脹行為，結果如 圖3-9和圖3-10所示。從圖中可以看出，D-2在pH為1.0的介質中溶脹速率和平衡溶 脹度都要比在pH=6.8和pH = 7.4的環(huán)境中明顯降低。pH較低時A-3和D-2的平衡溶 脹度差別不大；但在pH = 6.8和pH = 7.4時，D-2的平衡溶脹度均小于同等pH值下的 A-3。由此也可以說明適量4-ASA的存在同樣對復合凝膠起著“交聯(lián)劑”的作用。對于 試樣C-2和D-2,盡管平衡溶脹度有所不同，但它們達到溶脹平衡的時間大約都需要100 min。當溶脹實驗溫度從25°C增大到37°C后，D-2的溶脹特性并沒有明顯變化。
從A-3、C-2、D-2在pH分別為1.0、6.8、7.4的復合凝膠溶脹特性可以看出，復合 凝膠在酸性環(huán)境中平衡溶脹度較低，溶脹速率較慢；適量L-Dopa和4-ASA的交聯(lián)作用 使復合凝膠在較偏酸性（pH>3.0)、中性和堿性環(huán)境中溶脹速率減慢，平衡溶脹度降低。 以上溶脹特性有利于KGM/XG復合凝膠在上消化道中抑制溶脹，從而抑制凝膠內藥物 的擴散釋放，而在結腸位置實現(xiàn)緩慢釋放或控制釋放。
43
圖3-9含25.0 mg/g 4-ASA的KGM/XG復合凝膠樣品在25°C下，在不同pH值下的平
衡溶脹度
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
圖3-10含25.0 mg/g 4-ASA的KGM/XG復合凝膠樣品在37°C下，在不同pH值下的
平衡溶脹度
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本章小結
本章研宄制備了包埋尿素（Urea)、左旋多巴（L-Dopa)和4-氨基水楊酸（4-ASA)
44
的KGM/XG復合凝膠，系統(tǒng)地考察不同組成的復合凝膠在不同溫度和pH值的質構性能、 流變性能和溶脹行為，可以得出以下結論：
(1)包埋尿素并沒有改變復合凝膠的結構、凝膠強度和流變性能；而適量的L-Dopa 和4-ASA的包埋在復合凝膠中以氫鍵起著交聯(lián)劑的作用，使復合凝膠的相對交聯(lián)密度 增大，從而使復合凝膠的凝膠強度比同等條件下空白載藥量的復合凝膠有所增大。
(2)載藥量不同能顯著影響復合凝膠的平衡溶脹度，但對相應的溶脹動力學則影 響不大。當L-Dopa和4-ASA的載藥量增大至500 mg/g時，其在pH=7.0的平衡溶脹度 分別為56.77和58.02，比空白載藥量的對照復合凝膠樣品降低約一半。適量L-Dopa和 4-ASA的存在使復合凝膠相對交聯(lián)密度增大，從而降低了復合凝膠的平衡溶脹度。所有 樣品的復合凝膠在25°C和37°C下的溶脹動力學和平衡溶脹度并沒有太大變化。
(3)當L-Dopa和4-ASA的載藥量為25.0 mg/g時，復合凝膠的質構性能和流變性 能已有一定增強，而溶脹行為相應減弱，并能在pH=1.0的環(huán)境中抑制溶脹，從而有可 能抑制凝膠內藥物的擴散釋放，實現(xiàn)藥物在結腸位置緩慢釋放或控制釋放。
45
第四章包埋尿素的KGM/XG復合凝膠的釋放特性研究
4.1前言
尿素（Urea)是現(xiàn)今中國乃至發(fā)展中國家糧食生產中使用最廣的化肥。據國家農業(yè) 局估計，2009年我國農業(yè)使用尿素量約為6700萬噸。作為中性速效的有機態(tài)氮肥，尿 素在土壤中經過脲酶作用，水解成碳酸銨或碳酸氫銨后被作物吸收利用。然而，尿素在 水溶液中溶解速度快[124]，養(yǎng)分迅速釋放而導致農作物來不及吸收。同時，化肥生產的 高能耗與施用方法不恰當使尿素施入農田后的利用率一直維持在較低的水平。我國由此 而產生的氮肥年損失折合尿素高達1900多萬噸[129]。如此高的損失率不僅帶來了直接的 經濟損失，而且未被作物吸收的尿素還會隨著雨水進入生態(tài)鏈，嚴重污染環(huán)境。因此， 提高化肥的利用率，開發(fā)相應的緩釋/控釋化肥，已成為環(huán)保型農業(yè)研宄的一個十分重要 的課題。
包埋型肥料緩釋劑制作工藝簡單，成本較低。早期的硫包膜尿素、聚苯乙烯包膜尿 素等緩釋肥料價格昂貴，在土壤中難以分解[130-133]，應用受到很大限制。研宄開發(fā)來源 豐富、價格低廉、具有生物兼容性的天然高分子緩釋/控釋化肥載體材料，對于減少環(huán)境 負荷，研制環(huán)境友好型緩釋/控釋肥料是非常有意義的。
基于上述分析，本章利用了 KGM和XG的協(xié)同作用，制備包埋尿素的葡甘聚糖/ 黃原膠二元復配凝膠體系，并探討凝膠組成、制備條件和釋放環(huán)境對該體系的尿素釋放 特性的影響。這一研宄可望為將KGM/XG二元復合凝膠作為化肥的載體，從而提高尿 素的利用率和達到較好的環(huán)保效應提供理論依據和新的研宄思路。
4.2實驗部分 4.2.1原料和試劑
KGM/XG復合凝膠：根據3.2.3中方法制備。
無水乙醇，分析純，天津市富宇精細化工有限公司。
鄰苯二甲酸氫鉀pH緩沖劑，分析純，上海雷磁•創(chuàng)益儀器儀表有限公司有限公司。 氯化氨，分析純，廣州化學試劑廠。
氯化鈉，分析純，廣東臺山市粵僑試劑塑料有限公司。
對二甲氨基苯甲醛（DMAB)，分析純，上海潤捷化學試劑有限公司。
尿素，分析純，天津市福晨化學試劑廠。
甲醇，分析純，廣州市東紅化工廠。
46
36%鹽酸，分析純，廣州市東紅化工廠。
4.2.2主要設備和儀器
磁力攪拌機，KMO 2 basic型，廣州儀科實驗室技術有限公司。
水浴振蕩器，HZS-H型，哈爾濱市東聯(lián)電子技術開發(fā)有限公司。
電熱恒溫真空干燥箱，DZ60型，上海醫(yī)療器械七廠。
紫外可見分光光度計，UV-1700型，日本SHIMADZU公司。
電子天平，BS200S型，賽多利斯科學儀器(北京)有限公司。
4.2.3尿素濃度的測定
4.2.3.1測定原理
根據埃利希反應，對二甲氨基苯甲醛（DMAB)能與尿素發(fā)生縮合反應，生成的對 二甲氨基苯甲醛脲為檸檬黃色化合物，其顏色的深淺與尿素含量成正比。反應可在室溫 條件下進行，5 min后即可達到穩(wěn)定。反應產物對紫外光在400 nm處有最大吸收。因此， 利用紫外分光光度計測定反應液在400 nm處的吸光度即可分析溶液中的尿素含量[134]。
根據上述尿素含量的測試分析原理，首先配制一系列已知尿素濃度的樣品，使之與 一定濃度的DMAB顯色液反應，從而測定并制作尿素的標準曲線。
