CN106039318A

CN106039318A - 大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶的制备及作为药物载体的应用

Info

Publication number: CN106039318A
Application number: CN201610378420.2A
Authority: CN
Inventors: 何玉凤; 闫桂芳; 王荣民; 徐知丽; 孙康琪
Original assignee: Northwest Normal University
Current assignee: Northwest Normal University
Priority date: 2016-05-31
Filing date: 2016-05-31
Publication date: 2016-10-26

Abstract

本发明提供了一种大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶，其以阴离子型天然高分子大豆蛋白与阳离子型天然高分子壳聚糖为原料，采用共沉淀法，在交联剂六偏磷酸钠的作用下，制备的大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶。该球状水凝胶具有明显的pH响应性、离子强度响应性及生物降解性能，且具有很好的溶胀性。药物负载和释放实验表明，该水凝胶对小分子药物的缓释性能较好，累积释放率也较高，因此在口服肠溶性小分子药物载体领域有明显的应用前景。

Description

大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶的制备及作为药物载体的应用

技术领域

本发明涉及一种天然高分子壳聚糖复合水凝胶的制备，尤其涉及一种具有多层网状结构的大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶的制备；本发明同时还涉及该大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶作为口服肠溶性小分子药物载体的应用，属于复合材料领域及生物医用材料技术领域。

背景技术

在医用高分子载体材料中，新型药物载体材料占据非常重要的地位，受到了生物学、医学、高分子材料专业的广泛关注。在药物或生物活性物质的使用过程中，选择合适的载体材料将大幅度提高药物的有效性。然而，不同的药物载体材料具有不一样的药物释放性能，理想的药物载体应具有好的生物相容性、生物降解性、理化及生物稳定性和极低的细胞毒性，且不引起任何的组织刺激和反应，无毒、无致畸致癌作用。同时，载体材料必须与药物具有良好的生物相容性、稳定性，且不会发生任何的化学反应，也不会影响药物的药用机理，应具有很好的药物缓释性能。综合考虑并选择载体材料和药物是研究和开发新型药物控释系统的关键。

凝胶是柔软而具有一定强度，在溶剂中不溶解、加热不熔化轻度化学交联的聚合物。水凝胶是能在水中溶胀但又不溶于水的一类亲水性高分子网络，其中智能水凝胶（或环境敏感性水凝胶）的含水量或性能随环境（如pH值、温度、电、光等）的微小变化而发生突变。生物可降解性水凝胶因其具有良好的生物相容性、较低的免疫原性和其在完全溶胀时具有与活体组织一样的物理特性等优点，使其成为一类非常具有吸引力的药物载体材料。

蛋白质是以氨基酸为结构单元的生物大分子，是人类食品的主要营养成分，随着对其结构认识的深入与纳米技术等的出现，蛋白质因其特殊的结构与性质而用于制备药物载体材料。蛋白质载体具有诸多优点，如：三维网状结构对活性分子的可逆粘合提供多种可能性、可在人体内进行代谢、易于制备与工业化。大豆蛋白是在低温条件下，除去豆粕中的大豆油及水溶性非蛋白，通过各种氨基酸的肽键相连，得到的一种水溶性植物蛋白。大豆蛋白作为一类高分子材料，不仅来源丰富、价格低廉、营养价值高，且具有可降解、生物相容、热稳定、无污染、绿色环保等优良性能，可被广泛应用。因而具有很好的经济效益、应用价值与发展前景。由于其含有许多活性基团，如-NH₂、-COOH、-OH和-SH等，许多物质均可与之发生反应。大豆蛋白的等电点是4.5，当溶液的pH<4.5时，大豆蛋白带正电性；当溶液的pH>4.5时，大豆蛋白带负电性。大豆蛋白因具有良好的乳化性、起泡性、凝胶性、组织性等特性，而被广泛应用于食品、医学、水处理、塑料、包装和化妆品等领域。然而，纯大豆蛋白很难形成凝胶，因此在药物载体领域的应用受到了限制。

壳聚糖是一种天然的聚阳离子类多糖，是甲壳素通过脱乙酰化的产物，化学名称为聚(1,4)-2-氨基2-脱氧-β-D-葡聚糖。壳聚糖因具有良好的pH敏感性、生物可降解性、抗菌性和生物相容性等特性，被广泛应用于生物医学、食品、药物载体等领域。然而，壳聚糖凝胶作为口服药物载体，其溶胀率和对药物的负载率较低。因此将大豆蛋白与壳聚糖结合可以改善凝胶的性质。

