热熔法制备PCL基温敏性药物释放体系及其释药性能研究.pdf 9页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn热熔法制备PCL基温敏性药物释放体系及#其释药性能研究**周虹汛，陈霞，张聪，陈蓉，郭少云5（四川大学，高分子研究所，高分子材料工程国家重点实验室，成都610065）摘要：本文以甘油三月桂酸酯（C12）为热响应材料，双氯芬酸钠（DS）为模型药物，采用熔融共混制备了聚己内酯（PCL）基温敏性药物释放体系。通过差示扫描量热分析（DSC）、扫描电子显微镜（SEM）和亲水接触角分析表征了C12的加入对PCL/C12共混物形态结构特征的影响。研究发现，C12的加入能够改善DS的分散，调节共混物的亲水性。由于C1210的疏水性，37℃时PCL/C12共混物相比于纯PCL中DS的释放更慢，而在45℃时，由于C12熔点较低（48.2℃）发生部分熔融，使得PBS缓冲液更易渗透进基体内部，从而提高DS的释放速率。结果表明，PCL/C12共混物表现出DS的温敏性释放行为，同时保持了材料的力学强度。关键词：温敏性药物释放；聚己内酯；甘油三月桂酸酯；熔融共混；相变15中图分类号：R318.08PreparationandDrug-releasePropertiesofPoly(ɛ-caprolactone)BasedThermo-sensitiveDrugReleaseSystemsthroughMeltBlending20ZHOUHongxun,CHENXia,ZHANGCong,CHENRong,GUOShaoyun(TheStateKeyLaboratoryofPolymerMaterialEngineering,PolymerResearchInstitute,SichuanUniversity,Chendu610065)Abstract:Inthispaperpoly(ɛ-caprolactone)(PCL)basedthermo-sensitivedrugreleasesystemwaspreparedthroughMeltblending,usingglyceryltrilaurate(C12)asthethermo-responsivematerial.25Diclofenacsodium(DS)wasusedasamodeldrug.Differentialscanningcalorimetry(DSC),scanningelectronmicroscope(SEM)andwatercontactangleofthematerialswereperformedtoinvestigatetheinfluenceofC12onthemorphologicalpropertiesofPCL/C12blends.ItwasindicatedthattheadditionofC12improvedthedispersionofDS,andadjustedthehydrophilicpropertyoftheblends.DuetothehydrophobicityofC12,theDSreleaseofPCL/C12blendswaslowerthanthatofpurePCLat37℃.30Whileathighertemperature(45℃),C12waspartiallymeltedduetoitslowmeltingpoint(48.2℃),whichimprovedthepermeabilityofPBSbuffersolutionintothematrices,leadingtoahigherdrugreleaseofDS.Asaresult,thePCL/C12blendsexhibitedathermo-responsiveDSreleasebehavior,withthemechanicalstrengthofthematerialsmaintained.Keywords:thermo-sensitivedrugrelease;poly(ɛ-caprolactone);glyceryltrilaurate;meltblending;35phasetransition0引言温敏性药物释放体系能够响应环境温度变化而迅速改变药物的释放速率及释放量，达到40药物的可控释放。