4.2.3.2尿素溶液的配制
取6個50 ml的容量瓶，根據擬要配制的尿素溶液的濃度，分別加入適量濃度為 10mg/ml的尿素儲備液，加入蒸餾水定容至50 ml，配制得到濃度分別為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，分別記 為標0.2、標0.5、標0.8、標1、標3、標5和標7。
4.2.3.3對二甲氨基苯甲醛（DMAB)顯色液的配制
將1.600 gDMAB溶解于100 ml甲醇中，再加入10 ml濃度為36%的鹽酸，即得到
所需要的DMAB顯色液[134]。
4.2.3.4尿素標準曲線的測定與制作
準確吸取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的緩沖 溶液液和2 ml DMAB顯色液，加入2 ml蒸餾水稀釋，搖勻，放置10 min。以蒸餾水為
參比調零，在400 nm下進行測定，記錄各濃度溶液的吸光度0)。
根據所測得的不同濃度的尿素溶液的吸光值便可建立如圖1所示的尿素的標準曲 線。對這一標準曲線進行線性回歸，得到如下的標準方程：
47
Y=0.0621x 十 1.2819
系數R=0.9957。這表明在所測試的尿素濃^ fe測得的A值與尿素濃度具有良好線性相關 AB顯色法測定未知溶液的尿素濃度。
(4-1)
度（0.1?7 mg/ml)
度。因此，利用這
u°uraqJOSCK
4.2.4包埋尿素的KGM
7.0)或相應pH值的緩沖 以50 r/min的速度振蕩， 后補加2 ml水（pH 7.0)
積和pH值不變。測定上; 為：
1234567
Concentration mg/ml
圖4-1尿素溶液的標準曲線 7ig. 4-1 The standard curve of urea solution
4/XG復合凝膠的釋放特性的測定
膠樣品分別置于6個500 ml的廣口瓶中，各 溶液，瓶口密封以防溶液蒸發(fā)損失；將樣品 記時；在預設的振蕩時間t時，用移液管移 或相應pH值的緩沖溶液，以保證復合凝膠 清液中的尿素濃度，即尿素的累積濃度，則
加入150 ml水(pH
t置于恒溫水浴中， 取上清液2 ml,然 釋放體系的溶液體 尿素的累積釋放率
：1〇〇°%
(4-2)
式中，累積釋放
Mtt時間內上
尿素100 由于表2-3中所有復^ 中的均為定值。
〔率；
二清液中尿素的累積濃度；
%釋放時上清液中的尿素濃度。
合凝膠樣品均含有等量的尿素，故對本測試
而言，公式（4-2)
48
在基本方法和條件相同的情況下，改變恒溫水浴的溫度或介質的pH值，則可考察 溫度或介質的pH值對包埋尿素的復合凝膠樣品的釋放行為的影響。選取兩面平滑的 3mm厚的固化樹脂樣品，使用日本SHIMADZU公司的UV-1700型紫外可見分光光度計 在25 °C下，波長550nm處測試。
4.3結果與討論
4.3.1尿素載藥量對包埋尿素復合干凝膠的緩釋行為的影響
圖4-2是凝膠基質的多糖比例相同而單位重量多糖的尿素載藥量（以下簡稱載藥量) 不同的復合干凝膠在20°C下，在pH為7.0的水介質中的尿素累積釋放率隨釋放時間而 變化的曲線。這4條曲線的變化趨勢雖表現(xiàn)各異，總體上仍體現(xiàn)出三個明顯不同的階段。 在第一階段，即尿素開始釋放之初，累積釋放率隨時間顯著上升，釋放速率較快，且釋 放速率隨載藥量的不同而有所不同。其中，載藥量較多的樣品A-7、A-8和A-9釋放速 率明顯地高于載藥量較少的樣品A-10,并在5?7 h后曲線趨平，即釋放速率減緩，而 A-10在大約10 h后才達到此狀態(tài)。在隨后的第二階段，4個樣品的尿素累積釋放率沒 有明顯地增加，甚至趨于停滯。在釋放時間達24 h后，釋放進入第三階段，釋放速率再 度加快，各樣品均在約45 h后達到釋放平衡。
不同載藥量的復合干凝膠之間在釋放特性上存在著明顯的差異。同一時間段中，載 藥量最多和最少的樣品A-7和A-10的累積釋放率較低，兩者在50 h內的累積釋放率均 未超過50°%;而載藥量居中的樣品A-8和A-9的累積釋放率高，釋放速率相對較快，在 50 h內的累積釋放率均超過70°/〇。
這一釋放特性與復合凝膠的凝膠強度和在釋放試驗過程中的溶脹行為有關。在釋放 的初期，復合干凝膠樣品在迅速吸水溶脹的同時，向外界不斷地釋放尿素分子；由于以 KGM/XG為基質的凝膠的吸水率非常大，故由此而導致的介質減少不可忽略。因此， 在這一階段，對外部溶液而言，溶質尿素在增加而溶劑在減小，使得尿素濃度不斷上升， 累積釋放率增加較快，釋放速率較高。在釋放的第二階段，介質中的尿素已達到一定的 濃度，于是復合凝膠在釋放尿素的同時也從溶液中持續(xù)包埋尿素溶液，兩者的作用達到 平衡而使得尿素累積釋放率保持平穩(wěn)。在釋放時間達24 h后的第三階段，觀察到4個樣 品均出現(xiàn)了不同程度的崩解現(xiàn)象，原本凍膠狀復合凝膠崩解為小顆粒，這有利于尿素分 子從凝膠內釋出，故尿素累積釋放率明顯增加；至于各樣品的累積釋放率和釋放速率的 差異則很可能是由于不同載藥量的復合干凝膠在水介質中溶脹后的凝膠強度不同的緣
49
故。根據上述分析，不同載藥量的包埋尿素的復合干凝膠在水介質中的尿素的釋放行為 大致分為三個階段：在開始釋放的初期，尿素的釋放由多糖復合凝膠的溶脹行為所控制; 在中期則是尿素的釋放與包埋達到平衡的階段；在后期，尿素的釋放主要由復合凝膠的 崩解所致。
01020304050
Release Time/h
圖4-2載藥量不同的包埋尿素的復合干凝膠樣品在20〇C，水介質（pH 7.0)中的釋放
行為
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多糖比例對包埋尿素的復合干凝膠的緩釋行為的影響
圖4-3反映了載藥量相同而多糖KGM/XG的質量比不同的復合干凝膠在20°C下， 在pH為7.0的水介質中的尿素釋放行為。顯然，尿素的累積釋放率隨釋放時間的變化 趨勢與圖2相似，也具有三個釋放階段的特征，并且在釋放后期表現(xiàn)出來的最終累積釋 放率差別并不大。KGM/XG質量比的不同導致載藥復合干凝膠在水中的尿素釋放行為 的差異在于：當KGM/XG質量比偏離1:1時，尿素的累積釋放率在釋放的第一、二階 段要稍高一些，且凝膠進入釋放的第三階段，即崩解階段的時間提前至大約30 h。這可 能是由于在KGM/XG質量比偏離1: 1時，復合干凝膠在溶脹過程中，KGM與XG的大 分子之間的“嵌合”不夠完善，協(xié)同效應受到抑制，從而使溶脹后的凝膠強度相對較弱 的緣故。