研究表明，壳聚糖分子链上含有大量的伯氨基，在酸性条件下，伯氨基发生质子化而带正电成为聚阳离子，很容易在静电作用下与聚阴离子聚合。因此，以阴离子型天然高分子大豆蛋白与阳离子型天然高分子壳聚糖为原料，交联聚合制备的复合材料应当具有良好的pH敏感性、生物可降解性、抗菌性和生物相容性，以期在口服肠溶性小分子药物载体领域有明显的应用前景。

发明内容

本发明目的是提供一种大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶的制备方法；

本发明另一目的是提供大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶作为口服肠溶性小分子药物载体应用在药物控制释放中。

一、大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶的制备

一种大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶的制备方法，是将大豆蛋白按固液比1:20~1:100g/mL分散于浓度为0.01~6 mol·L^-1的分散剂中，得到大豆蛋白分散液；将壳聚糖按固液比1:10~1:50g/mL溶解于稀酸溶液中得到酸性壳聚糖溶液；二者混合均匀后滴加到碱性溶液中，静置10~60min，分离出成型的球状水凝胶，用蒸馏水洗涤至中性；然后将球状水凝胶浸泡在质量浓度为0.1~20%的六偏磷酸钠溶液中2~10h，并控制温度在5~50℃，pH=2~10；最后用二次蒸馏水洗涤至中性，冷冻干燥，得到大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶。

上述大豆蛋白与壳聚糖的质量比为1:1.5~1:10；所述稀酸溶液为质量浓度0.5~5%的醋酸溶液。

所述碱性溶液为氢氧化钠溶液和乙醇的混合液，氢氧化钠溶液的质量浓度为20~50%。

二、大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶的结构表征

1、宏观形貌

图1为本发明制备的大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶的宏观形貌。从图1可以看出，大豆蛋白复合壳聚糖水凝胶为球状固体材料，粒径在2~3mm。

2、红外图谱

图2为本发明制备的大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶的红外吸收光谱图。图2中，在3423cm^-1、1647cm^-1、1539cm^-1和1089cm^-1处出现了-NH₂、酰胺Ⅰ、酰胺Ⅱ和酰胺Ⅲ带的特征吸收峰，1070 cm^-1，1255 cm^-1分别为六偏磷酸钠的特征吸收峰，表明成功制得了大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶。

3、热重分析

图3为本发明制备的大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶的热重曲线。图3的结果显示，从25℃~100℃之间的失重，脱除了材料中的自由水以及结合水；100~250℃之间的失重，主要是原料中共价键断裂，使材料分解；在250℃以后的失重，主要原因是材料降解，但是六偏磷酸钠几乎未分解，导致到800℃时，仍然有57%的残余。

4、扫描电镜

图4为本发明制备的大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶的扫描电镜图。通过扫描电镜可看出，大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶呈现多层网状结构，且网状疏松、粒径均一。说明大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶可很好的将药物负载在网状结构中，具有良好的载药性能。

三、大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶的性能测试

1、溶胀行为

图5为大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶在二次蒸馏水、生理盐水（0.9%）和葡萄糖溶液（5%）中的溶胀率测试结果。可以观察到，水凝胶在二次蒸馏水中的溶胀度最大，在生理盐水的溶胀度最小，其主要原因可能是生理盐水中的Na⁺具有屏蔽效应，降低了水凝胶网络与外部溶液之间的渗透压。相比壳聚糖球状水凝胶，大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶在三种模拟生物液中的溶胀度明显提高，这主要是大豆蛋白二级结构溶胀与壳聚糖溶胀的协同作用。

2、pH响应性

pH值不同时，大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶的溶胀率有很大差异，结果如图6。从图中可以观察到，在pH较低，酸性较强时，水凝胶的溶胀率较低；当pH逐渐升高时，其溶胀率有所提高；当pH=7.4时，溶胀率达到最大值；pH继续升高时，溶胀率开始下降。这主要是因为大豆蛋白和壳聚糖中含有-COOH、-OH和-NH₂等极性基团，这些基团之间形成氢键的能力很强，导致大豆蛋白间的疏水作用增强，从而溶胀率较低；当pH逐渐升高时，大豆蛋白中含有的-COOH较多，羧基逐渐离子化，产生静电排斥，导致凝胶溶胀率增强；pH>7.4以后，凝胶逐渐脱水收缩，溶胀率逐渐降低。因此，大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶具有明显的pH响应型。

3、盐敏感性

大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶在不同NaCl浓度中的溶胀性能如图7所示。从图7中可以观察到，水凝胶的溶胀率随着NaCl浓度的增大而逐渐减小。这是因为在溶胀过程中引入了阳离子，导致凝胶中阴离子之间的排斥力减弱，凝胶内部和凝胶外部的渗透压降低，导致溶胀率降低。另外，NaCl溶液破坏了分子链周围有序的结构，使溶液的极性增强，溶胀度降低。因此，大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶具有离子强度敏感性。

