河南师范白光月组研究：多层极性壳混合表面活性剂胶束载体构建及对药物分子增溶的热力学研究

第一作者：邢肇碧

通讯作者：白光月，王玉洁

通讯单位：河南师范大学，河南科技学院

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引用信息

邢肇碧, 过治军, 张雨微, 刘君玲, 王玉洁, 白光月. SDS对SB3-12胶束表面电荷密度的调控作用及对药物增溶的影响. 物理化学学报, 2020, 36 (6), 1906006. doi: 10.3866/PKU.WHXB201906006

Xing, Z. B.; Guo, Z. J.; Zhang, Y. W.; Liu, J. L.; Wang, Y. J.; Bai, G. Y. Regulation of SDS on the Surface Charge Density of SB3-12 Micelles and Its Effect on Drug Dissolution. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 36 (6), 1906006. doi: 10.3866/PKU.WHXB201906006

主要亮点：

在这项工作中，以SB3-12与SDS混合表面活性剂为模型构建了多层极性壳胶束，从分子间相互作用的角度研究了胶束组成对极性壳内层和胶束表面电荷密度的调节作用，通过对芦丁分子的增溶作用探讨多层极性壳胶束作为新型药物载体的潜在应用价值。采用恒温滴定量热(ITC)与¹H NMR和UV-vis结合的方法揭示了混合SB3-12/SDS的胶束化过程及多层极性壳与芦丁分子的作用机理。

研究背景：意义、现状

SB3-12是端基为磺酸基的两性离子甜菜碱类表面活性剂，与阴离子表面活性剂作用形成混合胶束。迄今为止，研究工作更多地关注于混合体系较强的协同效应。然而，胶束极性壳径向的层状分布及性质的可调控性能才是区别于其他类型混合胶束的主要特征，将是构筑功能性超分子体系的一个关键切入点。采用ITC研究这种多层极性壳胶束的形成过程，除了从cmc降低的角度验证了已有报道的协同效应以外，更重要的是直接从分子间相互作用能研究了协同效应的热力学机理。作为药物分子的功能性载体，多层极性壳内层的改性无论对于在极性层或在栅栏层的加载都能起到很好的作用，而载体表面电荷密度的调控对于在生理条件下向某些特定器官的传输及与细胞的结合都是关键的要素。芦丁分子在中性水溶液中主要以负离子状态存在，以芦丁作为模型药物分子很好地诠释了多层极性壳胶束作为功能性载体的意义。

核心内容

1.    SB3-12/SDS混合表面活性剂胶束化过程的热力学分析

纯表面活性剂胶束水溶液稀释的量热研究已经有大量的报道，但是当溶液中存在能与表面活性剂相互作用的其他组分时，由于多种相互作用的平衡共存，将得到复杂的ITC量热曲线。正确地分析与其对应的热力学过程是研究分子间相互作用机理的基础。SB3-12和SDS之间通过静电吸引形成分子对，表现出强烈的协同作用，促使在较低的浓度下形成混合胶束。图1为混合胶束的形成过程示意图和ITC量热曲线。在cmc前的观测焓平台对应胶束解离成水合单体的焓变，ΔH_ele对应静电作用主导的水合离子对的形成，ΔH_mic为混合胶束化焓。这种混合体系即具有相反电荷离子混合表面活性剂强的协调性，又有离子-非离子混合体系高溶解性的特征，构成了多层极性壳功能纳米载体。

图1 SB3-12与SDS混合胶束化过程的示意图和ITC热谱

当芦丁分子与SB3-12/SDS混合胶束作用时，在中性pH值电离的芦丁负离子在多层极性壳内增溶，不影响混合临界胶束浓度（cmc_mix），可以通过混合表面活性剂的组成调控增溶容量。

2.    芦丁分子在多层极性壳内的位置和取向

通过芦丁在多层极性壳胶束内增溶后的UV-vis吸收光谱和¹H NMR谱的变化，确定了离子化的芦丁分子位于极性壳中。A环负电性的酚羟基指向极性壳最内层的季铵基团，显示为随着x_SB3-12增加，A环最大吸收波长蓝移（见图3）、8-H向高场移动、6-H向低场移动。B环位于相反电荷之间的区域，显示为随着x_SB3-12增加，B环最大吸收波长的红移，2’-H向高场移动，而5’-H和6’-H的位移基本不变。这些结果清晰地反映了调节x_SB3-12对多层极性壳内各层电荷密度的调控作用，实现了对胶束极性区域的物理和化学性质的微调及进一步对芦丁增溶作用的调控，有可能为实现药物的受控溶解和释放提供新的模型载体。

图2 芦丁分子在多层极性壳胶束内的位置和取向

图3 芦丁分别在PBS、SB3-12、SB3-12/SDS混合胶束（x_SB3-12=0.8）和SDS中(箭头方向)的UV-vis光谱。插图为不同混合胶束浓度下芦丁的吸收光谱的放大图。

图4 在SB3-12和SDS混合胶束溶液中芦丁的¹H NMR谱

结论与展望

本文通过芦丁的饱和溶解度、分子间相互作用焓、芦丁的UV-vis吸收光谱及表面活性剂与芦丁的¹H NMR研究了可调控多层极性壳SB3-12/SDS混合胶束(x_SB3-12 ≥ 0.5)载体构建、胶束化的协同效应及芦丁在多层极性壳内的增溶机理。主要结论是：（1）提出了两性离子/离子型表面活性剂胶束极性区的多极性层特征；（2）以芦丁为模型药物建立了多层极性壳载药的超分子药物载体模型；（3）通过改变胶束组成调控极性壳各层的电荷密度，从而赋予对药物分子的受控溶解和释放的功能性。从多层极性壳混合胶束的形成到对芦丁的增溶，采用ITC技术直接测量分子间相互作用能，研究了各个过程的热力学机制。我们进一步的工作已经在增大多层极性壳尺寸和赋予多重环境刺激响应方面取得了新的进展，将在近期报道。

☎作者介绍

 白光月 

1962年出生，河南师范大学教授，博导。2001年于中国科学院化学研究所获得博士学位。主要从事与药物和生物体系相关的胶体界面热力学研究，在量热与热分析方面具有丰富的工作积累，尤其对改性聚合物、表面活性剂等超分子纳米软材料的建立与热力学性质做了较多的研究。

 王玉洁 

1959年出生，河南科技学院教授。1998年于中国科学院长春应用化学研究所获得博士学位。主要从事与复杂流体和胶体界面相关体系的热力学研究，在表面活性剂的热至液晶、凝胶、超分子结构、单分子膜及与生物分子相互作用方面做了较多的工作。

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