【论文介绍】pH敏感水凝胶微球的制备及二甲酸钾缓释和抗菌性能分析

研究背景

    二甲酸钾（KDF）是一种略显负电性的新型绿色抗菌剂，添加到动物饲料中具有降低胃肠道pH值、调节肠道微生物生态平衡、提高饲料营养物质的消化和吸收等功能。但直接饲喂KDF主要在小肠前端发挥作用，利用率不高，不能充分发挥二甲酸钾调节肠道的作用。复合水凝胶为巨大的三维网状聚合物，彼此通过化学或物理交联而结合，它们的水合和多孔结构可以模拟组织固有的特性、结构和微环境，可以设计成具有优选特性的药物递送系统，理想的水凝胶可以根据温度和pH等物理变化选择性释放药物；沸石分子筛（Zeolite P）具有独特的孔结构、较大的比表面积、可调节的酸碱位点等特征。

    为控制KDF的释放，本工作提出了一种使用壳聚糖（CS），羧甲基纤维素（CMC）作为pH敏感聚合物的改进方法。通过凝聚法制备了CS@CMC@Zeolite P@KDF复合水凝胶抗菌微球，用于在生理pH条件下选择性释放药物，为KDF的有效利用提供了一种可行的模型。

结果展示

    图1为随pH变化Zeolite P的Zeta电位图，曲线与0电位的交点为5.37，当pH值在3.0~5.37之间，Zeolite P表面呈正电位，同时由于其较高的比表面积，为吸附KDF提供了条件。孟祥俭等利用XPS表征沸石分子筛与KDF的结合关系，结果表明Al2p周围化学环境发生了变化，周围电子云密度降低，应该是KDF与分子筛形成了氢键；同时分子筛中的钠周围的环境也发生变化，可能是KDF中的钾将分子筛中的钠取代。表明Zeolite P对KDF有较好的吸附作用。

图1 P型分子筛的Zeta电位

    对原材料Zeolite P，CMC，CS，CS@CMC@Zeolite P红外分析如图2所示。CS@CMC@Zeolite P羟基峰特征峰变得宽且大，红移到3420 cm^-1，说明CS，CMC和Zeolite P之间存在氢键作用力；同时CS@CMC@Zeolite P中的特征峰衍射峰偏移到1596 cm^-1，这是由于CS中-NH₂基团（1644 cm^-1）与CMC中的-COOH基团（1623，1418 cm^-1）相互作用，CS与CMC通过离子键与氢键形成聚电解质复合物。CS@CMC@Zeolite P特征峰中存在600~1000 cm^-1 Zeolite P骨架震动特征峰，但是强度有所减小，说明Zeolite P被包覆在复合水凝胶微球中。

图2 红外对比谱图

    图3为CMC，CS，CS@CMC，CS@CMC@Zeolite P各组分热重分析曲线。CS@CMC与CS@CMC@Zeolite P在前期主要为结合水蒸发，随后在200 ℃开始缓慢分解。由于两种高分子材料混合后产生的离子键作用力会消弱两种高分子分子内部、以及同类分子之间的相互作用力，导致CS@CMC与CS@CMC@Zeolite P分解温度小于CS和CMC的裂解温度。但是离子键的存在会提升整体的热稳定性，CS@CMC比天然高分子具有更高的热稳定性，这是由于聚合物结构的改变以及CMC与Fe³⁺的相互作用。然而在加入Zeolite P后，观察到其在损失50%质量温度低于CS@CMC体系，这可能是由于Zeolite P的塑化作用，增加了CMC基质中的孔隙度，降低了CMC基质在特定温度范围的稳定性。从TGA分析中可从侧面反映出两种高分子之间存在着离子键的结合，CS@CMC@Zeolite P体系在常温是热稳定的。

图3 热重分析谱图

    图4显示了不同pH下复合水凝胶微球的溶胀率之间的显著差异，表明复合水凝胶微球对pH高度敏感。在酸性条件下，CMC链形成紧密的螺旋状，CMC结构压缩，溶胀得到抑制。因此，在pH从1.2增加到7.4的过程中，CS@CMC链上的羧基转化为带负电荷的羧酸根离子，导致更高的静电斥力和水被吸收。同时CS包裹在CMC外部，形成的聚电解质复合物，避免水凝胶微球的瓦解。加入的Zeolite P镶嵌缠绕在CMC三维网格结构中，限制了聚合物链的扩展，导致其溶胀率比CS@CMC偏小。CS@CMC@Zeolite P在酸性条件下具有较小的溶胀率，可以减缓KDF溶出释放。所制备的CS@CMC@Zeolite P水凝胶微球能够应用于不同pH条件下的可持续给药系统。

