CN108384031A - 一种缓释水凝胶载体材料的制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于药物缓释载体材料领域，具体公开了一种具有半互穿结构外加聚电解质膜修饰的缓释水凝胶材料的制备方法和应用。本发明的缓释水凝胶材料是以羟丙甲基纤维素HPMC及海藻酸钠SA为原料，首先以Ca2+物理交联的方法制备出HPMC‑SA半互穿复合凝胶，并用低分子量壳聚糖（CS）对HPMC‑SA水凝胶进行聚电解质膜修饰增加水凝胶的稳定性得到了HMPC‑SA‑CS水凝胶。该水凝胶制备条件温和，方法简单，试剂少且无剧烈反应。以牛血清白蛋白（BSA）、小分子难溶性药物吲哚美辛（IDM）为模型药物，考察了该HMPC‑SA‑CS复合水凝胶材料对大分子药物和小分子药物的缓释效果。结果显示此复合凝胶体系持续溶胀长达50h，溶胀度达到52倍左右，增加了蛋白类药物和IDM的缓释效果。

Description

一种缓释水凝胶载体材料的制备方法和应用
技术领域
本发明涉及药物缓释载体材料领域，具体涉及一种缓释的水凝胶载体材料的制备方法和应用。
背景技术
水凝胶是介于液体和固体之间的三维网络或互穿网络，是一种能显著地溶胀于水但在水中并不能溶解的亲水聚合物凝胶，近年来在国内外学术界颇受重视，在药物输送、开关材料等方面有着广泛的应用。由于水凝胶非常有利于药物在水凝胶基质中的分散，并且通过选择不同的物理化学性质的高分子网络，还可以很好的实现药物高度控制释放的目的，使得水凝胶在各种小分子药物，以及各种生物技术制剂，如蛋白质类，多肽和核苷酸类药物控制和缓释领域有着极大的应用前景。
海藻酸钠(sodium alginate，SA)可以在极其温和的条件下快速形成凝胶，当有Ca2+等阳离子存在时，G单元上的Na+与二价阳离子发生离子交换反应，G单元堆积形成交联网络结构，从而形成水凝胶。海藻酸钙凝胶具有pH敏感性，具有防止药物突释、口服无毒等特点，所以常作为药物的载体材料。海藻酸凝胶在低pH下收缩，在胃液中保持原状，里面的包裹药物不能释放出来，在肠液中溶胀，是一种很好的药物载体控释材料，但在高pH环境中凝胶结构不稳定，而且药物突释现象明显。
羟丙基甲基纤维素(HPMC)是一种重要的纤维素衍生物，属非离子型、水溶性聚合物，无嗅，无味，无毒，可用在食品、医药等方面，作为分散悬浮，增稠、乳化、稳定和胶粘作用等，是一种常用的药用辅料。其广泛用于口服骨架控释和缓释制剂，作为释放阻滞材料调节药物的释放。药物从亲水凝胶骨架中的释放与HPMC在骨架中的含量、其理化性质及工艺条件有关,与HPMC在释放环境中的凝胶形成过程、凝胶形态的关系更密切。
壳聚糖(Chitosan)是甲壳素脱乙酰化后得到的一种生物高分子，是迄今发现的唯一的一种碱性多糖。壳聚糖由N-乙酰胺基葡聚糖和N-氨基葡聚糖两种结构单元通过β-1，4糖苷键联接而成，分子中存在大量的伯氨基，带正电荷。壳聚糖是阳离子的聚电解质，可和阴离子的聚电解质(丙烯酸、海藻酸钠、果胶等)通过复凝聚形成凝胶。
当前，开发具有药理活性的蛋白质类药物的传输系统已经受到了极大关注。然而，口服吸收难依然是蛋白质类药物的主要问题。由于蛋白质类药物在胃肠道中容易变性或降解，致使它们在血浆中半衰期很短，这也是蛋白质类药物一般采取注射给药，而不是如同许多小分子药物一样进行口服给药的原因。由于正常生理条件下，胃肠道的pH值范围为酸性(胃pH～1.2)到微碱性(小肠pH～7.4)，因此，开发蛋白质类药物口服给药途径的主要任务是保护它们在到达小肠之前，能够避免在恶劣的胃酸条件下降解。pH敏感性水凝胶是非常具有潜力的蛋白质药物的输送材料。