50
0/°'/3sra-3^3All-nmn°°v
Release Time/h
圖4-3 KGM與XG的質量比對包埋尿素的復合干凝膠在20°C，水介質（pH 7.0)中的
釋放行為的影響
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溫度對包埋尿素的復合干凝膠的緩釋行為的影響
圖4-4溫度對包埋尿素的復合凝膠A-9在水介質（pH 7.0)中的釋放行為的影響 Fig. 4-4 The effect of temperatures on the release behavior of the dry plural gel sample A-9
in water (pH 7.0)
以凝膠基質的多糖比例為1:1，載藥量為1.0 g/g的復合干凝膠A-9為研究對象，探 討了溫度對其在pH為7.0的水介質中的釋放行為的影響，結果如圖4-4所示。從圖中 可以看出，溫度并未對尿素的累積釋放率隨釋放時間的變化趨勢產生影響，各曲線仍具
51
有三個釋放階段的特征；然而，隨著溫度的升高，尿素的累積釋放量增加且釋放速率有 所增大，溫度的升高使復合凝膠提前至22 h就進入崩解階段，并使崩解加速，尿素的累 積釋放率隨之而大大增加。在40°C下，復合凝膠最終的尿素累積釋放率接近90%。
4.3.4pH值對包埋尿素的復合干凝膠的緩釋行為的影響
0
o o o o c 0 8 6 4 0
o/°/usra-uciuAi3ra--nmnoov
01020304050
Release Time / h
在不同pH值的水溶液介質中，包埋尿素的復合干凝膠樣品A-9在20C下的尿素累 積釋放率隨釋放時間而變化的曲線如圖4-5所示。圖中的曲線表明，過酸和過堿的環(huán)境 都能明顯影響復合凝膠的尿素累積釋放率。與pH 7.0的釋放行為相比，在pH為6.0的 弱酸性條件下，尿素累積釋放率和釋放速率均有所增大，但釋放50 h的尿素累積釋放率 明顯降低；在pH <6.0的酸性條件下，尿素的釋放受到極大的抑制，尿素累積釋放率隨 時間緩慢增加，pH 2.0時50 h的尿素累積釋放率僅為11.8%，釋放曲線未呈現(xiàn)如pH 7.0 時的三個釋放階段特征；在pH > 7.0的堿性條件下，在50 h的釋放過程中，尿素的釋放 速率加快，累積釋放率明顯增大。
圖4-5介質的pH值對包埋尿素的復合凝膠A-9在20°C時的釋放行為的影響 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
介質的pH值對復合凝膠的釋放行為的影響與凝膠在不同介質中的溶脹行為和結構 變化密切相關。如2.3.4.1中所述，葡甘聚糖為非離子型多糖，黃原膠分子中則帶有可離 子化的弱酸基團[84]，因而兩者通過協(xié)同作用形成的復合凝膠具有pH敏感性。在酸性較 強的介質中，復合凝膠溶脹被抑制，使復合凝膠在相對長時間內保持穩(wěn)定，尿素難以在 復合凝膠內部通過擴散釋放；而在堿性條件下，電荷間的靜電斥力作用使葡甘聚糖和黃
52
原膠分子鏈構象更為舒展，復合凝膠溶脹行為增強。另外，黃原膠中的弱酸基團在離子 化后，溶液介質中有大量可迀移的反離子存在，在復合凝膠內外兩側產生滲透壓，使得 外部溶劑在滲透壓驅動下進入復合凝膠，其溶脹行為增強[121-123]，致使尿素釋藥速度加 快，累積釋放率增大；隨著溶脹趨于平衡，凝膠強度減小，OH^的存在加速破壞了葡甘 聚糖與黃原膠的協(xié)同作用，使凝膠加速崩解，尿素釋放加快，且曲線中沒有明顯的相對 平衡階段。因此，在較偏酸性的條件下，包埋尿素的復合凝膠能夠在相對長的時間內實 現(xiàn)緩釋。
4.4本章小結
利用天然多糖KGM與XG在形成凝膠過程中的協(xié)同作用以及簡單的包埋尿素工藝， 制備了包埋尿素的KGM/XG復合凝膠，通過系統(tǒng)地考察不同組成的復合凝膠在不同溫度 和pH值的水介質中尿素的釋放特性，可以得出以下結論：
(1)不同載藥量或不同KGM/XG質量比的包埋尿素的復合干凝膠在中性水介質中 的尿素的釋放行為可大致分為三個階段：在開始釋放的初期，尿素的釋放由復合凝膠的 溶脹行為所控制，此時累積釋放率隨時間顯著上升，釋放速率較快；在第二階段，尿素 的釋放與包埋達到基本平衡，此間尿素的累積釋放率沒有明顯地增加，甚至趨于停滯； 在第三階段，尿素的釋放主要由復合凝膠的崩解所致，釋放速率再度加快，并在一定時 間后達到釋放平衡。各階段的持續(xù)時間與復合凝膠的組成和介質的溫度有關。
(2)在溫度20?40°C之間，復合干凝膠在中性水介質中的尿素累積釋放率和釋放 速率均隨溫度的升高而有所增加；溫度的升高會加速復合凝膠的崩解。
(3)包埋尿素的復合凝膠的釋放行為具有明顯的pH敏感性。與pH 7.0的釋放行 為相比，在堿性條件下，在50 h的釋放過程中，尿素的釋放速率加快，累積釋放率明顯 增大；在pH <6.0的酸性條件下，尿素的釋放受到極大的抑制，尿素累積釋放率隨時間 緩慢增加，pH 2.0時50 h的尿素累積釋放率僅為11.8%，釋放曲線未呈現(xiàn)如pH 7.0時的 三個釋放階段特征。因此，在較偏酸性的條件下，尿素釋放受到抑制，復合凝膠能夠在 相對長的時間內實現(xiàn)緩釋。
53
第五章用于結腸給藥的KGM/XG復合凝膠的釋放特性研
究
5.1前言
結腸部位含有豐富的有益菌，微生物系多達400多種，除了小腸已有的種類外，還 有大腸桿菌和厭氧菌存在，它們產生偶氮還原酶、糖苷酶和多糖酶等。因此，在人的消 化道中，結腸部分是蛋白質和多肽藥物的最佳吸收場所。
利用結腸部位的特殊酶系和pH特點設計包埋小分子藥物的緩/控釋體系，避免藥物 在上消化道中大量釋放，使載體到達結腸后達到最大溶脹或載體降解，藥物得到最大釋 放。這樣的載藥體系能避免“首過效應”帶來的爆釋現(xiàn)象，并且能針對特定藥物的設計 達到靶位給藥的效果。
在前面的研宄中，我們提到KGM在經過人體上消化道時不會被存在于胃及小腸的 酶所降解，只有當到達結腸部位后，才能被結腸中的甘露糖酶降解；另一方面，同 為安全無毒的天然多糖XG也被發(fā)現(xiàn)不能被人體消化道內的消化酶所降解。利用這些特 性，將KGM/XG復合凝膠開發(fā)為結腸給藥體系具有無可比擬的優(yōu)勢。
