CN108743560A - 一种磁性纤维素/β-环糊精药物可控释放水凝胶球及其制备方法 - Google Patents

一种磁性纤维素/β-环糊精药物可控释放水凝胶球及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于生物质功能性高分子材料领域，具体涉及一种磁性纤维素/β‑环糊精药物可控释放水凝胶球及其制备方法。其制备包括以下步骤：（1）将纤维素原料加入到纤维素溶解体系中，快速搅拌形成纤维素均一溶液；（2）取一定量的β‑环糊精加入到纤维素均一溶液中，随后加入一定量的环氧氯丙烷交联剂，快速搅拌40 min；随后加入一定量的Fe3O4磁性纳米颗粒，充分搅拌分散30 min后，将混合溶液缓慢滴入凝固液中即可得到球形磁性纤维素/β‑环糊精水凝胶，经洗涤纯化后，得到复合水凝胶球。该法可以通过外部的磁场作用，在体外实现“远距离”控制药物释放，无需和药物载体直接接触，操作方便可控，具有更为广阔的运用前景。

Description

一种磁性纤维素/β-环糊精药物可控释放水凝胶球及其制备 方法
技术领域
本发明属于生物质功能性高分子材料领域，具体涉及一种磁性纤维素/β-环糊精药物可控释放水凝胶球及其制备方法。
背景技术
磁性水凝胶是一类同时具有磁性材料、高分子材料及水凝胶性质特点的无机／有机功能性复合材料。因具有优良的磁学性能及生物相容性，其作为新一代的药物载体可以实现磁响应、磁靶向及磁热疗等功能，在药物控制释放领域具有广阔的应用前景。其中合成水凝胶的高分子包含天然高分子和合成高分子，天然高分子因其来源广、价格低、良好的生物相容性和生物降解性等优点，而受到人们广泛关注。
纤维素是自然界中来源最广泛的一类多糖高分子物质，可通过化学交联或者物理交联形成水凝胶，该水凝胶具有良好的生物相容性和生物可降解特性。纤维素大分子表面含有大量的羟基（图1中a），可通过氢键作用力自组装形成具有一定柔韧性的三维网络结构的水凝胶基体材料，同时可以通过羟基对纤维素进行改性或接枝反应，使其达到纤维素的功能化的效果。环糊精( cyclodextrin，CD) 是由D-吡喃葡萄糖单元通过α-1，4-糖苷键首尾相连形成的具有截锥状结构的大环化合物，锥体外壁具有亲水性，锥体内壁具有疏水性，其超分子结构如图1中b所示。具有实际使用价值的环糊精分为α-、β-、γ-环糊精，其中β-环糊精最为常用，由于β-环糊精具有大环超分子结构，可自组装、易于功能化，其天然的空腔结构可以和药物分子通过主-客体作用形成络合物，是良好的药物载体材料，同时环糊精天然无毒且价格低廉，已被广泛应用于构筑智能药物载体。但β-CD不易溶于水，且不具有温敏性、磁性和pH敏感性，同时粉末状的环糊精在实际运用过程中也需要解决其成型或固定问题，因此对β-环糊精进行改性已成为不可避免的趋势。将环糊精添加到纤维素溶解体系中，通过化学交联，可使其接枝到纤维素大分子骨架上，使纤维素水凝胶的药物负载能力大大提升。以此同时，将纳米Fe3O4磁性纳米颗粒分散到纤维素溶液中，通过再生液形成水凝胶球时，其磁性纳米颗粒可均匀分散在纤维素骨架上，从而赋予纤维素水凝胶磁响应性。该磁响应纳米复合水凝胶在药物智能控制释放材料和生物医用领域具有一定的潜在应用价值。
当前纤维素/β-环糊精水凝胶在药物缓释方面的研究主要是通过控制β-环糊精在水凝胶中的含量以及通过调节药物释放环境溶液的pH值、温度等因素来达到药物缓释的目的，具有一定的局限性，且未见通过磁响应性来调节药物的释放量和释放速率的纤维素/β-环糊精水凝胶的报道。此外，当前对磁性水凝胶药物释放的研究主要集中在将Fe3O4磁性颗粒的磁响应特性作为一种靶向驱动力，将药物负载到含有Fe3O4磁性颗粒的高分子微球上，再通过外界磁场的引导，达到特定位置后实现药物的释放，以达到特定部位的药物靶向释放的目的。对磁性水凝胶在外界磁场的“开-关”状态下的药物智能控制释放的研究鲜有报道。
