N，N＇-亚甲基双丙烯酰胺交联淀粉微球的制备及其降解性能研究

N，N＇-亚甲基双丙烯酰胺交联淀粉微球的制备及其降解性能研究 N，N,-亚甲基双丙烯酰胺交联淀粉微球的 制备及其降解性能研究 沈阳农业大学,2009—06,40(3):339—343 JournalofShenyangAgriculturalUniversity,2009-06,40(3):339—343 N,N,一亚甲基双丙烯酰胺交联淀粉微球的制备及 其降解性能研究 朱雯鹏,一,李新华,薛博 (1.沈阳农业大学食品学院,沈阳110161;2.沈阳师范大学化学与生命科学学院,沈阳110034) 摘要:以研究交联淀粉微球(CSM)制备工艺和降解性能为目的,采用单因素试验方法,分析了反应时间,反应温度,引发剂浓度,交 联剂浓度对淀粉做球平均粒径的影响规律,用扫描电镜观测了样品形貌,用不一IR对其结构进行了表征,利用In—Vitro消化模型, 对不同粒径淀粉微球在人体内的降解性能进行了测定.结果表明:反应温度和反应时间与制备的淀粉微球平均粒径大小呈负相 关,微球平均粒径随引发剂用量和交联剂用量增加而减小,达到最小值后又不断增大;交联淀粉微球形态圆整,表面略显粗糙,粒度 均匀,红外光谱在1539cm处出现N,H弯曲振动的吸收峰,微球中存在酰胺基结构;CSM在人工胃液中的消化率与降解时间几 乎成线性关系,4h内的消化率低于l5%.在人工小肠液中的降解分两个阶段,前60min速度较快,60min后CSM的消化速度明显 减慢,5h后消化率低于50%:CSM在人工消化液中的消化速度与其直径呈反比.表明交联淀粉微球可被人体缓慢降解,具有应用 于药物缓释,靶向给药和栓塞治疗的前景. 关键词:淀粉微球:交联淀粉:降解性能 中图分类号:TS236.9文献标识码:A文章编号:1000—1700(2009)03—0339—05 ThePreparationandDegradabilityofStarchMicrospheresCrosslinkedwith N.N-methyleneBisacrylamide ZHUMin—peng,LIXin—hua,XUE-Bo (1.CollegeofFoodScience,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang110161,China;2.CollegeofChemistryandLifeScience,ShenyangNormal University,Shenyang110034,China) Abstract:Theobjectiveofthissubjectwastostudythepreparationprocessanddegradabilityofcrosslinkedstarchmicrosphere(CSM). Theeffectsofreactiontime,reactiontemperature,initiatorconcentration,crosslinkerconcentrationonaveragediameterofCSMwere studied.ThesamplesofCSMwerecharacterizedbyscanelectronmicroscope.FT— IRspectroscopy.WithIn—Vitrodegradabilitymode1. thedegradabilityofCSMwithdifferentdiameterswastested.ResultsshowedthataveragediameterofCSMwasnegativelylinkedto reactiontimeandreactiontemperature.AveragediameterofCSMdecreasedwithinitiatorandcrosslinkerconcentrations,andreacheda minimumandthenincreased.SEMandFT— IRanalysisresultsindicatedthatCSMwerespherica1.evendistributingparticulateswith roughsurfaceandCSMhadN—Hbendingvibrationabsorptionat1539cm 一.ThedigestibilityanalysisresultsshowedthatastheCSM weredegradedinsimulatedgastricfluid,alinearrelationshipexistedbetweendigestibilityanddegradedtime,thehighinthefirst60 minandbecamelowsignificantlyafter60min.ThedegradedrateofCSMwasnegativelyrelatedtoaveragediameter.SotheCSMcould bedegradedslowlyinhumanbodyandhaveprospectsontheapplicationtodrugreleasing,targeteddrugdeliveryandcuring embolization. Keywords:starchmicrosphere;crosslinkedstarch;degradability 淀粉微球是天然淀粉的一种人造衍生物,由淀粉或其改性产物经交联反应合成,不 但具有天然淀粉的性 质,还可以作为各种药物的载体,应用于鼻腔给药系统,动脉栓塞,放射性治疗,免疫分析等领域,起到降低药物 毒性,提高药效等的作用【1_.