碳納米管對鎂合金基體上鈣磷/殼聚糖膜層釋藥性能的影響①

張 杰，遲艷俠，郭曉玲，焦淑清，張向宇

(1.佳木斯大學(xué)藥學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 154001;3.佳木斯大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154002)

碳納米管對鎂合金基體上鈣磷/殼聚糖膜層釋藥性能的影響①

張 杰1,2，遲艷俠3，郭曉玲1，焦淑清1，張向宇1

(1.佳木斯大學(xué)藥學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 154001;3.佳木斯大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154002)

目的：研究碳納米管對鎂合金基體上鈣磷/殼聚糖膜層負(fù)載的慶大霉素在模擬體液中釋放性能的影響。方法：采用浸漬法分別將慶大霉素負(fù)載在鈣磷/殼聚糖膜層和鈣磷/殼聚糖/碳納米管膜層中，采用紫外分光光度法測定慶大霉素在模擬體液中的釋放濃度。結(jié)果：鎂合金基體上鈣磷/殼聚糖膜層負(fù)載碳納米管后，膜層中慶大霉素負(fù)載量增加、慶大霉素釋放速度降低。結(jié)論：碳納米管有效改善了鎂合金基鈣磷/殼聚糖骨材料的釋藥性能。

鎂合金；羥基磷灰石；殼聚糖；碳納米管；慶大霉素

鎂及鎂合金作為骨植入材料表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，但鎂合金在人體環(huán)境中存在降解速度過快以及生物活性差等不足。從自然骨結(jié)構(gòu)出發(fā)，將羥基磷灰石(骨骼和牙齒的無機成分)和殼聚糖(類似骨骼的有機成分)涂覆于鎂合金基體上，可以解決此問題。碳納米管是一種重要的組織工程材料，可以增加脆性羥基磷灰石生物陶瓷基質(zhì)的強度和耐磨性，其特有的納米結(jié)構(gòu)孔壁利于細(xì)胞的黏附和增殖，其較高的熱傳導(dǎo)性可誘導(dǎo)羥基磷灰石在碳納米管表面成核和沉積從而加速骨的生長[1～3]。據(jù)估計每個細(xì)胞以每秒一個碳納米管的速度可吞噬70000個，盡管碳納米管的細(xì)胞毒性仍有爭議，但是碳納米管對骨細(xì)胞是生物相容的、對骨組織沒有任何毒性[4]。因此，碳納米管通常作為次級組分加入到生物活性涂層中。另外，骨折患者因細(xì)菌感染和軟骨組織損傷會呈現(xiàn)出很高的感染風(fēng)險，植入異體帶來的骨感染也是很難治愈的。眾所周知，慶大霉素負(fù)載的骨植入材料在外科手術(shù)中可以降低感染率，并且局部使用抗生素可以到達很高的局部血藥濃度而對體系不會產(chǎn)生毒性[5～7]。基于此，本實驗制備負(fù)載慶大霉素的可降解鎂基鈣磷/殼聚糖/碳納米管新型骨組織工程支架材料，研究鈣磷/殼聚糖膜層中添加碳納米管對膜層中慶大霉素釋放性能的影響。

1 儀器和材料

DH1718E-4型穩(wěn)壓穩(wěn)流電源(北京大華無線電儀器廠)；756P紫外分光光度計(上海光譜儀器有限公司)；無水碳酸鈉，四硼酸鈉，氫氧化鉀，硅酸鈉，磷酸氫二銨，硝酸鈣，氨水，無水乙醇，冰乙酸，殼聚糖，磷酸二氫鈉，磷酸氫二鈉，環(huán)氧樹脂，聚酰胺樹脂，均為分析純；AZ91D鎂合金(保定市東啟鎂合金型材有限公司)；硫酸慶大霉素標(biāo)準(zhǔn)品(上海晶純生化科技股份有限公司)，硫酸慶大霉素注射液(河南輔仁杯慶堂制藥有限公司)；多壁碳納米管(廣州延瑞化工有限公司)，直徑50～70nm，長度5～12nm，使用前先經(jīng)濃硝酸活化處理，再經(jīng)超聲分散和微孔濾膜過濾除去雜質(zhì)。

2 實驗方法

2.1 鎂合金基體上鈣磷/殼聚糖/碳納米管膜層的制備

采用電泳沉積技術(shù)在AZ91D鎂合金基體上制備復(fù)合膜層。如前期實驗所述[8,9]，超聲條件下在200mL醋酸水溶液中依次加入0.25g殼聚糖、1.0g羥基磷灰石納米粒子和0.1g碳納米管(或者不加碳納米管)，在300mL無水乙醇中加入1.5g nHA納米粒子，混合兩溶液，再超聲1.5h、陳化24h；經(jīng)前處理和微弧氧化后的AZ91D鎂合金作為陰極，涂覆銥鉭鈦合金片作為陽極，在40V電壓下進行電泳沉積。最后，將電泳沉積所制備的試樣在37℃溫度下于磷酸鹽緩沖液中浸泡5d，得到AZ91D鎂合金基鈣磷/殼聚糖/碳納米管或AZ91D鎂合金基鈣磷/殼聚糖試樣，經(jīng)清洗和干燥后備用。

