羥丙基甲基纖維素的體外自由基降解研究

李睿智，張秀明，尹永磊，簡 軍，張政樸

（1．生物可降解新材料北京市工程實(shí)驗(yàn)室，北京100022；2．南開大學(xué) 高分子化學(xué)研究所，天津300071）

羥丙基甲基纖維素（Hydroxypropyl methyl cellulose，HPMC）是天然纖維素分子上部分羥基甲基化和羥丙基化后生成的纖維素醚［1，2］，是常用的藥用輔料，一般作為分散劑、增稠劑、眼科植入劑、美容填充輔料等使用［3，4］。國產(chǎn)羥丙基甲基纖維素－透明質(zhì)酸鈉溶液（逸美，EME）利用HPMC分子內(nèi)的羥基與透明質(zhì)酸中的羥基、羧基發(fā)生相互作用，提高了它們作為皮膚填充材料的可使用性，填補(bǔ)了我國生物復(fù)合材料在醫(yī)療美容領(lǐng)域的空白，其在體內(nèi)的降解過程也因此受到研究者的廣泛關(guān)注。

活性氧簇自由基（Reactive oxygen species，ROS）是體內(nèi)重要的自由基，在體內(nèi)發(fā)揮著重要的作用。皮膚中存在的大量紫外線（UV）色基在吸收UV光子能量后呈激發(fā)態(tài)，與皮膚中的氧分子發(fā)生光動力學(xué)反應(yīng)，在還原酶或過渡金屬參與下會生成ROS，大量的ROS就會引起皮膚的老化，產(chǎn)生皺紋、色斑等［5］。ROS主要包含超氧陰離子自由基（·）、羥基自由基（·OH）、過氧化氫（H2O2）以及單線態(tài)氧（·O2）等4種自由基，其中以·OH 的作用最強(qiáng)［6］。據(jù)報(bào)道［7］，HPMC可吸收體內(nèi)固有的ROS。

HPMC在ROS的作用下會被降解，造成HPMC的分子量降低、粘彈性下降。作者在此以Fenton－AHH2O2體系介導(dǎo)羥基自由基的生成，模擬ROS降解HPMC，并對降解過程中HPMC的分子量變化、動力粘度變化進(jìn)行表征，以研究HPMC在體內(nèi)的降解機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)

1．1 材料、試劑與儀器

羥丙基甲基纖維素［級別：E3、E50、E4M、E10M，分別表示動力粘度（mPa·s）為3、50、4000、10 000的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的HPMC水溶液］，陶氏化學(xué)；L－抗壞血酸（AH）、pH值為3的磷酸鹽緩沖溶液，天津光復(fù)精細(xì)化工廠；30%雙氧水，天津化學(xué)試劑六廠。

水相凝膠滲透色譜儀，Waters公司；NDJ－1型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，上海森地科學(xué)儀器設(shè)備有限公司。

1．2 方法

一般地，由Haber－Weiss反應(yīng)所引起的Fenton反應(yīng)是體外產(chǎn)生·OH的主要方式：

本實(shí)驗(yàn)采用L－抗壞血酸與 H2O2產(chǎn)生·OH（AH－＋H2O2→A－＋H2O＋·OH），形成新的Fenton－AH－H2O2體系，比Fenton反應(yīng)體系更溫和，能夠緩慢地長時間釋放·OH［8，9］。

1．2．1 檢測降解過程中HPMC的分子量變化

將0．5g HPMC（E3、E50）、0．125g L－抗壞血酸溶解于22．5mL pH＝3的磷酸鹽緩沖溶液中，加入2．5mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的H2O2，置于37℃水浴恒溫振蕩器中；定時取樣0．08mL，加入0．02mL 0．1mol·L－1的NaOH溶液破壞自由基環(huán)境，通過水相凝膠滲透色譜儀測量溶液的分子量。

空白實(shí)驗(yàn)：將0．5g HPMC（E3、E50）、0．125g L－抗壞血酸溶解于25mL pH＝3的磷酸鹽緩沖溶液中；定時取樣0．08mL，加入0．02mL 0．1mol·L－1的NaOH溶液，置于37℃水浴恒溫振蕩器中，通過水相凝膠滲透色譜儀測量溶液的分子量。