左旋多巴（Levodopa，L-Dopa)為擬多巴胺類抗帕金森病的重要藥物，是體內合成 多巴胺的前體物質，本身并無藥理活性，通過血腦屏障進入中樞，經多巴脫羧酶作用轉 化成多巴胺而發(fā)揮藥理作用，改善帕金森病癥狀。左旋多巴在人體血液中的有效濃度值 為25 — 85 pg/ml[125]，葡甘聚糖和黃原膠復合凝膠的性能及其作為藥物載體的應用研究，一般在口服后后1?2小時血藥濃度達峰值，該藥口服后廣泛分布 于體內各組織，1%進入中樞轉化成多巴胺而發(fā)揮作用，其余大部分均在腦外代謝脫羧 成多巴胺，故起效緩慢，半衰期（t1/2)為1?3小時。然而，口服左旋多巴藥物大部分在 胃和小腸部位被大量吸收和轉化，過快的吸收速度會導致惡心、嘔吐、直立性低血壓、 五官和身體上部的異常不隨意運動、精神抑郁、排尿困難等不良反應[125]。根據藥物在 結腸位置轉運時間最長（24—48 h)的特點，若能將L-Dopa/KGM/XG復合凝膠設計為 菌群觸發(fā)型結腸給藥體系，盡可能減少左旋多巴在結腸前釋放，并保證在結腸部位穩(wěn)定 緩慢釋放，則能減少左旋多巴過快釋放所帶來的“首過效應”，降低藥物的毒副作用， 達到緩釋效果。
4-氨基水楊酸（4- aminosalicylic acid, 4-ASA)是一種可大劑量用于治療結核病的較 安全的藥物，為5-ASA的同分異構體。與5-ASA相比，4-ASA價格遠低于5-ASA，用
于治療潰瘍性結腸炎時比5-ASA更為穩(wěn)定，不良反應更低，病人的耐受性較好[135]。ASA
54
類藥物在人體內的血藥濃度有效值為40 — 60昭/ml[126]。由于ASA類口服藥可被胃和小 腸迅速吸收并達到血藥濃度峰值，這樣很難保證有足夠量的藥物到達結腸而起抗炎作 用，同時吸收入體內的藥物易產生副作用[127]。
O=
在本章中，將選取優(yōu)化的復合凝膠組成條件（多糖總濃度為1%，KGM與XG質量 比為1:1)，以左旋多巴和4-氨基水楊酸作為模型藥物，探討復合凝膠用于口服結腸給 藥系統(tǒng)的可能性以及相應的釋放動力學。圖5-1表示左旋多巴和4-氨基水楊酸的化學式。
左旋多巴4-氨基水楊酸
Levodopa4- aminosalicylic acid
圖5-1左旋多巴和4-氨基水楊酸的分子結構圖 Fig. 5-1 Molecular structure of Laevodopa and 4-aminosalicylic acid
5.2實驗部分 5.2.1原料與試劑
KGM/XG復合凝膠：按照3.2.3中的方法與參數制備。
左旋多巴（L-Dopa): BR購自上海晶純試劑有限公司。
4-氨基水楊酸（4-ASA):純度98%〇 ,購自Sigma公司。
鹽酸：36%，分析純，廣州化學試劑廠。
無水乙醇，分析純，天津市富宇精細化工有限公司。
鄰苯二甲酸氫鉀pH緩沖劑，分析純，上海雷磁•創(chuàng)益儀器儀表有限公司有限公司。 氯化氨，分析純，廣州化學試劑廠。
氯化鈉，分析純，廣東臺山市粵僑試劑塑料有限公司。
5.2.2主要設備和儀器
水浴振蕩器：HZS-H型，哈爾濱市東聯(lián)電子技術開發(fā)有限公司。
雷磁精密pH計：pHS-3C型，上海精密科學儀器有限公司。
傅立葉變換紅外光譜儀：FTS 3000型，Bio-Rad公司。
磁力攪拌機：KMO 2 basic型，廣州儀科實驗室技術有限公司。
55
電熱恒溫真空干燥箱：DZ60型，上海醫(yī)療器械七廠。
紫外可見分光光度計：UV-1700型，日本SHIMADZU公司。
電子天平：BS200S型，賽多利斯科學儀器(北京)有限公司。
5.2.3載藥的KGM/XG復合凝膠的體外釋放實驗
為了考察所制備的復合凝膠給藥體系的釋放行為以及pH敏感特性，本章采用模擬 體外釋放環(huán)境的方法，測量給藥體系的體外釋放曲線，考察不同載藥量的 L-Dopa/KGM/XG復合凝膠和4-ASA/KGM/XG復合凝膠在不同pH和溫度下的釋放特
性。
5.2.3.1人工胃液和人工腸液的配制[136]
人工胃液：準確移取8.52 ml 36°%鹽酸于1L容量瓶中，用二次去離子水定容。
人工腸液:磷酸鹽緩沖液(pH 6.8):取0.2 mol/L磷酸二氫鉀溶液250 ml，加0.2 mol/L 氫氧化鈉溶液118 ml，用二次去離子水稀釋至1000 ml；搖勻。
磷酸鹽緩沖液(pH 7.4)：取磷酸二氫鉀1.36 g，加0.1 mol/L氫氧化鈉溶液79 ml，用
二次去離子水稀釋至200 ml；搖勻。
5.2.3.2左旋多巴標準曲線的制作
(a)pH 1.0介質中的L-Dopa標準曲線
精確稱取L-Dopa對照品250.0 mg，用適量pH = 1.0的鹽酸溶解，定容至1000 ml， 搖勻，則該L-Dopa儲備液濃度為250 pg/ml，室溫下陰暗處保存。
取14個50 ml的容量瓶，根據擬要配制的L-Dopa溶液的濃度，分別加入適量濃度 為250昭/ml的L-Dopa儲備液，加入pH = 1.0的鹽酸定容至50 ml，配制得到濃度分別 為 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的鹽酸作空白對照，在L-Dopa的最大吸收波長280 nm處 測定吸收值。以吸收值(A)對濃度(C)作圖并線性回歸，得溶劑為鹽酸溶液的標準曲線 如圖5-2所示。對這一標準曲線進行線性回歸，得到如下的標準方程：
Y=0.01443x+0.0736 (pH=1.0)(5 — 1)
精確稱取L-Dopa對照品250.0 mg，用適量pH = 6.8的磷酸鹽緩沖溶液溶解，定容 至1000 ml，搖勻，則該L-DOPA儲備液濃度為250 pg/ml，室溫下陰暗處保存。
(b)pH 6.8介質中的L-Dopa標準曲線
56
精確稱取L-Dopa對照品250.0 mg,用適量pH = 6.8的磷酸鹽緩沖溶液溶解，定容 至1000 ml，搖勻，則該L-Dopa儲備液濃度為250 pg/ml，室溫下陰暗處保存。
采取與以上（a)中同樣的容量瓶和濃度，加入pH = 6.8的磷酸鹽緩沖溶液分別定 容至50 ml，以pH = 6.8的磷酸鹽緩沖溶液作空白對照，制得pH 6.8介質中的L-Dopa 標準曲線如圖5-3所示。對這一標準曲線進行線性回歸，得到如下的標準方程：
Y=0.01385x+0.03291 (pH=6.8)(5—2)