温敏性药物释放体系对释药行为的调控简单易行，可由体外加热或降温进基金项目：国家自然科学基金（51303111，21174091）；博士点基金-新教师类（20130181120122）；四川省应用基础（2014JY0131）作者简介：周虹汛（1992-），女，硕士研究生，主要从事热熔法制备温敏性药物释放体系的研究通信联系人：陈蓉（1985-），女，讲师，主要从事生物降解高分子材料高性能化及功能化研究.E-mail:rongchen@scu.edu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn[1][2]行，也可直接使载药体系根据体温变化作出响应。因此，对于温敏性药物释放体系的研[2,3]究一直受到学者们的广泛关注。现有的温敏性载药材料以聚丙烯酰胺类聚合物及其衍生物为主，通过化学改性得到所需性能的温敏性水凝胶。但其合成制备过程较为复杂，通常还[4]会使用有机溶剂，同时丙烯酰胺类聚合物生物相容性较差，对人体有一定毒副作用，因此45寻求新的制备方式尤其是非溶剂条件下采用生物相容性良好的组分进行温敏性载药材料的简单制备具有重要意义和实际应用价值。要获得较好的温敏性释药行为，选择合适的温敏响应材料是关键。甘油三酯是人体内含[5]有的脂类之一，具有良好的生物相容性，常见饱和长链脂肪酸甘油三酯的熔点随其脂肪酸[6]碳链长度不同可在43℃至73℃灵活可调。有学者利用不同碳链结构的甘油三酯为基体热[7-9]50熔挤出制备了释放速率不同的药物缓释材料，但将其运用于温敏性药物缓释材料的制备还鲜有报道。本文采用聚己内酯（PCL）为基体，熔点较低的甘油三月桂酸酯（C12）为温度响应材料，双氯芬酸钠（DS）为模型药物，熔融共混制备了PCL/C12/DS温敏性载药体系，研究了C12的加入对体系释药行为的影响，并对其释药机理进行了探讨。1实验部分551.1主要原料及试剂聚己内酯（PCL）：CAPA6500，Mn＝50,000，熔融指数（MI）为1.48g/10min（100℃/2.16kg），瑞典柏斯托公司；甘油三月桂酸酯（glyceryltrilaurate,C12），≥98%（气相色谱纯），上海阿拉丁生化科技股份有限公司；双氯芬酸钠（DS）：原料药，西安瑞林公司；磷酸盐缓冲液（Phosphatebufferedsaline,PBS）：pH=7.4，中杉金桥生物技术有限公司；正60己烷：分析纯，成都科龙试剂有限公司。1.2样品制备将PCL、C12和药物DS在40℃下真空干燥24小时，然后按照表1组分比进行混合，采用转矩流变仪（RM-200C，哈尔滨哈普电气技术有限责任公司）在80℃密炼6分钟，转速50rpm。随后将密炼样品在80℃热压5分钟（R-3212型压机，压力10MPa，武汉启恩科65技公司），样品厚度为0.80mm。表1载药共混物的组分比Tab.1CompositionsofthedrugloadedblendsSpecimenPCL,wt%C12,wt%DS,wt%(oftotalmatrixweight)PCL/DS100-5PCL1C/DS90105PCL2C/DS802051.3样品制备1.3.1热失重分析（TGA）70采用TA209F1型热分析仪（德国NETZSCH公司）在氮气保护下以10℃/min从30℃-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn升温至600℃，记录样品的质量损失。1.3.2差示扫描量热分析（DSC）采用Q20型差示扫描量热仪（美国TA公司）测试，在氮气（流量为50ml/min）保护以10℃/min从-20℃升温至100℃，恒温3min消除热历史，以相同速率降温至-20℃，再以7510℃/min升温至100℃，记录第二段升温曲线。1.3.3扫描电子显微镜（SEM）将PCL2C/DS在正己烷中浸泡5h并干燥。将PCL/DS共混物和正己烷刻蚀前后的PCL2C/DS在液氮中脆断，断面真空镀金处理，采用Quanta250型扫描电子显微镜（美国FEI公司）观察样品断面形貌，加速电压为20kV。采用能量色散x射线能谱（EDS）检测共混80物中样品断面Cl元素的分散情况。1.3.4亲水接触角测试采用DSA25S型接触角测量仪（德国Kruss公司）对PCL/DS，PCL1C/DS和PCL2C/DS样品表面进行亲水接触角测试，每组样品测试6个点，取平均值。1.3.5体外释放测试85（1）37℃释放测试：将热压成型的PCL/DS,PCL1C/DS和PCL2C/DS样品裁成直径10mm的小圆片（厚度为0.80mm），38℃下真空干燥至恒重后称重，分别浸泡于10mlPBS缓冲液中，并置于37℃恒温培养箱中振荡搅拌，搅拌速率为100r/min。浸泡一定时间将PBS缓冲液完全移出，并加入10ml新的PBS缓冲液。[10,11]（2）45℃释放测试：将上述三个样品分别放入100mLPBS缓冲液里浸泡，采用恒90温磁力搅拌水浴锅进行加热和搅拌，温度设置为45℃，搅拌速率为100r/min。