本发明利用无毒无害，具有良好生物相容性同时具备较多活性羟基的天然多糖高聚物来制备功能性水凝胶，以此改善传统高分子水凝胶生物不相容的缺点。将Fe3O4磁性纳米颗粒和β-环糊精添加到纤维素溶解体系中，通过环氧氯丙烷交联以及凝固液的再生过程形成具有三维多孔网络结构的磁性水凝胶球，由此制备得到生物质基磁响应纤维素/β-环糊精水凝胶球。该水凝胶球以纤维素为基本骨架，通过化学交联将β-环糊精接枝到纤维素大分子骨架上，使纤维素水凝胶的药物负载能力大大提升。同时，将纳米Fe3O4磁性纳米颗粒分散到纤维素溶液中，通过凝固液形成水凝胶球时，其磁性纳米颗粒可均匀分散在纤维素骨架上，从而赋予纤维素水凝胶磁响应性。利用纤维素水凝胶形成的多孔结构以及β-环糊精的大环空腔结构作为装载药物的“容器”，而分散在纤维素骨架上的磁性纳米颗粒在外界磁场的“开-关”作用下，使纤维素水凝胶的多孔结构呈现出相对应的“开孔-闭孔”状态，从而达到药物智能控释的效果。与常规通过温度和溶液pH变化来达到药物缓释效果的水凝胶相比，该法可以通过外部的磁场作用，在体外实现“远距离”控制药物释放，无需和药物载体直接接触，操作方便可控，具有更为广阔的运用前景。同时此法不仅高效简便，而且无需有毒化学交联剂，易于实现规模化生产，可更好的运用于生物医药和药物智能释放材料领域。
发明内容
本发明的目的在于针对现有水凝胶需通过温度和溶液pH变化来达到药物缓释效果的缺点，提供一种磁性纤维素/β-环糊精药物可控释放水凝胶球及其制备方法。本发明制备的水凝胶球通过外部的磁场作用，在体外可实现“远距离”控制药物释放，无需和药物载体直接接触。
为实现本发明的目的，采用如下技术方案：
一种磁性纤维素/β-环糊精药物可控释放水凝胶球的制备方法，包括以下步骤：
（1）将纤维素原料加入到纤维素溶解体系中，快速搅拌形成纤维素均一溶液；
（2）取一定量的β-环糊精加入到纤维素均一溶液中，随后加入一定量的环氧氯丙烷交联剂，快速搅拌40 min；随后加入一定量的Fe3O4磁性纳米颗粒，充分搅拌分散30 min后，将混合溶液缓慢滴入凝固液中即可得到球形磁性纤维素/β-环糊精水凝胶，经洗涤纯化后，得到复合水凝胶球（如图2所示）。
步骤（1）中所述的纤维素原料包括棉短绒、草浆、微晶纤维素、纸浆、棉花纤维中的一种或几种。
步骤（1）中所述的纤维素溶解体系为氢氧化锂-尿素-水、氢氧化钠-尿素-水、氢氧化锂-硫脲-水、氢氧化钠-硫脲-水体系中的一种，其中碱-脲-水的质量比为4:6:90~7:13:80。
步骤（1）所制备的纤维素均一溶液中，纤维素的浓度为2-8wt%。
步骤（2）中β-环糊精的添加量为纤维素的200-600wt%，环氧氯丙烷的添加量为纤维素的100-200wt%，Fe3O4磁性纳米颗粒的添加量为纤维素的10-50wt%。
步骤（2）所述的凝固液包括50wt%乙醇水溶液、50wt%甲醇水溶液、3-10wt%氯化钾水溶液、3-10wt%氯化钙水溶液中的一种。
一种如上所述的制备方法制得的磁性纤维素/β-环糊精药物可控释放水凝胶球。
一种如上所述的磁性纤维素/β-环糊精药物可控释放水凝胶球在药物负载中的应用。
具体的药物负载过程，以5-氟尿嘧啶这种药物负载为例，包括以下步骤：