吲哚美辛(IDM)是一种非甾体抗炎药，临床用于治疗风湿性和类风湿性关节炎。研究还表明，IDM能对结肠癌症患者起到保护作用，并减少患结肠癌的风险。但是IDM对胃肠道的损伤作用明显，长期服用不良反应(ADR)发生率较高，其对胃肠道和中枢神经系统的副作用可达35％-50％，其中枢神经系统症状往往与过高血药浓度有关。且IDM溶解度差，普通制剂如片剂、胶囊剂等生物利用度低。因此，研发IDM新型传输系统改善其溶解性，提高其体内生物利用度，并降低其对胃肠道的刺激，在结肠癌及其他癌症的临床治疗上具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服当前水凝胶药物缓释载体的不足，提供一种半互穿网络外加聚电解质膜修饰的水凝胶的制备方法。本发明制备的复合凝胶体系具有显著的pH敏感性，在模拟胃肠液中的稳定性大大提高，同时药物突释现象降低，缓控释效果增强；同时，该水凝胶制备条件温和，方法简单，试剂少且无剧烈反应，为新型缓控释水凝胶药物输送载体的应用提供了技术支持。
本发明制备了一种HPMC-SA-CS复合水凝胶，以羟丙基甲基纤维素HPMC及海藻酸钠SA为原料，首先以Ca2+物理交联的方法制备出HPMC-SA半互穿复合凝胶，并用低分子量壳聚糖(CS)对HPMC-SA水凝胶进行聚电解质膜修饰增加水凝胶的稳定性得到了HMPC-SA-CS水凝胶。同时以牛血清白蛋白(BSA)、IDM二种药物对水凝胶的释药行为进行研究。用到的三种高分子材料羟丙基甲基纤维素(HPMC)、海藻酸钠(SA)、壳聚糖(CS)中HPMC属于半合成高分子材料、SA属于天然高分子材料、CS是带有阳电荷的天然多糖。
本发明是通过以下技术方案实现的：
1.一种缓释的水凝胶载体材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取一定质量的羟丙基甲基纤维素(HPMC)溶于装有去离子水的圆底烧瓶中，搅拌溶解，配制成HPMC溶液。
(2)称取一定质量的海藻酸钠(SA)溶于装有去离子水的圆底烧瓶中，配制成SA溶液。
(3)将HPMC、SA溶液混合。
(4)将步骤(3)的混合液滴入一定质量浓度的CaCl2溶液中，交联30-60min后，用去离子水清洗水凝胶表面残留的CaCl2，吸干水凝胶表面水分。
(5)将步骤(4)所得水凝胶置于一定浓度的壳聚糖(CS)溶液中，交联30-60min后，用去离子水清洗水凝胶表面残留的CS，最后置于室温下自然风干。
羟丙基甲基纤维素溶液、海藻酸钠溶液、CaCl2溶液、壳聚糖溶液的浓度依次为2wt％、1wt％、2wt％、2wt％，体积比为1：1：20：20。
进一步的，步骤(4)中交联时间为40min。
进一步的，步骤(5)中交联时间为40min。
进一步的，所述壳聚糖为低分子量壳聚糖。
2.一种缓释的载药水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
在上述缓释的水凝胶载体材料的制备方法的步骤(1)中加入药物，其余步骤不变，制得缓释的载药水凝胶。
所述药物溶液为牛血清白蛋白，其与羟丙基甲基纤维素用量的质量比1：1。
所述药物为吲哚美辛，其与羟丙基甲基纤维素用量的质量比1：20。
本发明具有以下优点：
1)本发明制备了一种半互穿网络外加聚电解质膜修饰的HPMC-SA-CS缓释水凝胶载体材料。该复合凝胶材料能在模拟缓冲溶液中长时间保持结构的稳定，并能持续溶胀长达50h，溶胀度达到52倍左右，且对蛋白质模拟药物BSA有及IDM均有良好的缓释效果。
2)该水凝胶制备条件温和，方法简单，试剂少且无剧烈反应。
3)选用的三种原料即SA，HPMC及CS均具有多糖的性质，可以增加物质间的相容性。而且，SA、HPMC和CS均具有良好的化学稳定性，生物降解性，且其水凝胶制备成本较低。
4)HPMC的加入提高了体系中聚合物的浓度，减少了水分的流失，增强了凝胶骨架的强度，从而增加了对药物释放的阻滞效果。低分子量CS由于粘度较低，形成的聚电解质膜的厚度和强度更佳，从而增强了凝胶的稳定性。
附图说明
附图是用来对本发明的进一步理解，与下面的具体实施方式共同用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。附图中：
图1是实施例1所得HPMC-SA-CS复合水凝胶外部形貌图，包括水凝胶新鲜制备图、室温干燥图、冷冻干燥图。