1．2．2 檢測降解過程中HPMC的動力粘度變化

將2g HPMC（E4M、E10M）、0．5g L－抗壞血酸溶解于90mL pH＝3的磷酸鹽緩沖溶液中，加入10 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的H2O2溶液，置于37℃恒溫水浴中，用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)檢測溶液的粘度。

空白實(shí)驗(yàn)：將2g HPMC（E4M、E10M）、0．5g L－抗壞血酸溶解于100mL pH＝3的磷酸鹽緩沖溶液中，置于37℃恒溫水浴中，用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)檢測溶液的粘度。

2 結(jié)果與討論

2．1 HPMC分子量的變化

動 力 粘 度 較 低 的 HPMC（E3－HPMC、E50－HPMC）降解過程中的分子量變化見圖1。

圖1 E3－HPMC（a）和E50－HPMC（b）的GPC圖譜Fig．1 GPC Spectra of E3－HPMC（a）and E50－HPMC（b）

a 17300 27128 19403 40380 53659 1．568063 1．488478 1．977980 b 70857 101281 109956 133601 164163 1．429361 1．319119 1．620875

由圖1可看出，E3－HPMC平均分子量為19．4 kDa，E50－HPMC平均分子量為110．0kDa。

E3－HPMC、E50－HPMC分子量隨降解時間的變化曲線見圖2。

圖2 降解過程中E3－HPMC（a）與E50－HPMC（b）的分子量隨時間的變化Fig．2 Time－varying molecular weight of E3－HPMC（a）and E50－HPMC（b）in degradation process

由圖2可看出，在 H2O2加入到 HPMC－AH－PBS體系中的前100min內(nèi)，HPMC的分子量快速下降。這是由于，H2O2與體系中的AH快速反應(yīng)，產(chǎn)生大量的·OH，致使HPMC被快速降解，分子量快速下降；降解反應(yīng)進(jìn)行到200min左右時，由于H2O2被大量消耗，體系中的·OH濃度降低，逐漸失去對HPMC的降解作用，因此在實(shí)驗(yàn)后期，HPMC的分子量趨于穩(wěn)定。降解結(jié)束時，E3－HPMC的最終分子量穩(wěn)定在1 kDa左右，較降解前下降了90%；E50－HPMC的最終分子量穩(wěn)定在10kDa左右，也較降解前下降了90%。

2．2 HPMC動力粘度的變化

對于動力粘度較大的E4M－HPMC與E10MHPMC，由于分子量過大，不易以分子量作為參考來跟蹤其降解過程，因而通過測量溶液的動力粘度來跟 蹤其降解過程，結(jié)果見圖3。

圖3 降解過程中E4M－HPMC（a）和E10M－HPMC（b）的動力粘度隨時間的變化Fig．3 Time－varying dynamic viscosity of E4M－HPMC（a）and E10M－HPMC（b）in degradation process

由圖3可看出，E4M－HPMC和E10M－HPMC在240min后的動力粘度均趨于穩(wěn)定。降解結(jié)束時，E4M－HPMC的最終粘度為1000mPa·s左右，較降解前下降了75%；E10M－HPMC的最終粘度為6000 mPa·s左右，較降解前下降了40%。其降解過程與E3－HPMC、E50－HPMC的降解過程相似。

3 結(jié)論

通過模擬體內(nèi)的活性氧簇自由基（ROS）條件，使用Fenton－AH－H2O2體系在體外環(huán)境研究了HPMC的降解過程。通過水相凝膠滲透色譜儀和旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)檢測HPMC的分子量與動力粘度變化，結(jié)果表明，E3－HPMC與E50－HPMC的分子量均下降了90%，E4MHPMC的動力粘度下降了75%，E10M－HPMC的動力粘度下降了40%。說明ROS對HPMC具有顯著的降解效果，同時也表明HPMC可以吸收體內(nèi)自由基，并降低自由基在體內(nèi)的含量。

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