目前,国内外制备淀粉微球的交联剂主要为环氧氯丙烷,YuJG等以环氧氯丙烷为 交联剂制备淀粉微球,认为油相和水相的密度,黏度,搅拌速度,是研究影响微球直径的重要因素,但未对交联 反应的试剂用量,反应温度,反应时间的影响进行研究[21.胡新等以可溶性淀粉为原料,环氧氯丙烷为交联剂. Span60和Tween20为混合乳化剂,液体石蜡,甲苯,氯仿混合液为油相,制备的淀粉微球平均直径为41xm.满足 静脉给药要求,但所需时间仍较长为6,8h[31.环氧氯丙烷制备工艺存在着时间长,效率低的缺点.而采用N,N一 收稿日期:2008—11—12 作者简介:朱曼鹏(1977一),男,沈阳农业大学博-I-z~究生,从事粮油深加工与转化研究.通讯作者Correspondingauthor:新~(1955-),男,沈阳 农业大学教授,硕士,从事粮油化学与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 研究. 340?沈阳农业大学第40卷 亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)为交联剂,合成反应属自由基反应,可缩短合成时间,提高反应效率,但国内外研究 较少.ARTURSSON等以丙烯酸缩水甘油酯对淀粉进行衍生化处理,然后与适量N,N一亚甲基双丙烯酰胺聚合 成球,此制备方法中,丙烯酸缩水甘油酯对淀粉衍生化反应速度慢,反应时间长(10,15d),且形成的淀粉微球生 物降解性差[41.LAAKSOT报道了用丙烯酰氯为交联剂合成淀粉微球,此法可提高反应速率,但微球的生物降 解性仍较差,在体内需数周才能降解【5】.ZHAO等采用MBAA为交联剂与淀粉反应2h制得淀粉微球,平均直径 为18.2m,微球对亚甲基蓝具有一定吸附能力同.由于医用淀粉微球要作用于不同的病灶部位,所以要求医用 淀粉微球达到一定的粒径范围,同时医用淀粉微球在不同病灶部位是否可生物降解及降解性能与其载药性能, 释药性能和安全性也密切相关.目前对淀粉微球的药用研究主要集中在其对各种药物的载药性能方面,对合成 时各因素对交联淀粉微球粒径的影响及微球在人体内的降解性能的研究鲜见报道.本研究以MBAA为交联 剂,过硫酸钾为引发剂,研究各因素对微球粒径的影响,并对微球的体内降解环境进行体外模拟,研究其降解性 能.为其作为药物载体的应用提供基础数据. 1材料与方法 1.1材料 可溶性淀粉,N,N一亚甲基双丙烯酰胺(MBAA),过硫酸钾,液体石蜡,乙酸乙酯,无水乙醇,丙酮,3,5一二硝 基水杨酸,均为分析纯(AR);胃蛋白酶,胰酶,均为生化试剂(BR);司盘60,化学纯(CP),以上试剂为国药集团 化学试剂有限公司产品.主要仪器:JB90一S型数显电动搅拌器(上海标本模型厂);T25型高速分散均质机(广 州仪科实验室技术有限公司);DK一$26型恒温水浴锅(上海精宏试验设备有限公司);CX21型光学显微镜(TKO 光学仪器株式会社);$450型扫描电子显微镜(日立);NICOLET380型傅立叶红外光谱仪(美国热电);UV一1600 型紫外一可见分光光度计(北京瑞利分析仪器公司). 1.2方法 1.2.1淀粉微球合成工艺取3g可溶性淀粉,加入27mL蒸馏水,水浴加热,搅拌,80?下保温20min,使淀粉 充分糊化,降温到60?备用.量取100mL液体石蜡置于三口瓶内,水浴加热,加入0.6g司盘60并使其溶解,将 ,通人高纯N:驱除反应体系中的0,30min淀粉溶液加入,6500r?min高速均质30s后 后加入适量KS:0.,继 续通入N10min,加人MBAA,继续通人N210rain后密闭反应一段时间,反应期间保持600r?min一搅拌.反应结 束后,离心分离,沉淀依次用乙酸乙酯,无水乙醇和丙酮洗涤,45%真空干燥,得白色淀粉微球. 1.2.2单因素试验根据本试验中淀粉微球的成球机理,分别考察:反应时间为2,3,4,5,6h;反应温度为 35,40,45,50,55?;引发剂用量为3,6,9,12,15mmol?L,;交联剂用量为0.025,0.05,0.075,0.1mol?L共4个影 响因素的改变对微球平均粒径影响的规律. 1.2.3淀粉微球平均粒径的测定用带目镜测微尺的光学显微镜测定200个微球直径,并求出粒径的统计平 均值. 1.2.4淀粉微球表征用扫描电镜观察淀粉微球的形貌.