(c)pH 7.4介質中的L-Dopa標準曲線
精確稱取L-Dopa對照品250.0 mg，用適量pH = 7.4的磷酸鹽緩沖溶液溶解，定容 至1000 ml，搖勻，則該L-Dopa儲備液濃度為250 pg/ml，室溫下陰暗處保存。
采取與以上（a)中同樣的容量瓶和濃度，加入pH = 7.4的磷酸鹽緩沖溶液分別定 容至50 ml，以pH = 7.4的磷酸鹽緩沖溶液作空白對照，制得pH 7.4介質中的L-Dopa 標準曲線如圖5-4所示。對這一標準曲線進行線性回歸，得到如下的標準方程：
Y=0.01441x+0.00928 (pH=7.4)(5 — 3)
(5 —1)、（5—2)和（5 —3)的線性相關系數 R=0.9991、R=0.9994 和 R=0.9994。 這表明在所測試的L-DOPA濃度（5.0?90.0 mg/ml)范圍內，A值與L-Dopa濃度具有良 好線性相關度。因此，利用這一標準曲線，可以測定未知溶液的L-Dopa濃度。
sou^qjo^qv
20
40
60
80
Concentration of L-Dopa (u g/ml)
圖5-2 L-Dopa在pH=1.0的鹽酸溶液中的標準曲線 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)
圖5-3 L-Dopa在pH=6.8的磷酸鹽緩沖溶液中的標準曲線 Fig. 5-3 The standard curve of L-Dopa in pH 6.8 phosphate buffer
圖5-4 L-Dopa在pH=7.4的磷酸鹽緩沖溶液中的標準曲線 Fig.5-4 The standard curve of L-Dopa in pH 7.4 phosphate buffer
5.2.3.3 4-ASA標準曲線的繪制
(a)pH 1.0介質中的4-ASA標準曲線
精確稱取4-ASA對照品250.0 mg，用適量pH = 1.0的鹽酸溶解，定容至1000 ml， 搖勻，則該4-ASA儲備液濃度為250 pg/ml，室溫下陰暗處保存。
取12個50 ml的容量瓶，根據擬要配制的L-DOPA溶液的濃度，分別加入適量濃 度為250 pg/ml的4-ASA儲備液，加入pH = 1.0的鹽酸定容至50 ml，配制得到濃度分 別為 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
的鹽酸作空白對照，在4-ASA的最大吸收波長299 nm處測定吸收值[137]。以吸收值(A)對 濃度(C)作圖并線性回歸，得溶劑為鹽酸溶液的標準曲線如圖5-5所示。對這一標準曲 線進行線性回歸，得到如下的標準方程：
Y=0.05798x-0.00973 (pH=1.0)(5—4)
(b)pH 6.8介質中的4-ASA標準曲線
精確稱取4-ASA對照品250.0 mg，用適量pH = 6.8的磷酸鹽緩沖溶液溶解，定容 至1000 ml，搖勻，則該4-ASA儲備液濃度為250昭/ml，室溫下陰暗處保存。
采取與以上（a)中同樣的容量瓶和濃度，加入pH = 6.8的磷酸鹽緩沖溶液分別定 容至50 ml，以pH = 6.8的磷酸鹽緩沖溶液作空白對照，制得pH 6.8介質中的4-ASA 標準曲線如圖5-6所示。對這一標準曲線進行線性回歸，得到如下的標準方程：
Y=0.09302x+0.0568 (pH=6.8)(5 — 5)
(c)pH 7.4介質中的4-ASA標準曲線
精確稱取4-ASA對照品250.0 mg，用適量pH =7.4的磷酸鹽緩沖溶液溶解，定容至 1000 ml，搖勻，則該4-ASA儲備液濃度為250昭/ml，室溫下陰暗處保存。
采取與以上（a)中同樣的容量瓶和濃度，加入pH = 7.4的磷酸鹽緩沖溶液分別定 容至50 ml，以pH = 7.4的磷酸鹽緩沖溶液作空白對照，制得pH 7.4介質中的4-ASA 標準曲線如圖5-7所示。對這一標準曲線進行線性回歸，得到如下的標準方程：
Y=0.10742x+0.0056 (pH=7.4)(5 — 6)
3°uraqJ0sqv
010203040506070
Concentration of 4-ASA ( U g/ml)
圖5-5 4-ASA在pH=1.0的鹽酸溶液中的標準曲線 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)
圖5-6 4-ASA在pH=6.8緩沖溶液中的標準曲線 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
圖5-7 4-ASA在pH=7.4緩沖溶液中的標準曲線 Fig. 5-7 The standard curve of 4-ASA in pH 7.4 phosphate buffer
(5—4)、（5 —5)和（5 —6)的線性相關系數 R=0.9997、R=0.9995 和 R=0.9997。 這表明在所測試的4-ASA濃度（5.0?70.0 mg/ml)范圍內，A值與4-ASA濃度具有良好 線性相關度。因此，利用這一標準曲線，可以測定未知溶液的4-ASA濃度。
5.2.3.4載藥體系的體外釋放試驗與結果的表達
參考中國藥典2000年版的附錄XD所描述的釋放度測定法中的第二法，用轉籃法 對載藥的KGM/XG復合凝膠樣品在不同介質中的體外釋放特性進行測定。具體方法是: 將自制的載有L-Dopa或4-ASA的C-2和D-2分別置于各轉籃中，加入pH值分別為1.0、 6.8和7.4的緩沖溶液介質，溫度為37°C，轉速為100 r/min-1儀器運轉，每隔一定時間
60
取點，樣品經0.8 pm微孔濾膜濾過，C-2于280 nm波長處測定吸收度，D-2于298 nm
波長處測定吸收度。
根據5.2.3.2和5.2.3.3中相應的標準曲線計算上清液中的藥物濃度，即藥物的累積 濃度，則藥物的累積釋放率為：
(5-7)
：100〇/。
式中，AR累積釋放率；
Mtt時間內上清液中藥物的累積濃度；
M„——藥物100%釋放時上清液中的藥物濃度。
由于本實驗中使用的所有復合凝膠樣品均含有等量的小分子藥物（25.0 mg/g)，故 對本測試而言，公式（5-7)中的M„均為定值。
在基本方法和條件相同的情況下，改變恒溫（37°C)水浴中介質的pH值，則可考 察介質的pH值對包埋小分子藥物的復合凝膠樣品的釋放行為的影響。
5.3結果與討論