浸泡一定时间取5mlPBS缓冲液待测，并加入5ml新的已预热至45℃的PBS缓冲液。采用UV-1750型紫外分光光度计（日本岛津公司）测试药物在PBS中的溶解浓度并计算其药物累积释放量，测试波长范围210nm-350nm，DS的紫外特征吸收峰为276nm。配制药物标准曲线使其浓度范围为1-60µg/ml，在此范围内药物浓度和吸光度显示出良好的线性95关系（R>0.999）。所有样品均重复实验三次。1.3.6力学性能测试将PCL/DS、PCL1C/DS和PCL2C/DS热压样品按标准裁成哑铃型(GB/T1040.2-2006标准5A型试样)，采用CMT-4104型万能材料试验机（美国MTS公司）按GB/T1040.2-2006标准测试样品的拉伸性能，拉伸速率为100mm/min；测试温度分别为25℃，37℃和45℃，100每个温度测试5根样条，结果取平均值。-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn2结果与讨论2.1热稳定性图1为PCL、温度响应相C12和药物DS的TGA曲线，可知PCL、C12和DS的初始分解温度均高于250℃，因此，在密炼及热压成型过程中（密炼及热压温度均为80℃），各105组分均未发生明显降解。100PCLC12DS806040Mass(%)200100200300400500600oTemperature(C)图1PCL、C12和药物DS的TGA曲线Fig.1TGAcurvesofPCL,C12andDS1102.2热性能图2为PCL、C12、DS及其共混物（PCL/DS、PCL1C/DS和PCL2C/DS）的DSC曲线。相应样品的熔点、熔融热焓和结晶度等如表2所示。纯PCL的熔点为57.1℃，结晶度为43%，加入C12后其熔点和结晶度略有降低，这是因为C12熔点较低（48.3℃），在PCL熔点附近（高于50℃）为熔体，对PCL起到一定的增塑作用。共混物PCL1C/DS中C12的熔点由11548.3℃降至45.7℃主要是因为PCL分子链限制了C12的结晶，当C12含量增加时这种限制作用受到削弱，C12更易团聚形成完整微晶，故而PCL2C/DS中C12的熔点较PCL1C/DS偏高，更接近纯C12的熔点。总的来说，与PCL共混后，C12会在较低温度下开始熔融，[9]从而实现样品的温度响应释药性能。文献报道药物DS在289.61℃出现熔融吸热峰，故在测试范围内未出现其熔融吸热峰。-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cno57.1CPCLoo48.3C56.8CPCL/DSoo55.2C45.7CPCL1C/DSooEndo46.4C55.1CPCL2C/DSC120255075100oTemperature(C)120图2PCL、C12、PCL/DS和PCL/C12/DS共混物的DSC曲线（升温速率为10℃/min）Fig.2DSCheatingcurvesofPCL,C12,PCL/DSandPCL/C12/DSblendswithaheatingrateof10℃/min表2PCL、C12和载药共混物的熔点（Tm），熔融热焓（ΔHm）和结晶度（Xc）125Tab.2Themeltingtemperature(Tm),heatoffusion(ΔHm),andthedegreeofcrystallinity(Xc)forPCL,C12andthedrugloadedblendsPCLC12SpecimenTm,℃ΔHm,J/gXc,%Tm,℃ΔHm,J/gC12///48.3116.8PCL57.159.843.0//PCL/DS56.851.136.8//PCL1C/DS55.247.233.945.7144.0PCL2C/DS55.151.637.146.4126.32.3形貌分析图3为PCL/DS（a）、PCL2C/DS（b）和用正己烷刻蚀后的PCL2C/DS（PCL2C/DS-K）（c）的断面形貌。可看出PCL/DS的断面存在大量团聚体，采用EDS分析药物DS中Cl130元素在基体中的分布可知其主要为药物DS的团聚（图a3）。加入C12后PCL2C/DS样品中团聚现象明显减少，同时Cl元素在基体中分散较为均匀（图b3），即C12的加入有利于DS在基体中的均匀分散。这可能是由于C12具有较低的熔体粘度，在较低温度熔融后对体系起到了润滑增塑的作用，增加了DS颗粒在共混时的流动性，促进其分散。用正己烷刻蚀后（图c3），共混物中存在大小不一的孔洞，可能为C12溶解所致。而C12溶解后仍能检135测出Cl元素的分布，说明药物DS在PCL和C12中均有分布，且其分散较为均匀。