图4 不同pH CS@CMC@Zeolite P微球溶胀行为

(a) pH=7.4;(b)pH=6.8;(c)pH=1.2

    图5为Zeolite P添加量对CS@CMC@Zeolite P释放KDF的行为影响，在pH为7.4的环境下，CS@CMC@KDF突释现象明显，后续对KDF的释放也较快；添加Zeolite P之后CS@CMC@Zeolite P可有效减缓突释现象的发生，且对KDF具有有效的控释行为。由于KDF是水溶性的，导致包封率和载药率相对较低，添加1.5%Zeolite P抗菌微球具有最大包封率37.17%和最大载药率12.39%。

图5  Zeolite P添加量在pH=7.4下CS@CMC@ZeoliteP@KDF微球释放KDF行为分析

    KDF的释放模型见图6。在酸性环境中，CS表面的氨基基团缓慢电离，质子化的氨基在微球表面形成了水合层，阻碍水分子渗入微球，同时CMC链段在酸性环境中卷曲收缩，与内部的Zeolite P共同延缓了水分子进入微球内核，使KDF的溶出变得困难。在pH=7.4环境下，CMC表面的羧基去质子化，分子链段舒展，导致更多的水分子穿透聚合物结构，进入到水凝胶微球的内部，使KDF更加容易释放。KDF在中性或偏碱性环境中电离增强，溶解度增加。Zeolite P的含量增加，使KDF从微球内核迁移到表面更加的困难。释放结果表明，制备的CS/CMC/Zeolite P复合水凝胶微球载药体系，可用于胃肠道pH敏感环境中KDF的控释。

图6 CS@CMC@ZeoliteP@KDF抗菌微球KDF的释放示意图

    对添加1.5% Zeolite P抗菌微球进行释放动力学研究如图7所示：KDF的控释符合一级动力学方程和Higuchi拟合方程。所制备的复合抗菌微球对KDF具有一定的控释作用，KDF的释放为溶出扩散机制，形成了较为稳定的多孔水溶性微球。

图7 CS@CMC@ZeoliteP@KDF微球在肠道模拟中动力学方程拟合结果

(a) 零级动力学方程拟合曲线;(b) 一级动力学方程拟合曲线;(c) Higuchi方程拟合曲线

    图8为不同CS@CMC@ZeoliteP＠KDF抗菌微球含量对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）生长的影响。CS@CMC@ZeoliteP＠KDF抗菌微球对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有显著的抑菌效果，随着抗菌微球浓度越高，其抑菌效果更明显。在24 mg/mL和48 mg/mL浓度下，细菌生长受到抑制，较多菌体死亡，几乎不再繁殖，但是在低浓度时（12 mg/mL）具有时效性。可预见的高浓度下的抗菌液具有较低的pH值，可以改变细菌生长的环境，抑制细菌的繁殖。当抗菌液分解完之后，细菌开始快速繁殖。

图8 不同抗菌微球含量对大肠杆菌(a)和金黄色葡萄球菌(b)的生长影响

结论

（1）通过凝聚法，经Zeolite P吸附KDF分散在CMC基质中，FeCl₃作为交联剂，与CS组装制备出了KDF缓释抗菌微球。CS与CMC通过离子键形成聚电解质复合物，形成的水凝胶微球比天然高分子材料CS和CMC具有更高的热稳定性。

（2）CS@CMC@ZeoliteP吸水溶胀差异性表明复合水凝胶微球具有高pH敏感性。CS@CMC@ZeoliteP＠KDF抗菌微球对KDF具有良好的控释效果，添加Zeolite P可有效减小突释现象的发生，且对KDF具有更为优异的控释效果。通过释放动力学线性拟合，释放过程遵循一级动力学模型和Higuchi模型，所制备的抗菌微球对KDF具有一定的缓释作用。KDF最大包封率为37.17%和最大载药率为12.39%。

（3）制备的抗菌微球CS@CMC@ZeoliteP＠KDF对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有显著抑制生长的效果，在抗菌液浓度为24,48 mg/mL时，细菌生长受到抑制，几乎不再繁殖，低浓度下具有时效性，但前期仍具有抗菌性。所制备的CS@CMC@ZeoliteP＠KDF体系为KDF的推广和使用提供了参考。

原文出处：

pH敏感水凝胶微球的制备及二甲酸钾缓释和抗菌性能分析（点击“题目”可链接全文）

郭小炜, 李玉妍, 王秀丽, 杨忠鑫, 陈南春, 解庆林

2021, 49 (4): 142-149.   

DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000217