核桃殼活性炭的制備及其對煙酸緩釋性能的研究

李盛龍，謝學忠，邱彩英，周　穎，郭　嘉

(武漢工程大學化工與制藥學院 綠色化工過程教育部重點實驗室，湖北 武漢 430073)

活性炭具有較大的比表面積和發達的孔結構，因而具有較強吸附能力，特別是生物質制備的活性炭雜質含量低、化學穩定性好并有一定生物相容性，因而在醫療領域中有著廣泛應用[1-3]。例如，活性炭可直接口服用于體內解毒，也可在透析時過濾凈化血液，還能作為一些緩釋藥物(如抗癌類藥)的載體[4]。

煙酸(C6H5NO2)，又稱尼克酸、維生素PP或B3，屬維生素B族，是一種水溶性維生素，也是人體所必需的13種維生素之一。煙酸不僅有利于心血管系統，能降低血壓，還能減輕胃腸功能障礙，維持中樞神經系統發育[5]。不過，煙酸半衰期非常短(45 min)，服用普通劑型的煙酸藥物會導致用藥頻繁，還會產生皮膚瘙癢、胃腸不適、肝功能減退和視覺障礙等副作用。緩釋型煙酸是一種很好的替代治療方案，可以減少頻繁服藥帶來的副作用，還能有效降低非致死性心臟事件再發的危險[6-7]。緩釋型煙酸的研究報道較少，更未見利用核桃殼制備活性炭并作為煙酸緩釋載體的報道。

本研究以核桃殼質顆粒炭化料為原料，采用二氧化碳物理活化法制備核桃殼活性炭，并進行核桃殼活性炭在不同介質中的煙酸釋放實驗，研究其釋藥過程動力學模型。

1　實驗

1.1　材料、試劑與儀器

核桃殼質顆粒炭化料，廣州君來化工有限公司，經研磨并篩分至40～60目，備用。

煙酸，分析純，天津科密歐化學試劑開發中心。

SK2型管式電阻爐、KSW-4D-11A型溫度控制器，湖北英山縣建力電爐制造有限公司。不銹鋼反應管外徑、內徑及長度分別是35 mm、22 mm及1 196 mm。

1.2　核桃殼活性炭的制備

將10 g炭化料置入不銹鋼反應管中部，通入N2除去反應管中的空氣，以10 ℃·min-1加熱升溫。當溫度升至150 ℃時，停止通入N2并同時通入CO2，氣流量恒定在1.5 L·min-1。加熱至設定溫度(650～900 ℃)活化相應的時間(0.5～3 h)，通入N2冷卻至常溫。用50%乙醇浸泡，然后用蒸餾水沖洗，再用稀NaCl溶液和稀Na2CO3溶液沖洗，最后用蒸餾水洗凈，120 ℃下干燥12 h，得核桃殼活性炭。

1.3　煙酸體外釋放實驗

采用自制漿法釋放裝置模擬人體內環境，進行核桃殼活性炭體外釋放煙酸實驗。37 ℃下，將核桃殼活性炭置于煙酸溶液中吸附至飽和，抽濾、干燥后置于500 mL蒸餾水、人工胃液或人工腸液中攪拌[(100±4) r·min-1]，定時取樣測定煙酸濃度，同時補充等量的預熱過的釋放介質。

1.4　煙酸濃度的測定

采用紫外分光光度法測定煙酸濃度。分別以蒸餾水、人工胃液或人工腸液為溶劑，配制0.005～0.05 mg·mL-1范圍內不同濃度的煙酸溶液，測定吸光度，繪制煙酸濃度(c)與吸光度(A)之間的標準曲線，標準曲線的擬合結果見表1。

表1煙酸的標準曲線擬合結果

Tab.1Curve-fittingresultsforcalibrationplotofnicotinicacid

介質標準曲線R蒸餾水c=003040A+000082099926人工胃液c=002846A-000080099944人工腸液c=003327A-000120099949

2　結果與討論

2.1　活化溫度對活性炭得率及煙酸吸附量的影響

固定活化時間為2 h，考察活化溫度對活性炭得率及煙酸吸附量的影響，結果見圖1。

圖1　活化溫度對活性炭得率及煙酸吸附量的影響

由圖1可知，隨著活化溫度的升高，活性炭得率不斷下降，900 ℃時得率僅為34.8%。這是因為，炭(C)與CO2的反應是一個吸熱過程，隨著活化溫度的升高，反應加劇，參與CO2反應的炭也會增加，得率隨之降低。隨著活化溫度的升高，煙酸吸附量逐漸升高,850 ℃時吸附量達到191.52 mg·g-1。這是因為，活化溫度升高，炭的反應量增加，已有的微孔結構被破壞，中孔結構增加，更易吸附較大的煙酸分子；另外，反應過程中也會形成新孔，比表面積也會隨之增大，從而吸附量進一步增大。但超過850 ℃后，煙酸吸附量略有下降。這可能是由于CO2與炭反應過于劇烈，部分孔結構破壞生成大孔，導致對煙酸分子的吸附能力減弱，因而吸附量下降[8]。