5.3.1包埋左旋多巴的KGM/XG復合凝膠的釋藥特性 5.3.1.1 pH值對包埋左旋多巴的KGM/XG復合凝膠的釋藥行為的影卩向
在不同pH值的緩沖溶液介質中，包埋L-Dopa的復合凝膠樣品C-2在37C下的 L-Dopa累積釋放率隨釋放時間而變化的曲線如圖5-8所示。這3條曲線的變化趨勢雖表 現(xiàn)各異，總體上仍體現(xiàn)出兩個明顯不同的階段。在第一階段，即L-Dopa開始釋放之初， 累積釋放率隨時間顯著上升，釋放速率較快。其中，在pH為1.0的環(huán)境中，樣品C-2 的L-Dopa釋放在2 h后曲線趨平，即釋放速率減緩，而C-2在pH為6.8和7.4的環(huán)境 下在大約7 h后才達到此狀態(tài)。在隨后的第二階段，所有測試樣品的L-Dopa累積釋放 率增加趨于平緩。
對比圖中同一樣品在不同pH介質中的釋放曲線，可以清楚的看出pH環(huán)境能明顯 影響復合凝膠的L-Dopa累積釋放率。與pH 6.8和pH 7.4的釋放行為相比，在pH為1.0 的弱酸性條件模擬人體胃液的pH環(huán)境的介質中，L-Dopa的釋放速率很慢，釋放3 h內 累積釋放率僅為13.21 %，葡甘聚糖和黃原膠復合凝膠的性能及其作為藥物載體的應用研究，24 h內的累積釋放率為23.91 %;而在pH為6.8和7.4的模擬 腸液的pH環(huán)境的介質中，L-Dopa的釋放速率均有所增大，3 h內的累積釋放率分別為 36.74%和45.35%，24 h內的累積釋放率則分別為53.53%和76.62%。
這一釋放特性與復合凝膠的凝膠強度和在釋放試驗過程中的溶脹行為有關。2.3.4
61
中已經論證了 KGM/XG復合凝膠的pH敏感性。在酸性環(huán)境中，凝膠溶脹被抑制，L-Dopa 難以在復合凝膠內部通過擴散機制釋放；而在堿性條件下，反離子滲透壓，使得復合凝 膠的溶脹行為增強。在釋放初期的5h內，復合干凝膠樣品在迅速吸水溶脹的同時，向 外界不斷地釋放L-Dopa分子；由于以KGM/XG為基質的凝膠的吸水率非常大，故由此 而導致的凝膠外部的介質的減少不可忽略。因此，在這一階段，對外部溶液而言，溶質 L-Dopa在增加而溶劑在減小，使得L-Dopa濃度不斷上升，累積釋放率增加較快，釋放 速率較高。在釋放的第二階段，介質中的L-Dopa已達到一定的濃度，于是復合凝膠在 釋放L-Dopa的同時，也從溶液中持續(xù)吸入含L-Dopa溶液。后者的作用大大增強，使 L-Dopa的累積釋放率增長較慢，甚至趨于停滯。
據文獻報道，大分子載體與小分子藥物間的離子協(xié)同效應能降低小分子藥物的釋放 速率[138-141]。L-Dopa分子中具有可離子化的弱酸基團，能在分子內和分子間形成氫鍵。
L-Dopa、KGM和XG三者間的氫鍵作用和靜電相互作用使復合凝膠強度增大，延緩了
小分子藥物的滲透釋放。堿性條件下，反離子滲透壓和靜電排斥力使復合凝膠的溶脹行
為增強，因此，釋放速率和累積釋放率都比酸性環(huán)境中高。
oooooooo
87654321 o/a/ssrosls^s/vllrolnlunoov
0510152025
Time / h
100 90
0
圖5-8包埋L-Dopa的復合凝膠在溫度為37°C，不同緩沖溶液中的釋放曲線 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的釋放動力學
根據前面章節(jié)對KGM與XG的協(xié)同作用以及包埋L-Dopa后載有L-Dopa的 KGM/XG復合凝膠中三者之間的基本性質的分析，KGM和XG分子間通過協(xié)同作用形
62
成分子對，分子鏈聚集比較規(guī)整；物理包埋L-Dopa后，KGM、XG和L-Dopa三者間兩 兩存在的氫鍵作用使得復合凝膠強度增大，這就使得L-Dopa不太容易通過復合凝膠的 崩解而從給藥載體中釋放。從L-Dopa/KGM/XG復合凝膠樣品在釋藥體系中的形態(tài)觀察 來看，在釋放的前期（5 h內）未出現(xiàn)凝膠崩解現(xiàn)象。據此認為，前期（1-5 h)的快速 釋放僅僅是由于復合凝膠的快速溶脹使釋放介質大量減少而造成的。
藥物釋放機理可進一步用Peppas方程[142, 143]加以解釋。藥物在時間t的累積釋放率 Mt/M„可用溶出時間的指數函數形式表示，即：
Mt / M„ =ktn(5-8)
式（5-8)的函數形式可變?yōu)槌Ｒ姷腞itger-Peppas方程：
lg Mt - lg M„ = 1 gk + nlgt(5-9)
式中，一一藥物累積釋放百分率； k一一釋放動力學系數； n——反映釋放機制的釋放參數。
n值的大小反映了釋放機理的本質。對圓柱形藥片，當n<0.45時，為Fickian擴散； 當打>0.89時，是。&3611擴散，屬于骨架溶蝕機制；當打=0.45?0.89時，為非？^恤打擴 散，屬藥物擴散和骨架溶蝕協(xié)同作用[143]。
經計算，載藥體系樣品C-2在pH為1.0、6.8和7.4的緩沖溶液中的釋放動力學常 數分別為0.0863、0.2412和0.2865;而釋放參數n則分別為0.3317、0.2853和0.3434, 所有n值都小于0.45，屬于Fickian擴散機制?？梢哉J為，通過簡單的物理包埋，L-Dopa
和復合凝膠既有保持各自原有的獨立形態(tài)結構，又在一定程度上通過氫鍵和靜電作用結 合在一起。因此，在釋放藥物過程中，小分子藥物L-Dopa通過溶脹擴散從載藥體系中 釋放出來，并在釋放初期有突釋現(xiàn)象。
據文獻報道，Peppas方程只適合用于分析累積釋放率小于或等于60%的部分[144]。 因此，選取5.3.1.1中Mt/M„小于或等于60%的數據，使用Peppas方程進行擬合，所得 的實驗曲線和擬合曲線的對比如圖5-9所示?？梢钥闯觯趐H分別為1.0、6.8和7.4 的釋放介質中，樣品C-2的試驗曲線與Peppas方程的理論曲線非常相似。
63
pH=1.0
0 5 0 5 0 3 2 2 1 1
% / asealayaAllelnEnoov
454035
Peppas ■ Experim
…-Peppas parabola of fit -Experimental data
o o o o o
5 4 3 2 1
% / asealaya/vlelnEnoov
1015
Time / h (b)
5
20
0
5
1015
Time / h
(a)
20
25
0
25
pH=7.