-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cna1a2a350μm10μm50μmb1b2b350μm10μm50μmc1c2c350μm10μm50μm图3PCL/DS(a1-a3)，PCL2C/DS(b1-b3)和PCL2C/DS-K(c1-c3)的SEM图和SEM-EDS分析图（按Cl元素分布作图）Fig.3SEMimagesandSEM-EDSCl-mappingphotographsofPCL/DS(a1-a3),PCL2C/DS(b1-b3)and140PCL2C/DS-K(c1-c3)2.4表面亲水性为了研究C12的加入对材料亲水性的影响，对纯PCL、PCL/DS、PCL1C/DS和PCL2C/DS进行了表面亲水接触角测试。如表3所示，纯PCL的接触角为79.7°，DS的加入并没有改变PCL的亲水性。而加入C12后，PCL1C/DS的亲水接触角增大到135.2°，说明C12的疏145水长链烷基使样品表面疏水性显著提高。随着C12含量的进一步增加，样品接触角不再继续增大，这可能是由于C12含量增大易发生团聚，故而无法进一步提高材料疏水性。前述DSC结果也证明了含量增大时C12发生团聚的可能表3PCL、C12、PCL/DS和PCL/C12/DS共混物的亲水接触角150Tab.3WatercontactanglesofPCL,PCL/DSandPCL/C12/DSblendsSpecimenWatercontactangle,°PCL79.7±1.5PCL/DS72.3±1.6PCL1C/DS135.2±3.4PCL2C/DS130.5±5.3-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn2.5药物体外释放性能图4为PCL/DS、PCL1C/DS和PCL2C/DS在37℃和45℃的释药曲线。37℃时，纯PCL中DS在48小时释放量为6.7%，显著高于PCL/C12共混物中的药物释放量（3.5%）。主要是由于C12的加入导致PCL/C12共混物亲水性显著下降，水分子不易渗透入样品内部使药155物溶出，故而其释药速率降低。由于C12含量不同其亲水接触角变化不大（表3），即样品PCL1C/DS和PCL2C/DS的亲水性相差不大，故而两者在37℃时的释药行为相近。45℃时，PCL2C/DS在48小时的药物释放量为21.8%，显著高于纯PCL中的药物释放量（16.2%）。这是由于PCL/C12/DS共混物中C12部分熔融发生由固相向液相的转变，结构变得较为疏松，其在PCL中的分散形成水分子更易渗透的通道，使样品内部的药物DS更易溶出，故而共160混物中药物释放速率比纯PCL更快，显示出较为灵敏的温度响应释放行为。而在72小时后PCL2C/DS的释药速率略低于PCL1C/DS，这可能是由于C12含量增加更易使药物DS在共混物中均匀分散（图3），一方面释放初期由于PCL2C/DS结构更为疏松使C12中的药物更易在45℃溶出，故而其释药量高于PCL1C/DS，而另一方面在释放后期由于PCL2C/DS中DS在PCL中均匀分散难以形成有效扩散通道使其释放速率略低于PCL1C/DS。我们之前对[12]165PCL/PEO共混体系中药物的分布及其对释放行为影响的研究也得到类似的结论。50PCL/DS-37℃PCL1C/DS-37℃PCL2C/DS-37℃40PCL/DS-45℃PCL1C/DS-45℃PCL2C/DS-45℃302010CumulativeRelease(%)004080120160Time(h)图4PCL/DS和PCL/C12/DS共混物分别在37℃和45℃时的累积释药曲线Fig.4CumulativereleaseofDSfromthePCL/DSandPCL/C12/DSblendsat37℃and45℃1702.6力学性能分析PCL/DS，PCL1C/DS和PCL2C/DS样品在25℃，37℃和45℃时的拉伸屈服强度如图5所示。可看出纯PCL的拉伸屈服强度随温度升高而降低，加入C12后其相应屈服强度低于纯PCL样品。45℃时PCL2C/DS样品屈服强度为5Mpa，说明即使在较高温度共混物仍能保持一定的力学强度，其主要是由于作为连续相的PCL基体具有良好力学性能所致。-7- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn16PCL/DSPCL1C/DSPCL2C/DS1284YieldStrength(MPa)0253745oTemperature(C)175图5PCL/DS、PCL/1C/DS和PCL/2C/DS样品在25℃,37℃和45℃时的拉伸屈服强度Fig.5TensileyieldstrengthofPCL/DS,PCL1C/DSandPCL2C/DSsamplesat25℃,37℃and45℃3结论本文采用熔融共混制备了PCL/C12/DS温敏性药物释放体系。