4、降解行为

将大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶分别置于37℃的pH=7.4的模拟肠液和pH=1.2的模拟胃液中进行降解。如图8所示，第十天时，大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶在pH=7.4的模拟肠液中开始降解；第十八天时，大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶在pH=1.2的模拟胃液中开始降解。

5、药物释放

以大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶为药物载体，选用小分子药物（5-FU），考察其体外药物释放性能。在37℃，模拟肠液和胃液（肠液pH=7.4，胃液pH=1.2）条件下，分别测试了水凝胶在体外的药物释放性能。负载5-FU的水凝胶分别在pH=1.2和pH=7.4中释放的累积释放曲线如图8所示。从图中可观察到，在pH=1.2时，起初，药物从水凝胶内部释放的速率较快，当时间逐渐延长时，释放速率也逐渐降低，12h内累积释放率达到19.6%左右，36h累积释放率达到29.0%，到84h，释放基本达到平衡，累积释放率为33.7%。在pH=7.4时，12h累计释放量已达到40.1%，在12h-48h释放速率缓慢，累积释放率达到59.4%，84h，累积释放率为63.7%。

综上所述，本发明以阴离子型天然高分子大豆蛋白与阳离子型天然高分子壳聚糖为原料，采用共沉淀法，在交联剂六偏磷酸钠作用下，制备的大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶，具有明显的pH响应性，离子强度响应性以及生物降解性能，对于小分子药物具有很好的溶胀性。药物负载和释放实验表明，该水凝胶对小分子药物的缓释性能较好，累积释放率也较高，因此在口服肠溶性小分子药物载体领域有明显的应用前景。

附图说明

图1为大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶的宏观形貌。

图2为大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶的红外吸收光谱图。

图3为大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶的热重曲线。

图4为大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶的扫描电镜图。

图5为大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶在不同模拟液中的溶胀率。

图6为大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶在不同pH值下的溶胀率。

图7为大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶在不同浓度的NaCl溶液中的溶胀率。

图8为大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶对药物（5-FU）的体外释放性能。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶的制备和药物释放性能作进一步说明。

实施例1

5、将0.1g大豆蛋白分散于10 mL浓度为0.05 mol·L^-1的尿素溶液中，搅拌0.5 h，得到大豆蛋白分散液；将1g壳聚糖用20mL稀酸溶液（0.5%的醋酸）搅拌溶解0.5h，得到酸性壳聚糖溶液。用注射器吸取2mL大豆蛋白分散液，3mL壳聚糖溶液，将两者置于烧杯中混合均匀，使用1^#注射针头，将混合液以1d/s的速度滴入到20mL氢氧化钠和乙醇的混合液（其中氢氧化钠的质量浓度为20%）中，静置10min，分离出成型的球状水凝胶，用二次蒸馏水洗涤至中性，除去水溶液，将球状水凝胶浸泡在浓度为质量浓度0.5%的六偏磷酸钠溶液中2h，并温度控制在10℃，pH=2；最后用二次蒸馏水洗涤至中性，冷冻干燥，得到成型的大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶。该水凝胶在二次蒸馏水、生理盐水（0.9%）和葡萄糖溶液（5%）中的溶胀率分别为52%、65%、71%。药物释放性能见图8。

实施例2

将1g大豆蛋白分散于20 mL浓度为4 mol·L^-1的NaOH溶液中，搅拌1 h，得到大豆蛋白分散液；将3g壳聚糖用50 mL稀酸溶液（1.0%的醋酸），搅拌溶解1.5h，得到酸性壳聚糖溶液。用注射器吸取10mL大豆蛋白分散液，12mL壳聚糖溶液，将两者置于烧杯中混合均匀，使用2^#注射针头将混合液以3d/s的速度滴入到10mL氢氧化钠和乙醇的混合液（其中氢氧化钠的质量浓度为40%）中，静置15min，分离出成型的球状水凝胶，用二次蒸馏水洗涤至中性，除去水溶液，然后将球状水凝胶浸泡在浓度为3%的六偏磷酸钠溶液中4h，并温度控制在30℃，pH=8；最后用二次蒸馏水洗涤至中性，冷冻干燥，得到成型的大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶。该水凝胶在二次蒸馏水、生理盐水（0.9%）和葡萄糖溶液（5%）中的溶胀率分别为45%、75%、80%。药物释放性能见图8。