图2是实施例2所得HPMC-SA-CS复合水凝胶扫描电镜图，放大倍数分别为200、100、50。
图3是实施例1所得HPMC-SA-CS复合水凝胶、HPMC-SA、SA-CS、SA的溶胀曲线图，前2h为模拟胃液(SGF)，后为模拟肠液(SIF)。
图4是实施例1所得HPMC-SA-CS复合水凝胶、HPMC-SA、SA-CS、SA的平衡水含率图，前2h为模拟胃液(SGF)，后为模拟肠液(SIF)。
图5是实施例1所得HPMC-SA-CS复合水凝胶的降解率曲线图，测试环境为模拟肠液(SIF)。
图6是实施例2所得HPMC-SA-CS复合水凝胶和HPMC、SA、CS的红外光谱(IR)图。
图7是实施例2所得HPMC-SA-CS复合水凝胶和HPMC、SA、CS的X射线衍射(XRD)图。
图8是实施例2所得HPMC-SA-CS复合水凝胶和HPMC、SA、CS的热重分析(TGA)图。
图9是实施例3所得载药HPMC-SA-CS复合水凝胶的累计释药率曲线图。
图10是实施例3所得载药HPMC-SA-CS复合水凝胶的载药率柱状图。
图11是实施例3所得载药HPMC-SA-CS复合水凝胶的包封率柱状图。
具体实施方式
为了更清楚地阐述本发明，以下申请人将依照本发明技术方案的实施例对本发明作更进一步的详细说明。
在本发明技术方案的具体实施方式中，所采用的主要试剂及材料介绍如下：
羟丙基甲基纤维素hydroxypropyl methylcellulose(HPMC，I型，粘度为4000mPa.s)、海藻酸钠Sodium alginate(SA，Mw:4.2×105)、吲哚美辛Indomethacin(IDM)均采自阿拉丁试剂公司，货号分别为H108820、S100126、L106885，CAS号分别为9004-65-3、9005-38-3、53-86-1。壳聚糖chitosan(CS，MW:1×105，脱乙酰度：95％)采自浙江金壳药业有限公司，批号为M-TK-1703001。
所用水均为去离子水，其他试剂均为常规试剂。
实施例1：一种缓释的水凝胶载体材料的制备方法
称取0.4gHPMC于装有20mL去离子水的圆底烧瓶中，搅拌溶解，配制成2％HPMC溶液。称取0.2g的SA于装有20mL去离子水的圆底烧瓶中，配制成1％SA溶液。将HPMC、SA溶液混合，搅拌均匀后，采用滴制法将混合液滴入400mL 2％CaCl2溶液中，滴加完毕后，交联40min，用去离子水清洗水凝胶表面残留的CaCl2，吸干水凝胶表面水分后，将水凝胶置于400mL 2％CS溶液中，交联40min后，用去离子水清洗水凝胶表面残留的CS，最后置于室温下自然风干，得到室温干燥的HPMC-SA-CS复合水凝胶。
实施例2：一种缓释的水凝胶载体材料的制备方法
称取0.4g HPMC于装有20mL去离子水的圆底烧瓶中，搅拌溶解，配制成2％HPMC溶液。称取0.2g的SA于装有20mL去离子水的圆底烧瓶中，配制成1％SA溶液。将HPMC、SA溶液混合，搅拌均匀后，采用滴制法将混合液滴入400mL 2％CaCl2溶液中，滴加完毕后，交联40min，用去离子水清洗水凝胶表面残留的CaCl2，吸干水凝胶表面水分后，将水凝胶置于400mL 2％CS溶液中，交联40min后，用去离子水清洗水凝胶表面残留的CS，将凝胶置于-80℃的冰箱中预冻12h，然后置于-80℃的冷冻干燥机冻干，得到冷冻干燥的HPMC-SA-CS复合水凝胶。
实施例3：一种缓释的载药HPMC-SA-CS复合水凝胶的制备方法
称取BSA0.4g于装有20mL去离子水的圆底烧瓶中，待完全溶解后，加入0.4gHPMC粉末，配制成HPMC、药物混合溶液。称取0.2gSA于装有20mL去离子水的圆底烧瓶中，搅拌溶解，配制成1％SA溶液。将药物、HPMC、SA溶液混合，搅拌均匀。
称取IDM为0.02g于装有20mL乙醇水溶液(无水乙醇：水的体积比为1:1)的圆底烧瓶中，待完全溶解后，加入0.4gHPMC粉末，配制成HPMC、药物混合溶液。称取0.2g SA于装有20mL去离子水的圆底烧瓶中，搅拌溶解，配制成1％SA溶液。将药物、HPMC、SA溶液混合，搅拌均匀。