结果表明，C12的加入有180利于DS在基体中的均匀分散。并且由于C12的疏水特性，在人体温度（37℃）共混物具有比纯PCL更为缓慢的释药行为；而升高温度（45℃）时由于C12部分熔融发生相变，结构变得较为疏松，其在PCL中的分散形成水分子更易渗透的通道，使PCL/C12共混物具有更快的释药速率，从而实现载体材料对温度的响应性释药行为。同时PCL基体使材料具有一定的力学强度，有望作为组织支架释药材料，使其在修复骨缺损的同时能通过改变体外局部185温度调控药物的释放速率。[参考文献](References)[1]LandonCD,ParkJY,NeedhamD,etal.Nanoscaledrugdeliveryandhyperthermia:thematerialsdesignandpreclinicalandclinicaltestingoflowtemperature-sensitiveliposomesusedincombinationwithmildhyperthermia190inthetreatmentoflocalcancer[J].Theopennanomedicinejournal,2011,3:38-64.[2]SchmaljohannD.Thermo-andpH-responsivepolymersindrugdelivery[J].Advanceddrugdeliveryreviews,2006,58(15):1655-1670.[3]ChenL,LiuM,LinL,etal.Thermal-responsivehydrogelsurface:tunablewettabilityandadhesiontooilatthewater/solidinterface[J].SoftMatter,2010,6(12):2708-2712.JIXG,DENGYY,WANGP.Charactersof195atmospherepressure,pureoxygenfixedbedgasificationofsevenkindscoal[J].CleanCoalTechnology,2004,25(4):50-52.[4]李小军,毕维笳,张国亮,等.刺激响应型药物释放体系的研究进展[J].现代化工,2008,26(z1):57-61.[5]SeatonTB,WelleSL,WarenkoMK,etal.Thermiceffectofmedium-chainandlong-chaintriglyceridesinman[J].TheAmericanjournalofclinicalnutrition,1986,44(5):630-634.200[6]Radomska-SoukharevA.Stabilityoflipidexcipientsinsolidlipidnanoparticles[J].Advanceddrugdeliveryreviews,2007,59(6):411-418.[7]ReitzC,KleinebuddeP.Solidlipidextrusionofsustainedreleasedosageforms[J].EuropeanJournalofPharmaceuticsandBiopharmaceutics,2007,67(2):440-448.[8]SaxG,WinterG.Mechanisticstudiesonthereleaseoflysozymefromtwin-screwextrudedlipidimplants[J].205Journalofcontrolledrelease,2012,163(2):187-194.[9]VithaniK,ManiruzzamanM,SlipperIJ,etal.Sustainedreleasesolidlipidmatricesprocessedbyhot-meltextrusion(HME)[J].ColloidsandSurfacesB:Biointerfaces,2013,110:403-410.[10]ChangC,WeiH,FengJ,etal.TemperatureandpHdoubleresponsivehybridcross-linkedmicellesbasedon-8- 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