（1）将本发明制备的水凝胶球置于一定浓度的5-氟尿嘧啶水溶液中，振荡48h后完成药物负载；5-氟尿嘧啶药物负载液浓度为0.05-1.5mg/ml；
5-氟尿嘧啶药物负载在室温下完成；（2）将负载5-氟尿嘧啶后的水凝胶球置于pH为7.4的PBS溶液中，在人体温度（37℃）下，施加一定磁场强度（400Oe）的周期性“开-关”恒定磁场，用紫外分光光度计测定在预设时间间隔下的药物释放量。
水凝胶球对5-氟尿嘧啶的包封率在10wt%-40wt%之间；该水凝胶具有明显的磁响应性(图3a)和磁性药物可控释放效果(图3b)。
本发明与现有技术比较具有以下优点：
1）本发明利用无毒无害，具有良好生物相容性的天然多糖高聚物——纤维素来制备功能性水凝胶，以此改善传统高分子水凝胶生物不相容的缺点；将Fe3O4磁性纳米颗粒和β-环糊精添加到纤维素溶解体系中，通过环氧氯丙烷交联以及凝固液的再生过程形成具有三维网络结构的磁性水凝胶球，由此制备得到生物质基磁响应纤维素/β-环糊精水凝胶球；
2）本发明利用纤维素水凝胶形成的多孔结构以及β-环糊精的大环空腔结构作为装载药物的“容器”，而分散在纤维素骨架上的磁性纳米颗粒在外界磁场的“开-关”作用下，使纤维素水凝胶的多孔结构呈现出相对应的“开孔-闭孔”状态，从而达到药物智能控释的效果；与常规通过温度和溶液pH变化来达到药物缓释效果的水凝胶相比，该法可以通过外部的磁场作用，在体外实现“远距离”控制药物释放，无需和药物载体直接接触，操作方便可控，具有更为广阔的运用前景；
3）本发明的制备方法不仅高效简便，而且无需使用有毒化学交联剂，易于实现规模化生产，可更好的运用于生物医药和药物智能释放材料领域。
附图说明
图1为纤维素和β-环糊精的化学结构式图；
图2为磁性纤维素/β-环糊精水凝胶球照片；
图3中（a）为磁性纤维素/β-环糊精水凝胶球磁响应性；（b）为磁场“开-关”状态下的药物释放情况。
具体实施方式
为进一步公开而不是限制本发明，以下结合实例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
一种磁性纤维素/β-环糊精药物可控释放水凝胶球的制备方法，具体步骤为：
（1）将2.0棉短绒纤维原料加入到98g氢氧化锂-尿素-水纤维素溶解体系中，快速搅拌形成纤维素均一溶液；
（2）取2.0g的β-环糊精加入到纤维素均一溶液中，随后加入2ml的环氧氯丙烷交联剂，快速搅拌40 min，使其充分反应使β-环糊精接枝到纤维素大分子骨架上；随后加入0.5g的Fe3O4磁性纳米颗粒，充分搅拌分散30 min后，将混合溶液缓慢滴入乙醇水溶液（50wt%）即可得到球形磁性纤维素/β-环糊精水凝胶，经洗涤纯化后，得到成品。
实施例2
一种磁性纤维素/β-环糊精药物可控释放水凝胶球的制备方法，具体步骤为：
（1）将3.0微晶纤维素纤维原料加入到97g氢氧化钠-尿素-水纤维素溶解体系中，快速搅拌形成纤维素均一溶液；
（2）取3.0g的β-环糊精加入到纤维素均一溶液中，随后加入3ml的环氧氯丙烷交联剂，快速搅拌40 min，使其充分反应使β-环糊精接枝到纤维素大分子骨架上。随后加入1.5g的Fe3O4磁性纳米颗粒，充分搅拌分散30 min后，将混合溶液缓慢滴入甲醇水溶液（50wt%）即可得到球形磁性纤维素/β-环糊精水凝胶，经洗涤纯化后，得到成品。
实施例3
一种磁性纤维素/β-环糊精药物可控释放水凝胶球的制备方法，具体步骤为：
（1）将4.0纸浆纤维原料加入到96g氢氧化钠-尿素-水纤维素溶解体系中，快速搅拌形成纤维素均一溶液；