傅立叶变换红外光谱仪分析淀粉微球的结构特征. 1.2.5降解性能测定采用In—Vitro消化模型,分别称取一定量不同粒径的淀粉微球样品浸入人工胃液,人工 小肠液中.置于37cIC水浴中振荡,间隔一定时间吸取上清液取样,采用3,5一二硝基水杨酸法测定还原糖量,然 后根据还原糖量计算出被消化的淀粉量.人工胃液和人工小肠液按2005年版中华人民共和国药典配制. 2结果与分析 2.1单因素试验结果 2.1.1反应时间对微球平均粒径的影响由图1可知,在反应初期,随反应时间延长,淀粉微球平均粒径急剧减 .淀粉与MBAA交联反应属自由基反应机理,随着反应的进行,小.在5h后趋于和缓 在引发剂过硫酸钾作用下 产生的淀粉分子自由基和MBAA自由基不断增加,淀粉的交联程度不断加大,交联反应持续进行,而5h后交联 剂已基本消耗殆尽,故微球粒径趋于稳定. 2.1.2反应温度对微球平均粒径的影响由图2可知,在35,55qC范围内,随反应温度升高,微球的平均粒径减 小.温度升高使自由基生成速率加快,淀粉分子链间的氢键与分子间作用力被削弱,交联反应活性点增多,利于 第3期朱曼鹏等:N,N一亚甲基双丙烯酰胺交联淀粉微球的制备及其降解性能研究?341? 淀粉交联成球,但温度过高也会使交联剂均聚速率增大,不利于交联反应进行,因此最佳的反应温度应在50, 55?之间. 反应时间Reactiontittle/h反应温度Reacliontemperalure/%; 图1反应时间对微球平均粒径的影响图2反应温度对微球平均粒径的影响 Figure1EffectofreactiontimeonaveragediameterFigure2Effectofreactiontemperatureon average OfCSMdiameterofCSM 2.1.3引发剂用量对微球平均粒径的影响由图3可知.随着引发剂浓度的增加.微球的直径先减小,然后增 大.这是因为引发剂浓度较低时,增加浓度可以使活性点增多,淀粉大分子链上产生更多的自由基,引发更多的 交联反应,使微球粒径减小.而引发剂浓度增加到一定程度后,不仅初级自由基易发生相互终止,而且大量形成 的淀粉自由基之间以及淀粉自由基与初级自由基之间的终止反应几率增加,反而不利于交联反应进行,使微球 粒径增加. 2.1.4交联剂用量对微球平均粒径的影响由图4可知,淀粉微球的平均粒径先随交联剂用量的增大而减小, 在0.05mol?L达最小值后又增大.这是由于在反应过程中.交联剂MBAA使淀粉分子链间或链内发生交联, MBAA浓度加大有利于反应进行.从而使合成的微球粒径减小,但达到一定值后,MBAA浓度增大所起的均聚 反应速率超过交联反应的速率,反而不利于淀粉交联成球,且会使淀粉微球混有较 多MBAA均聚产物. 图3引发剂浓度对微球平均粒径的影响 Figure3Effectofinitiatorconcentrationonaverage diameterofCSM 2.2淀粉微球的红外光谱分析 由图5可知,CSM与可溶性淀粉分别在3447cm和 3410cm处出现强而宽的一OH伸缩振动吸收带, 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 交联反应前后一0H都存在:1155cm和1080cm处的 吸收峰分别归属为C一0一C的不对称伸缩振动和对称 伸缩振动;1653cm处的吸收峰属于C=0伸缩振动. 1539cm处出现N—H弯曲振动的吸收峰则是仲酰胺 结构的重要特征,说明淀粉与MBAA有明显的交联 2.3淀粉微球的形貌分析 由图6和图7可知.可溶性淀粉颗粒为圆形或椭圆 季 萎i 薹 图4交联剂浓度对微球平均粒径的影响 Figure4Effectofcrosslinkerconcentrationonaverage diameterofCSM 图5可溶性淀粉与交联淀粉微球的红外光谱图 Figure5FT-IRspectrogramsofsolublestarchandCSM 基?r)}u,Bl}J警宣 T1巢黉 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 加?"如如加 畜I)_}U当耋写If】皇 j露霸酱题 加?加 富?u_f0墨}】自 n/埘零兹 ? 342?沈阳农业大学第40卷 形,表面光滑,粒径分布不均,而所合成的CSM外型规则,呈圆形,直径小于可溶性淀粉,且粒径分布均匀,表面 略显粗糙. 图6可溶性淀粉扫描电镜照片 Figure6SEMmicrographofsolublestarch 图7淀粉微球扫描电镜照片 Figure7SEMmicrographofCSM 2.4淀粉微球的降解性能 2.4.1淀粉微球在人工胃液中的降解由图8可知,交联淀粉微球在4h内的降解率都低于15%.表现出了一 定的抵抗胃液水解的能力.随着微球直径的增大,降解速度和降解率都降低.在胃液中,淀粉微球主要是受酸 的水解作用而发生降解.