采用滴制法，将上述两种混合液分别滴入400mL 2％CaCl2溶液中，交联40min后，用去离子水清洗水凝胶表面残留的CaCl2，吸干水凝胶表面水分后，将水凝胶置于400mL2％CS溶液中，交联40min后，用去离子水清洗水凝胶表面残留的CS，最后置于室温下自然风干，得到室温干燥的载药HPMC-SA-CS复合水凝胶。
测试例1：
用扫描电镜对实施例2制备的冷冻干燥的凝胶样品内部形貌进行观察，用镊子撕去凝胶表面CS层，喷金后，在200、100、50不同放大倍数下用扫描电镜观察凝胶的内部形貌。结果如图2所示，由图2可以看出，凝胶内部为多孔结构。
测试例2：
对实施例1制备的室温干燥的凝胶样品、HPMC-SA、SA-CS、SA进行溶胀度曲线测定。
HPMC-SA是在实施例1的基础上，不加CS溶液制备而得，SA-CS是在实施例1的基础上，不加HPMC溶液制备而得。
分别称取0.08g室温干燥的HPMC-SA-CS复合水凝胶、HPMC-SA、SA-CS、SA，前2h放置于pH＝1.2的模拟胃液(SGF)中，后放于pH＝7.4的模拟肠液(SIF)中。实验结果如图3所示，HPMC-SA-CS复合水凝胶在模拟胃液中的溶胀度较小，有助于避免药物在胃内的释放，但其在模拟肠液中的溶胀度较大，最大溶胀度在52左右，持续溶胀时间长达50h，说明处于模拟人体胃肠液环境的凝胶能将结构打开，易于药物释放。
HPMC的添加，使得水凝胶网络中形成了半互穿的网络体系，SA与HPMC两种凝胶阻滞材料结合可以有效调节药物的释放；CS利用离子凝胶化作用大大增加了凝胶体系的稳定性和溶胀能力；在SA、HPMC与CS三种高分子的协同作用下，所制备的水凝胶的溶胀体积比原始体积增大了50多倍，具有明显的pH敏感性，而且凝胶网络的稳定性可维持长达50小时。
测试例3：
对实施例1制备的室温干燥的凝胶样品、HPMC-SA、SA-CS、SA进行平衡水含率测定。
分别称取0.08g室温干燥的HPMC-SA-CS复合水凝胶、HPMC-SA、SA-CS、SA，前2h放置于pH＝1.2的模拟胃液(SGF)中，后放于pH＝7.4的模拟肠液(SIF)中。
实验结果如图4所示，HPMC-SA-CS复合水凝胶的平衡含水率较大，为98.15％，说明凝胶溶胀后内部结构中含有大量的水，易于药物释放。
测试例4：
对实施例1制备的室温干燥的凝胶样品进行降解率曲线测定。
分别称取0.08gHPMC-SA-CS复合水凝胶置于12支10mL EP管中，每个EP管中加入6mL pH＝7.4的模拟肠液，将EP管放于37℃水浴锅中，每隔一小时取一支EP管，倒出其中液体，冷冻干燥，称量冷冻干燥后的凝胶质量，计算其降解率。
实验结果如图5所示，HPMC-SA-CS复合水凝胶在SIF中放置12h的降解率仅为15％，说明复合凝胶能长时间在模拟肠液中保持结构的稳定。
测试例5：
用红外光谱仪对实施例2制备的冷冻干燥的凝胶样品和HPMC、SA、CS进行分子结构测定。
采用KBr压片的方法对冷冻干燥后的凝胶样品(gels)和HPMC、SA、CS进行红外光谱分析：将冷冻干燥后的凝胶样品置于红外灯下干燥，取少量溴化钾置于研钵中，再以样品：溴化钾＝1：100的质量比加入样品，仔细研磨，将研磨好的样品放入压片装置中，制得透明试样薄片，将此片装于固体样品架上，放入红外光谱仪的样品池中，从4000-400cm-1进行波数扫描，得到红外吸收光谱。
结果如图6所示，由图6可以看出，凝胶与原料试剂的红外谱图并没有明显的差异，说明制备出的凝胶结构没有发生变化。
测试例6：
用X射线衍射仪对实施例2制备的冷冻干燥的凝胶样品和HPMC、SA、CS进行晶体结构测定。扫描速度1°/min，衍射角2Θ范围为4°-50°。
结果如图7所示，由图7可以看出，制备HPMC-SA-CS水凝胶的SA、HPMC、CS均具有晶形结构，但由三种高分子制备出的凝胶无衍射峰，说明凝胶无定型结构。
