依诺沙星-聚甲基丙烯酸-2-羟乙酯水凝胶膜的制备及性能

【摘要】  目的 制备缓、控释性能优异的依诺沙星-聚甲基丙烯酸-2-羟乙酯水凝胶膜(PHEMA)。 方法 选甲基丙烯酸-2-羟乙酯为单体、过硫酸铵［(NH4)2S2O8］为引发剂、依诺沙星为模型药物水相聚合,通过分步法和同步法导入药物,光学显微镜和扫描电镜观察PHEMA的表面形态;水溶液测定凝胶膜的膨胀性能,拟体液环境中测定凝胶膜的释药特征。 结果 HEMA∶H2O为1∶3、聚合温度为72 ℃时聚合生成的水凝胶膜表面形态理想,导入药物后的载药膜具有良好的膨胀性能和优秀的缓、控释特征。 结论 以HEMA(25%)为单体通过溶液聚合有望开发出一类性能优异的载药水凝胶膜。

【关键词】  聚羟乙基丙烯酸甲酯; 依诺沙星; 膨胀性; 水凝胶; 缓释控释

    ABSTRACT:  Objective  To investigate whteher the poly(2-hydroxyethylmethacrylate)(PHEMA) hydrogel film loaded enoxacin with aprolonged and controlled release characteristics.  Methods  It was synthesized by choosing HEMA as monomer, (NH4)2S2O8 as inhibitor and enoxacin as model drug; the drug was introduced into hydrogel film by dividing and synchronous method.  The characterization of hydrogel film was detect with optical microscopy and SEM.  The swelling behavior in aqueous solution and the characteristics of releasing drug in PBS were also determined.  Results  Ideal morphology of hydrogel film could be obtained when reacted at mole ratio of HEMA and H2O 1∶3,  reaction temperature 75 ℃.  PHEMA hydrogel film loaded drug has good swelling behavior and excellent prolonged and controlled release characteristics.  Conclusion  An outstanding performance hydrogel film containing enoxacin by the monomer of HEMA in solution polymerization was estabilished with prolonged and controllell releasing characteristics.

    KEY WORDS:  poly(2-hydroxyethylmethacrylate); enoxacin; swelling behavior; hydrogel; prolonged and controlled release

    水凝胶是一种具有三维结构的新型功能高分子材料,具有吸水量高、溶胀快、柔软、弹性佳、机械性能优异等特点,被广泛应用于、农业等多个领域［1］。水凝胶易于细胞的生长和繁殖,对周围组织的摩擦和机械作用损伤力低,具有良好的生物相容性;基于优良的生物学性能,水凝胶在生物医药、组织工程等方面应用极其普遍［2-4］。甲基丙烯酸-2-羟乙酯溶于水,低毒性,其聚合物(PHEMA)难溶于水,但亲水性强,是一类性能优异的水凝胶。自1960年发现甲基丙烯酸-2-羟乙酯(HEMA)的优良生物学性能以来,医药科技工作者开发了大量生物相容性的PHEMA材料,被广泛用于牙科、骨科、眼科、整容外科、心血管修复、药物释放系统［5-6］。与传统使用最多的敷料纱布相比PHEMA水凝胶膜作为创面敷料,可吸收渗液,并且吸收渗液后的凝胶不会粘伤口,可加速上皮细胞生长,而膜内的水分形成湿润环境,可促进创面的癒合,加速新微血管增生。凝胶膜中所含的抗菌药物随着凝胶膜的吸水膨胀而释放出来,可杀灭细菌,抑制细菌繁殖,从而更有利于伤口的愈合［7-8］。

    笔者以甲基丙烯酸-2-羟乙酯(HEMA)为单体、过硫酸铵［(NH4)2S2O8］为引发剂,通过改变单体与溶剂相的配比,在水相合成空隙以及孔洞各异的水凝胶膜;并以同步法和分步法引入抗菌药物依诺沙星［9］(依诺沙星是喹诺酮类广谱抗菌药,对革兰阳性菌和革兰阴性菌均有较强的抗菌活性,高效安全,无交叉耐药性,作用于细菌细胞DNA螺旋酶A亚单位,抑制细菌DNA合成和复制,对皮肤软组织感染有良效)制备载药水凝胶膜;探讨载药膜的制备工艺,研究单体与溶剂用量对载药膜的质量影响(相分离形成的孔洞、以及孔隙)。应用光学显微镜观察其表面形态,通过扫描电镜对凝胶膜表面进行扫描;研究各类凝胶膜的溶胀性能;在拟体液条件下对载药凝胶膜进行体外模拟释药,观察其释药特征,以期获得生物学性能良好,具有缓释、控释性能的荷载抗菌药物(依诺沙星)的药用敷料凝胶膜。