实施例3

将2g大豆蛋白分散于60 mL浓度为2 mol·L^-1的尿素溶液中，搅拌1.5 h，得到大豆蛋白分散液；将6g壳聚糖用150mL稀酸溶液（1.5%的醋酸），搅拌溶解2h，得到酸性壳聚糖溶液。用注射器吸取20mL大豆蛋白分散液，22mL壳聚糖溶液，将两者置于烧杯中混合均匀，使用5^#注射针头将混合液以6d/s的速度滴入到20mL氢氧化钠和乙醇的混合液（其中氢氧化钠的质量浓度为30%）中，静置20min，分离出成型的球状水凝胶，用二次蒸馏水洗涤至中性，除去水溶液；然后将球状水凝胶浸泡在浓度为2.5%的六偏磷酸钠溶液中2h，并温度控制在40℃，pH=10；最后用二次蒸馏水洗涤至中性，冷冻干燥，得到成型的大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶。该水凝胶在二次蒸馏水、生理盐水（0.9%）和葡萄糖溶液（5%）中的溶胀率分别为76%、68%、86%。药物释放性能见图8。

实施例4

将3g大豆蛋白分散于75 mL浓度为5 mol·L^-1的NaOH溶液中，搅拌0.8 h，得到大豆蛋白分散液；将2g壳聚糖用25mL稀酸溶液（3.0%的醋酸）搅拌溶解0.5h，得到酸性壳聚糖溶液。用注射器吸取30mL大豆蛋白分散液，20mL壳聚糖溶液，将两者置于烧杯中混合均匀，使用9^#注射针头将混合液以8d/s的速度滴入到20mL氢氧化钠和乙醇的混合液（其中氢氧化钠的质量浓度为50%）中，静置30min，分离出成型的球状水凝胶，用二次蒸馏水洗涤至中性，除去水溶液，然后将球状水凝胶浸泡在浓度为2%的六偏磷酸钠溶液中2.5h，并温度控制在45℃，pH=7；最后用二次蒸馏水洗涤至中性，冷冻干燥，得到成型的大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶。该水凝胶在二次蒸馏水、生理盐水（0.9%）和葡萄糖溶液（5%）中的溶胀率分别为60%、55%、75%。药物释放性能见图8。

实施例5

将0.4 g大豆蛋白分散于10 mL浓度为1 mol·L^-1的尿素溶液中，搅拌1 h，得到大豆蛋白分散液；将3.5g壳聚糖用100mL稀酸溶液（3.5%的醋酸）搅拌溶解0.8h，得到酸性壳聚糖溶液。用注射器吸取5mL大豆蛋白分散液，4mL壳聚糖溶液，将两者置于烧杯中混合均匀，使用8^#注射针头将混合液以4d/s的速度滴入到10mL氢氧化钠和乙醇的混合液（其中氢氧化钠的质量浓度为40%）中，静置15min，分离出成型的球状水凝胶，用二次蒸馏水洗涤至中性，除去水溶液；然后将球状水凝胶浸泡在浓度为1%的六偏磷酸钠溶液中3h，并温度控制在20℃，pH=4；最后用二次蒸馏水洗涤至中性，冷冻干燥，得到成型的大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶。该水凝胶在二次蒸馏水、生理盐水（0.9%）和葡萄糖溶液（5%）中的溶胀率分别为73%、62%、89%。药物释放性能见图8。

Claims

1.一种大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶的制备方法，是将大豆蛋白按固液比1:20~1:100g/mL分散于分散剂中，得到大豆蛋白分散液；将壳聚糖按固液比1:10~1:50g/mL溶解于稀酸溶液中得到酸性壳聚糖溶液；二者混合均匀后滴加到碱性溶液中，静置10～60min，分离出成型的球状水凝胶，用蒸馏水洗涤至中性；然后将球状水凝胶浸泡在六偏磷酸钠溶液中2~10h，并控制温度在5~50℃，pH=2~10；最后用二次蒸馏水洗涤至中性，冷冻干燥，得到大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶。

2.如权利要求1所述大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶的制备方法，其特征在于：大豆蛋白与壳聚糖的质量比为1:1.5~1:10。

3.如权利要求1所述大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶的制备方法，其特征在于：所述分散剂为尿素溶液或稀碱溶液；分散剂的浓度为0.01～6 mol·L^-1。

4.如权利要求1所述大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶的制备方法，其特征在于：所述稀酸溶液为质量浓度0.5～5%的醋酸溶液。

5.如权利要求1所述大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶的制备方法，其特征在于：所述碱性溶液为氢氧化钠和乙醇的混合液，其中氢氧化钠的质量浓度为20～50%。

6.如权利要求1所述大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶的制备方法，其特征在于：所述六偏磷酸钠溶液的质量浓度为0.5～4%。

7.如权利要求1所述方法制备的大豆蛋白复合壳聚糖球状水凝胶作为口服肠溶性小分子药物载体的应用。