o o o o o
5 4 3 2 1
% / asealayaAllelnEnoov
•A …• Peppas parabola of fit Experimental data
00123456
Time / h (c)
圖5-9 Peppas模型對包埋L-DOPA的復合凝膠在溫度為37°C，葡甘聚糖和黃原膠復合凝膠的性能及其作為藥物載體的應用研究，不同緩沖溶液中的實驗
曲線和擬合曲線
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-氨基水楊酸的KGM/XG復合凝膠的釋藥特性
5.3.2.1 pH值對包埋4-氨基水楊酸的KGM/XG復合凝膠的釋藥行為的影響
以4-氨基水楊酸為模型藥物，載有4-ASA的KGM/XG復合凝膠在不同pH介質中 的釋放行為測試結果如圖5-10所示。顯然，4-ASA的累積釋放率隨pH值的變化趨勢與 圖4-8相似。在pH為1.0的模擬人體胃液的pH環(huán)境的介質中，4-ASA的釋放速率很慢， 釋放3 h內累積釋放率僅為7.38%，24 h內的累積釋放率為15.68%;而在pH為6.8和 7.4的模擬腸液中，4-ASA的釋放速率均有所增大，3 h內的累積釋放率分別為28.51% 和32.18%，24 h內的累積釋放率則分別為63.00%和68.04%。
與L-Dopa/KGM/XG復合凝膠的釋放略有不同的是，在pH為7.4的釋放介質中， 4-ASA在釋放的第5?10 h內并沒有出現(xiàn)釋放速率相對平緩的階段。這有可能是L-Dopa 和4-ASA間分子量和基團活躍度不一樣而造成的差別。從圖5-1中兩種小分子藥物的分
64
子式可以看出，在與KGM/XG混合過程中，L-Dopa分子中的氨基、羧基和酚羥基更傾
向于與KGM/XG分子對的一OH形成氫鍵，使凝膠強度增大，釋藥速率降低；而4-ASA
分子中羧基與酚羥基距離短，往往形成分子內氫鍵或2個4-ASA分子間的氫鍵，降低
了與KGM/XG分子對形成氫鍵交聯(lián)的程度，凝膠強度相對沒有L-Dopa/KGM/XG復合
凝膠的強，在堿性條件下釋藥速率較快。
oooooooo
87654321 o/a/ssrosls^s/vllrolnlunoov
0510152025
Time / h
100 90
0
圖5-10包埋4-ASA的復合凝膠在溫度為37°C，不同緩沖溶液中的釋放曲線 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的釋放動力學
選取5.3.2.1中4-ASA的累積釋放率小于或等于60%的數據，運用Peppas方程和 Rigter-Peppas方程進行擬合。經計算，載藥體系樣品A-11在pH為1.0、6.8和7.4的緩 沖溶液中的釋放動力學常數分別為0.0505、0.1949和0.1411;而釋放參數n則分別為 0.3307、0.3959和0.5848。在pH為1.0和6.8的釋放介質中，n值都小于0.45,屬于Fick
擴散機制。可以看出，4-ASA與L-Dopa具有相似的釋放機理，即4-ASA和復合凝膠既 有保持各自原有的獨立形態(tài)結構，又在一定程度上通過氫鍵和靜電作用結合在一起。因 此，在釋放藥物過程中，4-ASA通過溶脹擴散從載藥體系中釋放出來，并在釋放初期有 突釋現(xiàn)象。但值得注意的是，在pH為7.4的較偏堿性環(huán)境中，釋放參數n值介于0.45?0.89 之間，屬于非Fickian擴散，即小分子藥物的釋放為擴散和骨架溶蝕共同作用的結果。 這樣的結果說明在pH為7.4的介質中，載藥量為25.0 mg/g的包埋4-ASA復合凝膠強 度相對較弱，長時間的浸泡使復合凝膠逐漸崩解，藥物釋放加快。
65
圖5-11反映了本章買驗數據與Peppas方程擬合曲線的對比。從圖5-11(a)可以看出， 在pH為1.0的釋放介質中，4-ASA/KGM/XG復合凝膠的釋放行為的實驗曲線與Peppas 方程的理論曲線相似；圖5-11(b)反映在pH為6.8的介質中，4-ASA/KGM/XG復合凝膠 在釋放的頭1 h內并沒有出現(xiàn)如Peppas方程的突釋現(xiàn)象，而在2?12 h的釋放時間段中 則有較佳的擬合效果；如圖5-11(c)所示，當釋放介質的pH為7.4時，在第1 h內也沒 有出現(xiàn)如Peppas方程的突釋現(xiàn)象，在2?8 h的釋放中，Peppas方程對4-ASA/KGM/XG 復合凝膠的釋放行為的擬合程度較差，實驗曲線在Mt /小于60%的測試范圍內皆大
20
o/o/ssrosIsysAllrolnlunoov
% / asealayaApelnEnoov
1015
Time / h
(a)
0
5
20
6
Time / h (b)
0
25
o o o o o o
6 5 4 3 2 1
% / asealayaAllelnEnoov
Time / h
(c)
于Peppas方程擬合數據。
圖5-11 Peppas模型對包埋4-ASA的復合凝膠在溫度為37°C，不同緩沖溶液中的買驗
曲線和擬合曲線
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 這一擬合結果與4-ASA/KGM/XG復合凝膠的凝膠強度有關。pH 7.4的釋放介質中 n = 0.5848的結果說明此時載藥體系中小分子藥物的釋放不僅僅依賴于復合凝膠的溶脹 行為，還與KGM與XG分子鏈的松弛有關。在堿性環(huán)境中，隨著復合凝膠溶脹趨于平
66