由于淀粉微球难溶于水.酸对微球的水解作用为固液两相反应,H首先由液相扩散到 淀粉颗粒表面,然后渗入其中并对淀粉分子的糖苷键进行水解.直径小的微球比表面积大,与胃液的接触面积 大,造成其降解速度快.在人工胃液中微球的降解时间与消化率几乎成线性关系,显示了良好的降解性能.作 为药物载体,微球的体内降解过程即药物释放过程,CSM在胃液中的降解缓慢且速度接近恒定,表明其可作为 潜在的缓释药物载体. 2.4.2淀粉微球在人工小肠液中的降解由图9可知,与人工胃液中的降解曲线不同,CSM在人工小肠液中 的降解主要分为两个阶段,消化开始的前60rain.速度较快,60rain后CSM的消化速度明显减慢,降解曲线变化 趋于平稳.由于小肠液中对淀粉起水解作用的主要是淀粉酶,这种差异可能是酸与淀粉酶对淀粉水解的机理 不同造成的.对于直径为50txm和80txm的微球,其在人工小肠液中5h的消化率小于50%,未消化的部分可实 现结肠靶向给药.在人体的血液中也存在可降解淀粉微球的淀粉酶,但酶的含量远小于小肠中,所以淀粉微球 在被人体血液中的降解会比小肠中更加缓慢,保持较长时间的稳定状态,这使其可以应用于栓塞治疗中,在一 30 25 20 15 1O 5 O — 》直径30Ixm微球Diameter3OnlCSM 306090l20l5O】802l0240 消化时间Time/rain 图8不同粒径CSM在人工胃液中的降解情况 Figure8ThedegradabilityofCSMwithdifferent diametersofinsimulatedgastricfluid 70 60 50 40 3O 20 10 0 消化时间Time/n1in CSM CSM CSM 图9不同粒径CSM在人工小肠液中的降解情况 Figure9ThedegradabilityofCSMwithdifferent diametersinsimulatedintestinalfluid 第3期朱昊鹏等:N,N一亚甲基双丙烯酰胺交联淀粉微球的制备及其降解性能研究?343 定时间内栓塞病灶部位的血管,达到持续释药,使癌组织缺血坏死的目的. 3结论与讨论 试验结果表明,以N.N一亚甲基双丙烯酰胺为交联剂,过硫酸钾为引发剂制备交联淀粉微球,反应温度和 反应时间与制备的淀粉微球平均粒径大小呈负相关:微球平均粒径随引发剂用量和交联剂用量增加而减小,达 到最小值后又不断增大.所合成的淀粉微球外型规则,呈圆形,粒径均匀,表面略显粗糙.交联淀粉微球在体外 模拟降解实验中,表现出了较强的抵抗人工胃液,人工小肠液消化的能力,具有应用于药物缓释,靶向给药和栓 塞治疗的前景. 在制备CSM时,影响微球平均粒径大小的因素较多,赵新法等对反应温度,交联剂用量,引发剂用量对微 球平均粒径的影响进行了研究,得出反应温度与淀粉微球平均粒径大小呈负相关,微球平均粒径随交联剂用量 增加而减小,达到最小值后又不断增大的结论,这与本研究的结果一致,但引发剂对微球平均粒径影响与本试 验结论不同,可能是由于本试验采用KiS:O为单一引发剂,而其采用K0一NaSO,氧化还原体系为引发剂.有 研究表明,搅拌速度也是影响微球平均粒径的因素之一,搅拌速度越大,制备的微 球平均粒径越小闭,但本试验 发现,搅拌转速的加大不能无限减小的微球平均粒径,过大的搅拌速度会使乳化液进溅到反应器壁上,造成分 散的淀粉溶液聚集,对微球的合成不利,所以在制备CSM时采用使乳化液不致溅到反应器壁上的最大转速为 宜.朱雷等采用因子 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 一效应面法优化CSM合成工艺,得出最佳工艺参数为交联剂质量分数为0.5%,反应 温度为48oC,引发剂浓度为3.7mmol?L罔,此结果与本试验单因素试验的结果接近.本试验所制备的CSM在 人工小肠液中5h后的消化率均高于40%,李静茹等以环氧氯丙烷为交联剂制备的淀粉微球,人工酶液水解8h 后,虽然消化率随时间变化的趋势与本试验相同,但微球消化率仅为l1.72%24.58%翻,造成这样差异的原因可 能是制备微球的交联剂及水解淀粉使用的淀粉酶不同所致.田颖等利用对CSM的水解产物进行微观形貌观察 和红外光谱分析的手段,得出CSM在人工小肠液中可以保持3h内比较稳定,微球粒径减小约50%,3h后水解 速度加快,微球迅速降解llol,本试验中,CSM在人工小肠液中的3h水解率接近5O%,与其结论相同,但3h后微 球的降解速度较慢,表现出了更加良好的抗消化性. 参考文献: 【1]ERIKBJ,EDMANP.Characterizationofdegradablestarchmicrospheresasanasaldeli verysystemfordrugs[Jl_International JournalofPharmaceutics,1990,62:187-192. 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