测试例7：
用热重分析仪对实施例2制备的冷冻干燥的凝胶样品和HPMC、SA、CS进行温度-质量变化关系测定。以10℃/min的升温速率，从40℃升温至500℃，由电脑记录试验数据，通过计算得到TGA曲线。
结果如图8所示，由图8可以看出，SA的最大质量变化率温度为250℃，CS的最大质量变化率温度为200℃，HPMC的最大质量变化率温度为360℃，而凝胶的变化速率较缓慢，直到350℃后质量变化率最大，失重约70％，说明凝胶的热稳定性较好。
测试例8：
对实施例3制备的室温干燥的载药凝胶样品进行累计释药率曲线测定。
分别取0.12g实施例3制备的室温干燥后的载BSA水凝胶或载IDM水凝胶0.12g于锥形瓶中，分别加入50mL模拟胃液(SGF)溶液，在37℃，80rpm的恒温振荡下进行试验，每隔0.5h取样1mL，同时补充1mL SGF溶液，2h后将SGF溶液换为模拟肠液(SIF)，按相同的方法进行取样。样品按考马斯亮蓝法于595nm波长(IDM不需考马斯亮蓝染色，IDM检测波长为320nm)下进行紫外检测。根据标准曲线计算BSA(IDM)含量。
结果如图9所示，由图9可以看出，二种药物最终的释药率都在80％左右，小分子药物的释药速度要明显高于大分子药物。其中BSA在34h后累计释药率为80％，释放缓慢。难溶性药物IDM在SGF释药量较少，12h后趋于平衡，释药率达到80％。结果表明，由SA与HPMC形成的半互穿网络结构外加CS材料的聚电解质膜修饰，使得三种多糖阻滞材料的结合有效地调节两种药物的释放行为。
测试例9：
对实施例3制备的室温干燥的载药凝胶样品进行载药率和包封率计算。
根据以下公式一计算载药率(LE)，根据公式二计算包封率(EE):
LE＝We/Wm×100％ (公式一)
EE＝We/(We+W0)×100％ (公式二)
式中，We为包封于凝胶内的药物质量，Wm为载药凝胶的总质量，W0为未包封药物质量，We+W0即理论载药量。
结果如图10和图11所示，由图中可以看出，大分子药物BSA的载药率和包封率均较大，其中载药率为30.10％，包封率可达66.71％，小分子药物的载药率和包封率均小于大分子药物。

Claims (7)

1.一种缓释的水凝胶载体材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将羟丙基甲基纤维素溶液、海藻酸钠溶液混合；
（2）将步骤（1）所得混合液滴入CaCl2溶液中后，交联30-60min，用去离子水清洗水凝胶表面残留的CaCl2，吸干水凝胶表面水分；
（3）将步骤（2）所得水凝胶置于壳聚糖溶液中，交联30-60min后，用去离子水清洗水凝胶表面残留的壳聚糖，最后置于室温下自然风干。
2.如权利要求1所述缓释的水凝胶载体材料的制备方法，其特征在于，羟丙基甲基纤维素溶液、海藻酸钠溶液、CaCl2溶液、壳聚糖溶液的浓度依次为2wt%、1wt%、2wt%、2wt%，羟丙基甲基纤维素溶液、海藻酸钠溶液、CaCl2溶液、壳聚糖溶液的体积比为1：1：20：20。
3.如权利要求2所述缓释的水凝胶载体材料的制备方法，其特征在于，步骤 (2) 所述交联时间为40min。
4.如权利要求3所述缓释的水凝胶载体材料的制备方法，其特征在于，步骤 (3) 所述交联时间为40min。
5.根据权利要求4所述的一种缓释的载药水凝胶的制备方法，其特征在于：在步骤（1）中加入药物，其余步骤不变，制得缓释的载药水凝胶。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述药物为牛血清白蛋白，牛血清白蛋白与羟丙基甲基纤维素质量比为1：1。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述药物为吲哚美辛，吲哚美辛与羟丙基甲基纤维素的质量比为1：20。
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