衡，凝膠強度減小，OH1 勺存在加速破壞了葡甘聚糖與黃原膠的協(xié)同作用，葡甘聚糖和黃原膠復合凝膠的性能及其作為藥物載體的應用研究，使凝膠加速 崩解，4-ASA釋放加快。因此，在較偏堿性的環(huán)境中，復合凝膠中4-ASA的釋放行為 是小分子藥物的釋放為擴散和復合凝膠藥物載體骨架溶蝕共同作用的結果。
5.4本章小結
以左旋多巴和4-氨基水楊酸作為模型藥物，選取多糖總濃度為1%、KGM與XG 質量比為1 : 1、載藥量為25.0 mg/g為條件，研宄包埋小分子藥物的復合凝膠的釋藥行 為。實驗結果表明：
在模擬人體胃液中，3 h內左旋多巴的累積釋放率僅為13.21%;而在pH為6.8和 7.4的模擬腸液中，L-Dopa的釋放速率均有所增大，24 h內的累積釋放率則分別為53.53 %和76.62%。4-氨基水楊酸在模擬胃液中3 h內的累積釋放率為7.38%，在模擬腸液中 24 h內的累積釋放率則為63.00%?68.04%。這樣的結果表明：復合凝膠對L-Dopa和 4-ASA的釋放具有明顯的pH敏感性，定位性較好。
在較偏堿性的釋放介質中，復合凝膠在釋放初期的2h內具有一定的突釋現(xiàn)象，但 突釋造成的介質藥物濃度均沒有超過L-Dopa和4-ASA的血藥濃度。因此，使用KGM/XG 復合凝膠作為左旋多巴和4-氨基水楊酸的藥物載體可以減少藥物的“首過效應”，減少 給藥次數，降低藥物的毒副作用，實現(xiàn)結腸內的藥物緩釋和靶位給藥的目的。
本章中還利用Peppas方程擬合了 2種藥物的實驗數據。結果表明：對于左旋多巴， 在測試內所有pH值均有較佳的擬合效果，釋放參數n值均小于0.45，左旋多巴的釋放 屬于Fick擴散機制；對于4-氨基水楊酸，pH為1.0和6.8的測試中n值小于0.45，藥 物釋放同樣遵循Fickian擴散機制。然而，在pH為7.4的模擬腸液條件下，n值則為0.5848, 藥物釋放受擴散和復合凝膠藥物載體骨架溶蝕共同控制。由此可以得出，在較偏堿性環(huán) 境中，4-ASA/KGM/XG復合凝膠在溶脹一定時間后的凝膠強度比L-Dopa/KGM/XG復 合凝膠弱。綜上所述，本研宄認為通過改變復合凝膠的凝膠強度和溶脹行為的pH敏感 性，能夠實現(xiàn)小分子藥物的結腸定位緩釋。
67
結 論
利用KGM和XG之間的協(xié)同作用，分別以最大用量的氮肥尿素、抗帕金森病藥物 L-Dopa和用于治療潰瘍性結腸炎的藥物4-ASA為模型藥物，制備了包埋小分子藥物的 KGM/XG復合凝膠，采用FTIR、TPA、流變儀和溶脹度測定對產物進行了表征，研宄 了藥物在凝膠中的釋放行為，葡甘聚糖和黃原膠復合凝膠的性能及其作為藥物載體的應用研究，利用Peppas方程擬合了的釋放曲線60%)，探討了 L-Dopa和4-ASA藥物的釋放機理。本工作的主要結論如下：
(1)在多糖總濃度為1%，KGM/XG質量比為1 : 1的條件下制備的復合凝膠表現(xiàn) 出較強的協(xié)同作用，凝膠強度較高，其三維網絡結構能在一定壓力和溫度范圍內保持相 對穩(wěn)定。對KGM/XG復合凝膠在不同條件下的溶脹行為研宄表明：該復合凝膠的溶脹 行為具有明顯的pH敏感性。在pH<6.0的酸性環(huán)境中，其溶脹會受到抑制；復合凝膠的 平衡溶脹度隨著pH值的增大而明顯增大，并在pH值為6.0?8.0的范圍內達到最大值。
(2)包埋尿素的KGM/XG復合凝膠具有與不含藥物的復合凝膠相似的凝膠強度和 流變性能；包埋L-Dopa和4-ASA的KGM/XG復合凝膠則由于L-Dopa或4-ASA與多 糖大分子之間的氫鍵交聯(lián)作用而表現(xiàn)出較高的凝膠強度和較低的平衡溶脹度，當載藥量 達到25.0 mg/g時，這種作用尤為明顯。這一效應有利于抑制凝膠內藥物的擴散釋放， 實現(xiàn)藥物的緩釋和控釋。
(3)包埋尿素的復合凝膠的釋放行為具有明顯的pH敏感性。與pH 7.0的釋放行 為相比，堿性條件下尿素的釋放速率加快，累積釋放率明顯增大；在pH<6.0的酸性條 件下，尿素的釋放受到抑制，尿素累積釋放率隨時間緩慢增加，pH <2.0時50 h的尿素 累積釋放率僅為11.8%，釋放曲線相對平緩。因此，在較偏酸性的條件下，尿素釋放受 到抑制，復合凝膠能夠在相對長的時間內實現(xiàn)緩釋。
(3) L-Dopa和4-ASA的釋放特性研宄結果表明：復合凝膠在酸性條件的模擬人工 胃液中累積釋放率較低，3 h內僅分別為13.21 %和7.38%。因此，KGM/XG復合凝膠 作為結腸給藥體系的載體可以降低藥物的“首過效應”，減少藥物釋放過快帶來的毒副 作用，適宜作為L-Dopa和4-ASA的口服給藥載體。Peppas方程擬合的結果表明L-Dopa 的《值在所測試的所有pH范圍均小于0.45,即L-Dopa的釋放受復合凝膠的溶脹行為 控制，遵循Fickian擴散機制；4-ASA在pH 1.0和6.8的釋放測試中《值分別為0.3307 和0.3959，同為Fick擴散控制釋藥，但在pH 7.4的釋放介質中，《值則為0.5848,此時 藥物釋放受擴散和復合凝膠藥物載體骨架溶蝕共同控制。
本文推薦企業(yè)：山東東達纖維素有限公司（http://jiayouhaonaner.net.cn/)，是專業(yè)的羧甲基纖維素鈉，羧甲基淀粉鈉，黃原膠生產型企業(yè)，專業(yè)生產羧甲基纖維素鈉，羧甲基淀粉鈉,黃原膠。擁有雄厚的技術力量，先進的生產工藝和設備。東達纖維素有限公司全體員工為海內外用戶提供高技術,高性能，高質量的產品。熱忱歡迎國內外廣大客戶合作共贏。