（2）取4.0g的β-环糊精加入到纤维素均一溶液中，随后加入4ml的环氧氯丙烷交联剂，快速搅拌40 min，使其充分反应使β-环糊精接枝到纤维素大分子骨架上。随后加入0.5g的Fe3O4磁性纳米颗粒，充分搅拌分散30 min后，将混合溶液缓慢滴入10%氯化钾水溶液即可得到球形磁性纤维素/β-环糊精水凝胶，经洗涤纯化后，得到成品。
实际应用：
（1）将复合水凝胶球置于1mg/ml 5-氟尿嘧啶水溶液中，振荡48h后完成药物负载；
（2）负载药物后的水凝胶球置于pH为7.4的PBS溶液中，在人体温度（37℃）下，施加一定磁场强度（400Oe）的周期性“开-关”恒定磁场，用紫外分光光度计测定在预设时间间隔下的药物释放，如图3b的CD-CB-M0.5所示。
实施例4
一种磁性纤维素/β-环糊精药物可控释放水凝胶球的制备方法，具体步骤为：
（1）将3.0棉花纤维原料加入到97g氢氧化锂-硫脲-水纤维素溶解体系中，快速搅拌形成纤维素均一溶液；
（2）取4.0g的β-环糊精加入到纤维素均一溶液中，随后加入5ml的环氧氯丙烷交联剂，快速搅拌40 min，使其充分反应使β-环糊精接枝到纤维素大分子骨架上。随后加入1.0g的Fe3O4磁性纳米颗粒，充分搅拌分散30 min后，将混合溶液缓慢滴入8%氯化钙水溶液即可得到球形磁性纤维素/β-环糊精水凝胶，经洗涤纯化后，得到成品。
实际应用：
（1）将复合水凝胶球置于1mg/ml 5-氟尿嘧啶水溶液中，振荡48h后完成药物负载；
（2）负载药物后的水凝胶球置于pH为7.4的PBS溶液中，在人体温度（37℃）下，施加一定磁场强度（400Oe）的周期性“开-关”恒定磁场，用紫外分光光度计测定在预设时间间隔下的药物释放，如图3b的CD-CB-M1.0所示。
实施例5
一种磁性纤维素/β-环糊精药物可控释放水凝胶球的制备方法，具体步骤为：
（1）将2.0草浆纤维原料加入到96g氢氧化锂-硫脲-水纤维素溶解体系中，快速搅拌形成纤维素均一溶液；
（2）取4.0g的β-环糊精加入到纤维素均一溶液中，随后加入5ml的环氧氯丙烷交联剂，快速搅拌40 min，使其充分反应使β-环糊精接枝到纤维素大分子骨架上。随后加入1.5g的Fe3O4磁性纳米颗粒，充分搅拌分散30 min后，将混合溶液缓慢滴入5%氯化钙水溶液即可得到球形磁性纤维素/β-环糊精水凝胶，经洗涤纯化后，得到成品。
实际应用：
（1）将复合水凝胶球置于1mg/ml 5-氟尿嘧啶水溶液中，振荡48h后完成药物负载；
（2）负载药物后的水凝胶球置于pH为7.4的PBS溶液中，在人体温度（37℃）下，施加一定磁场强度（400Oe）的周期性“开-关”恒定磁场，用紫外分光光度计测定在预设时间间隔下的药物释放，如图3b的CD-CB-M1.5所示。
图3说明：（a）水凝胶球在外部磁场的作用下可由瓶底克服样品的重力和水的阻力漂浮到水面，并且可固定悬浮在瓶底上，同时在相隔一段距离施加磁场时也可使其漂浮在瓶壁上，说明其具有良好的磁响应性；
（b）水凝胶负载药物模型（5-氟尿嘧啶）后在核磁共振仪的磁场（400Oe）“开-关”状态下的药物释放情况，图中CD-CG-M0，，CD-CG-M0.5，CD-CG-M1.0 CD-CG-M1.5表示为磁性纤维素/β-环糊精水凝胶球中磁性Fe3O4纳米颗粒含量分别为0%，0.5%，1.0%，1.5%时的样品。由图可见，当磁场处于“开”时药物释放减缓，当关闭磁场时，药物释放量和释放速率显著加快。其控制机理如下：当外界施加磁场时，由于附着在纤维素骨架上的磁性纳米颗粒相互吸引，使水凝胶的孔隙变小，药物分子被封闭在孔隙中，因此释放量明显下降。