2.2　活化時間對活性炭得率及煙酸吸附量的影響

固定活化溫度為800 ℃，考察活化時間對活性炭得率及煙酸吸附量的影響，結果見圖2。

圖2　活化時間對活性炭得率及煙酸吸附量的影響

由圖2可知，隨著活化時間的延長，活性炭得率逐漸下降。這是由于，CO2對炭化料的活化實質上是炭的氧化反應，隨著反應時間延長，參與反應的炭量增加，炭的燒失率增加，因而得率會降低。核桃殼活性炭對煙酸的吸附量隨著活化時間的延長而升高。這是因為，800 ℃下CO2與炭反應較劇烈，活化時間延長，中孔結構逐漸增多，有利于對較大煙酸分子的吸附。

2.3　不同介質中的煙酸體外釋放曲線

37 ℃下核桃殼活性炭在蒸餾水、人工胃液、人工腸液中對煙酸的體外累計釋放曲線見圖3。

圖3　活性炭于三種不同介質中對煙酸的釋放曲線

由圖3可知，在人工腸液中煙酸的11 h累計釋放率最高(47.69%)，人工胃液中次之(43.96%)，而蒸餾水中最低(14.48%)。這說明，人工腸液、人工胃液能明顯促進對煙酸的釋放。核桃殼活性炭在不同的釋放介質中釋放煙酸的過程一般可分為三個階段：突釋期、緩釋期和平衡期。突釋階段是指在較短的時間內釋放了較多藥物，大約維持1.5～2 h；在緩釋階段，核桃殼活性炭釋放藥物的速率大大減緩；最后釋藥達到平衡階段，煙酸濃度波動很小。當活性炭釋放煙酸達到平衡狀態時，從宏觀上看，藥物釋放過程已經完成，釋藥過程停止。

本研究采用零級、一級以及Higuchi三種常用的體外釋藥動力學模型對釋藥過程進行了動力學模擬(活性炭于蒸餾水中突釋期維持時間過短，僅1 h左右，其后變化很小，因此蒸餾水中的緩釋期不進行擬合)，擬合結果見表2、表3。表中R為相關系數，MSE為均方誤差。R值越大且MSE越小，則擬合效果越好。

表2突釋期的動力學模擬擬合結果

Tab.2Thefittingresultsofdynamicssimulationforsuddenreleaseperiod

表3緩釋期的動力學模擬擬合結果

Tab.3Thefittingresultsofdynamicssimulationforsustainedreleaseperiod

介質動力學模型擬合結果RMSE人工胃液零級w=1787t+29346095861264一級ln(1-w100)=-00290t-03401096771157Higuchiw=8159t1/2+20564098210834人工腸液零級w=1511t+32634095701395一級ln(1-w100)=-00259t-03878096601266Higuchiw=7412t1/2+24174098190909

由表2、表3可知，不同階段的活性炭于不同介質中釋放煙酸的過程采用Higuchi模型擬合的R值最大且MSE最小，表明活性炭釋放煙酸的過程均符合Higuchi模型[9]。

3　結論

(1)以核桃殼質顆粒炭化料為原料，在850 ℃活化溫度下，以1.5 L·min-1的流量通入CO2活化2 h后得到的核桃殼活性炭具有較高的得率，且對煙酸吸附量達到了191.52 mg·g-1。

(2)吸附了煙酸的核桃殼活性炭在人工胃液和人工腸液中對煙酸的釋放效果良好，在人工胃液和人工腸液中11 h的釋放率分別達到了43.96%和47.69%。

(3)采用零級、一級和Higuchi三種常用的體外藥物釋放動力學模型對核桃殼活性炭于不同介質、不同階段中的釋藥過程進行了動力學模擬，Higuchi模型的擬合效果最好，表明活性炭對煙酸的釋放過程更符合Higuchi模型 。

(致謝：感謝“E+”雙專業一體化復合型人才培養模式創新實驗區以及湖北省高等學校大學生創新活動基地“武漢工程大學化工與環境類大學生創新活動基地”的大力支持。)

參考文獻：

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