    1  材料与方法

    1.1  材料  甲基丙烯酸-2-羟乙酯(HEMA,分析纯,美国Aldrich Chemical公司);过硫酸铵 (分析纯,广东省化学试剂工程技术研究开发中心);无水乙醇(分析纯,上海实验试剂有限公司);依诺沙星(福建闽东力捷讯药业有限公司)。紫外分光光度计(上海精密仪器有限公司制造);红外光谱仪(Avatar 330 FT-IR,美国尼高力公司);天平(北京赛多利斯天平有限公司);扫描电镜(JSM-5600LV,日本JEOL股份有限公司)。

    1.2  方法

    1.2.1  制备PHEMA凝胶膜

    1.2.1.1  空白凝胶膜  将HEMA、H2O、按设定剂量混合均匀,并加入引发剂［(NH4)2S2O8］少量,充分溶解混合后,将其置于60 ℃水浴中恒温预聚约40 min,待其成略黏稠状液体后,用胶头滴管将预聚液缓慢加入自制的玻璃模具中(防止产生气泡),密封模具,升温至70 ℃恒温约8～10 h,反应完毕后,拆开模具将PHEMA凝胶膜取出,用少量去离子水将表面杂质冲洗干净,并置鼓风干燥箱中60 ℃恒温干燥约48 h,待用。

    1.2.1.2  载药PHEMA凝胶膜  (1)分步法制备载药凝胶膜:在制备的空白凝胶膜中取相同质量干凝胶膜若干片,分别置于依诺沙星浓度为1%(W/V)的0.3%NaOH溶液中48 h,吸药达平衡后,以蒸馏水冲洗膜表面后,于60 ℃恒温干燥至恒重,备用。(2)同步法制备载药凝胶膜:与制备空白凝胶膜相似,精密称取药物0.05 g,与HEMA、水等混合溶解,使药物浓度为1%(混合溶液5 mL含依诺沙星0.05 g),按照(1)方法制备凝胶膜。

    1.2.2  PHEMA凝胶膜性能测定

    1.2.2.1  电镜扫描(SEM)  取PHEMA凝胶膜0.3 cm×0.3 cm,浸入液氮15 min,表面喷金,扫描电压20 kV,对多孔PHEMA凝胶膜样品作扫描电镜观察。

    1.2.2.2  溶胀实验  室温条件下将已知质量的干凝胶片浸泡于指定溶剂(pH 7.2磷酸盐缓冲液)中,每隔2 h,取出凝胶,檫干表面水分,称量并记录凝胶的质量,绘制溶胀动力学曲线,比较各凝胶膜溶胀情况。凝胶溶胀度(SR)定义为:

    SR=(Wt-Wd)/Wt

    Wt:t时刻凝胶与水的质量; Wd:干凝胶质量

    1.2.3  PHEMA凝胶膜体外释药

    1.2.3.1  依诺沙星标准曲线绘制  精密配制浓度分别为4.0,6.0,8.0,10.0,12.0,14.0 μg/mL溶液,在268 nm处测定吸光度(D),对其进行线性回归,得回归方程:y=0.0573x +0.0116(r2= 0.9993)。

    1.2.3.2  静置振荡释药  取相近质量干凝胶膜(3 cm×2 cm×0.3 mm),置于pH 7.2磷酸盐缓冲液-无水乙醇(1∶1)混合溶液50 mL,并置于振荡箱中持续震荡,2 h测定溶液D,并绘制药物累积溶出曲线。

    2  结  果

    2.1  水凝胶膜制备工艺选择

    2.1.1  聚合温度和引发剂用量  聚合温度为70 ℃时,只需1～2 h凝胶膜即可形成,故选择(70±2)℃为最佳反应温度。由于聚合反应在水相进行故选用溶于水的过硫酸铵作引发剂,其用量约为单体的1%时,生成的凝胶膜外观形态和机械性能理想。