由于Fe3O4磁性纳米颗粒的超顺磁性，当外界磁场关闭时，由外界磁场引起的磁性颗粒之间的相互作用力消失，使的水凝胶的孔隙重新打开，药物释放量迅速增大。而对于无磁性的样品CD-CG-M0而言，磁场的开关对其药物释放量和释放速率并无影响，表明仅有β-环糊精接枝的纤维素水凝胶球对药物释放量无法实现可控调节。此外，对药物释放量调控的灵敏度随磁性Fe3O4纳米颗粒含量的增加而增大，因此，可以根据实际使用过程的需求，通过控制Fe3O4磁性纳米颗粒的含量对水凝胶进行的药物释行为进行可控设计。由此可见，该法可以通过外部的磁场“开-关”作用，使纤维素水凝胶的多孔结构呈现出相对应的“开孔-闭孔”状态，可在体外实现“远距离”控制药物释放，无需和药物载体直接接触，操作方便可控，具有更为广阔的运用前景。因此该水凝胶球在生物医药和药物智能释放材料领域具有较大的运用潜力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种磁性纤维素/β-环糊精药物可控释放水凝胶球的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将纤维素原料加入到纤维素溶解体系中，快速搅拌形成纤维素均一溶液；
（2）取一定量的β-环糊精加入到纤维素均一溶液中，随后加入一定量的环氧氯丙烷交联剂，快速搅拌40 min；随后加入一定量的Fe3O4磁性纳米颗粒，充分搅拌分散30 min后，将混合溶液缓慢滴入凝固液中即可得到球形磁性纤维素/β-环糊精水凝胶，经洗涤纯化后，得到复合水凝胶球。
2.根据权利要求1所述的磁性纤维素/β-环糊精药物可控释放水凝胶球的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述的纤维素原料包括棉短绒、草浆、微晶纤维素、纸浆、棉花纤维中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的磁性纤维素/β-环糊精药物可控释放水凝胶球的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述的纤维素溶解体系为氢氧化锂-尿素-水、氢氧化钠-尿素-水、氢氧化锂-硫脲-水、氢氧化钠-硫脲-水体系中的一种，其中碱-脲-水的质量比为4:6:90~7:13:80。
4.根据权利要求1所述的磁性纤维素/β-环糊精药物可控释放水凝胶球的制备方法，其特征在于：步骤（1）所制备的纤维素均一溶液中，纤维素的浓度为2-8wt%。
5.根据权利要求1所述的磁性纤维素/β-环糊精药物可控释放水凝胶球的制备方法，其特征在于：步骤（2）中β-环糊精的添加量为纤维素的200-600wt%，环氧氯丙烷的添加量为纤维素的100-200wt%，Fe3O4磁性纳米颗粒的添加量为纤维素的10-50wt%。
6.根据权利要求1所述的磁性纤维素/β-环糊精药物可控释放水凝胶球的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的凝固液包括50wt%乙醇水溶液、50wt%甲醇水溶液、3-10wt%氯化钾水溶液、3-10wt%氯化钙水溶液中的一种。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的制备方法制得的磁性纤维素/β-环糊精药物可控释放水凝胶球。
8.一种如权利要求7所述的磁性纤维素/β-环糊精药物可控释放水凝胶球在药物负载中的应用。
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