    2.1.2  单体甲基丙烯酸-2-羟乙酯(HEMA)浓度  选择HEMA:H2O值不同的体系,按上述实验条件进行各种凝胶膜合成,通过光学显微镜(×400倍)观察膜表面,结果见表1。表1  HEMA与H2O不同配比制备的水凝胶膜形态分析

    按上述单体与溶剂配比所得凝胶膜的表面外观,随着反应体系中HEMA单体用量的增加凝胶膜空隙变少,干燥后皱褶减少,宏观上看样品色泽逐渐由白色向透明转变且硬度增加,膜的微观形态在下述的扫描电镜图中看得更清晰。

    2.2  电镜扫描  PHEMA载药凝胶膜电镜扫描见图1。PHEMA空白凝胶膜表面有许多孔隙和孔洞,在干燥状态呈现许多皱褶;分步法的载药膜引入药物后表面皱褶减少但显得粗糙,表面有明显的药物沉积痕迹;而同步法制备的载药膜表面较光滑可见药物晶体均匀分步在膜内部而鼓起。

    2.3  红外光谱分析  对PHEMA凝胶膜进行红外扫描测定,从PHEMA的IR谱可知,3 422 cm-1是-OH的伸缩振动吸收峰,2 929 cm-1处是-CH2-的

    A:空白凝胶膜; B:同步法载药凝胶膜; C:分步法载药凝胶膜

    图1  25%HEMA (V/V)凝胶膜的电镜扫描图

    Fig 1  The SEM micrograph of hydrogel film with 25%HEMA(V/V)

    C-H伸缩振动吸收峰,1 720 cm-1处C=O吸收峰。在1 630 cm-1处无-CH=CH2的伸缩振动吸收峰,表明样品中无HEMA单体,说明游离的HEMA已被充分洗涤干净。

 

   2.4  PHEMA凝胶膜的溶胀性及体外释药的影响  PHEMA凝胶膜的溶胀性能及体外释药特征与凝胶膜的组成和结构有关,而PHEMA凝胶膜作为外用敷料辅助材料、骨膜材料时,它的性能研究必须在拟体液(pH 7.4)左右进行,因此选择pH 7.4磷酸盐缓冲液作为环境条件进行实验。以预实验中的最佳条件,按两种不同引入药物方法制备荷载依诺沙星的凝胶膜,并对所制的凝胶膜进行溶胀性及体外释药实验,观察其膨胀性能及缓释效果。

    2.4.1  溶胀性能  以HEMA(V/V)浓度为25%制备空白水凝胶膜和相同单体浓度以分步法、同步法制备的载药水凝胶膜在水溶液进行溶胀性实验结果见图2。水溶液中3种凝胶膜都可以迅速吸水膨胀,其中空白膜膨胀最快最早达到峰值且膨胀比也最大,而分步法其次、同步法最慢,它们达到溶胀平衡所需时间分别为1,4,6 h。

    图2  不同组份PHEMA 凝胶膜在pH7.2磷酸盐缓冲液中溶胀曲线

    Fig 2  Swelling curve of different components of PHEMA gel film in the pH 7.2 phosphate buffer solution

    2.4.2  体外释药特性  选择HEMA为25%以分步法和同步法制备载药的凝胶膜,在pH 7.2磷酸盐缓冲液-无水乙醇(1∶1)混合溶液中测定两膜的释药特性(图3)。分步法和同步法制备的水凝胶膜都具有良好的缓释效果。

    3  讨  论

    3.1  水凝胶膜制备工艺  水凝胶膜制备工艺受到多种因素影响,本研究主要考虑温度、引发剂及单体与溶剂配比等对制备工艺的影响。实验表明:(1)图3  分步法和同步法制备的 PHEMA 凝胶膜药物溶出曲线

    Fig 3  The drug release profile of PHEMA hydrogel film from dividing method and synchronous method

    当聚合温度<65 ℃时,聚合反应速度非常慢,主要原因是温度过低,引发剂引发HEMA聚合的速度较慢且增长速度也慢;当温度＞80 ℃时聚合体系产生暴聚现象,生成的水凝胶膜表面粗糙并形成很大通透的孔洞,当温度控制在(70±2)℃时,只需1～2 h凝胶膜即可初步形成,故选择(70±2)℃为最佳反应温度。(2)由于聚合反应在水相进行故选用溶于水的过硫酸铵作引发剂,其用量直接影响凝胶膜的质量,若用量过多生成的PHEMA分子量太小,使凝胶膜机械性能明显降低,若用量太少则反应速度非常慢,经实验反复证明用量约为单体的1%时,得到的凝胶膜质量较理想。(3)按本文设定的单体与溶剂配比所得凝胶膜的表面外观,随着反应体系中HEMA单体用量的增加凝胶膜空隙变少,干燥后皱褶减少,宏观上看样品色泽逐渐由白色向透明转变且硬度增加,膜的微观形态在扫描电镜图中看更得清晰。究其原因,主要是HEMA在水相聚合过程中,单体与溶剂用量直接影响生成聚合物的微观形态。报道,PHEMA水凝胶生成时,水溶剂的浓度有一个临界值(40%～45%)，当水浓度小于该值时,生成的凝胶膜呈透明孔隙少,而水浓度大于该值时,所成的凝胶呈不透明非均相膜,聚合物与水相之间热力学相互作用形成相分离是其根本原因;体系的水浓度越大则形成的膜孔越多且膜越柔软,干燥时皱折越多;对于荷载药物的凝胶膜希望孔隙越多越理想,这样可以提供更多的药物储藏库,但孔隙与孔洞太多而膜厚度太薄,孔洞之间可互相作用穿透膜,因此对药物的储藏不利,这可从释药实验中爆释得到证明,综上分析选定HEMA∶H2O为1∶3(25%～75%)作为体系的最佳配比,以此配比按分步法与同步法制备载药水凝胶膜是较理想的制备工艺。

    3.2  水凝胶膜性能

    3.2.1  电镜分析  PHEMA空白凝胶膜表面有许多孔隙和孔洞,在干燥状态呈现许多皱褶;分步法的载药膜引入药物后表面皱褶减少但显得粗糙,表面明显有药物沉积痕迹;而同步法制备的载药膜表面较光滑，可见药物晶体均匀分布在膜内部而鼓起;药物作为异相引入凝胶膜其存在方式与操作过程有关,分步法中药物是成膜后经过浸泡,药物随着水溶剂通过被动扩散渗入到孔洞内部,进入的药物撑起皱褶,而膜表面的羟基吸附的水包裹着药物沉积在表面使膜表面显得粗糙;同步法中药物的引入是在聚合过程药物与单体呈均相、聚合物长链生成且结晶时药物便均匀分散在链间隙,外观上看膜表面光滑。

    3.2.2  溶胀性及体外释药的影响  在水溶液中3种凝胶膜都可以迅速吸水膨胀,其中空白膜膨胀最快最早达到峰值且膨胀比也最大,而分步法由于导入药物后,药物嵌入于凝胶膜的孔隙中对水分子的进入起阻挡作用,同时进入凝胶膜的药物对PHEMA链段运动也产生阻碍,因此它的吸水能力比空白膜低,速度也比较慢,故达到溶胀平衡所需时间也较长;同步法制备的凝胶膜,由于药物在膜中嵌入得更牢固,分布得更均匀,对水分子进入膜的阻力更大,因此相对于分步法它的吸水能力更差、膨胀值更小,其达溶胀平衡时间也相对较长约为6 h,而分步法仅需4 h。

    分步法和同步法制备的水凝胶膜都具有良好的缓释效果,分步法所制的载药膜由于药物多数存在于凝胶膜中的孔隙中,且膜表面吸附着药物易脱落,故随着膜接触水和吸收水后药物即被释放出来,并且很快达到药物溶出平衡。由此看来,比较适合作为一种药物速释膜来使用。同步载药凝胶膜由于部分药物嵌于凝胶膜的骨架结构中,该状态下的药物对PHEMA膜的链自由运动起阻碍作用,使药物通过链运动而释放的能力下降,故同步法制的载药凝胶膜在溶液中爆释现象没有分步法明显,累积达峰所需时间也较长,缓释特征更为突出,更适宜作需要长久释药的软骨膜或人造载药皮肤。

    本研究选用HEMA为单体、过硫酸铵为引发剂、依偌沙星为模型药物在水相合成载药水凝胶膜,实验结果表明:聚合反应先在低温60 ℃进行预聚,后在72 ℃保温聚合,单体与水的比例为1∶3时,可以制备出孔隙和膜内孔洞适宜的水凝胶膜,通过分步法和同步法引入模型药物,载药膜具有良好溶胀性能,体外模拟释药证明其缓、控释特征突出;该工艺制备的水凝胶载药膜有望开发成局部创伤的敷料和软骨膜。

 

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