2.2 鈣磷/殼聚糖/碳納米管膜層負(fù)載慶大霉素

在37℃條件下，將上述電泳沉積所制備的AZ91D鎂合金基鈣磷/殼聚糖和AZ91D鎂合金基鈣磷/殼聚糖/碳納米管兩種試樣分別置于100mL含一定體積慶大霉素的PBS(磷酸鹽緩沖液)中浸泡5d，每天更換一次溶液，得到負(fù)載慶大霉素的AZ91D鎂合金基鈣磷/殼聚糖和AZ91D鎂合金基鈣磷/殼聚糖/碳納米管兩種浸漬載藥試樣。

2.3 膜層中慶大霉素的釋放

2.3.1 慶大霉素標(biāo)準(zhǔn)曲線

精密稱取慶大霉素標(biāo)準(zhǔn)品0.2427g置于25mL容量瓶中，加水分別制成9.7080mg/L、3.8832mg/L、1.5533mg/L、0.6213mg/L、0.2485mg/L和0.0994mg/L的溶液。然后，用水作參比，采用紫外分光光度計在197 nm處測定各溶液的吸光度，由此得到標(biāo)準(zhǔn)曲線[10]。以濃度C(mg/L)作橫坐標(biāo)，吸光度A為縱坐標(biāo)，得回歸方程，R=0.9992，n=6。

2.3.2 穩(wěn)定性實驗

精密量取慶大霉素注射液2mL于1000mL容量瓶中，并定容至刻度，再取此溶液1mL并稀釋至1000mL，根據(jù)2.3.1項下方法測定0h、1.5h、2.5h、4h、5h和6h時各溶液吸光度。結(jié)果表明：各慶大霉素溶液在6h內(nèi)其吸光度基本沒有發(fā)生變化，穩(wěn)定性良好。

2.3.3 加標(biāo)回收率實驗

精密量取2.3.2項下1mL慶大霉素稀釋液四份，分別加入33.8832mg/L、1.5533mg/L、0.6213mg/L和0.2485mg/L的慶大霉素標(biāo)準(zhǔn)品溶液各1mL，根據(jù)2.3.1項下方法測定各溶液吸光度，并將吸光度值代入標(biāo)準(zhǔn)曲線方程。重復(fù)操作4次，平均回收率為99.1%。

2.3.4 慶大霉素體外釋放實驗

在37℃條件下，分別將負(fù)載慶大霉素的AZ91D鎂合金基鈣磷/殼聚糖和AZ91D鎂合金基鈣磷/殼聚糖/碳納米管兩種浸漬試樣置于250mL m-SBF中進行藥物釋放，根據(jù)2.3.1項下方法測定不同時間點釋放介質(zhì)的吸光度。

3 結(jié)果與結(jié)論

3.1 鈣磷/殼聚糖/碳納米管載藥膜層的制備

本實驗通過測定膜層浸漬液的吸光度來分析骨材料中慶大霉素的含量。AZ91D鎂合金基鈣磷/殼聚糖和AZ91D鎂合金基鈣磷/殼聚糖/碳納米管兩種試樣在不同慶大霉素含量的PBS中浸漬負(fù)載后，

其膜層中釋放的慶大霉素的吸光度與PBS中慶大霉素的體積百分含量之間的關(guān)系見圖1。

圖1 兩種試樣膜層中釋放的慶大霉素的吸光度與PBS中慶大霉素的體積含量之間關(guān)系

由圖1可知，兩種試樣復(fù)合膜層中釋放的慶大霉素吸光度值隨PBS浸泡液中慶大霉素體積百分?jǐn)?shù)的增多而增加，即兩種浸漬載藥試樣膜層中慶大霉素的負(fù)載量隨浸泡液中慶大霉素濃度的增加而增加。而且，當(dāng)釋放介質(zhì)中慶大霉素注射液體積含量高于6%時，兩種試樣膜層中釋放的慶大霉素吸光度值變化不大，說明此時浸漬載藥效果已經(jīng)比較理想。因此，在此條件下制備負(fù)載慶大霉素的AZ91D鎂合金基鈣磷/殼聚糖和AZ91D鎂合金基鈣磷/殼聚糖/碳納米管兩種浸漬載藥試樣。

3.2 鈣磷/殼聚糖/碳納米管膜層的釋藥性能

表1是兩種試樣膜層中慶大霉素在m-SBF中釋放濃度隨時間的變化關(guān)系。

表1 m-SBF中慶大霉素釋放濃度隨時間的變化

由表1可見，在1d內(nèi)，兩種試樣中慶大霉素呈崩發(fā)式釋放，慶大霉素濃度急劇增加，2～5d時m-SBF中慶大霉素的釋放濃度稍微降低。并且，浸泡時間<5d時，AZ91D鎂合金基鈣磷/殼聚糖膜層中慶大霉素的釋放速度大于AZ91D鎂合金基鈣磷/殼聚糖/碳納米管試樣，原因是：采用浸漬法負(fù)載藥物時，鈣磷/殼聚糖膜層主要依靠范德華力將慶大霉素分子吸附于膜層中，藥物與膜層之間作用力較弱；然而，當(dāng)鈣磷/殼聚糖膜層中添加碳納米管后，由于碳納米管的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和存在局部點缺陷從而使復(fù)合膜層的比表面積和活性位置均增加，因此添加碳納米管的膜層與慶大霉素的作用力增強，慶大霉素釋放速度降低。對于鈣磷/殼聚糖膜層，5d時膜層中慶大霉素基本釋放完全，m-SBF中慶大霉素的釋放濃度隨時間的延長而不再增加。對于鈣磷/殼聚糖/碳納米管膜層，慶大霉素在整個浸泡周期內(nèi)一直持續(xù)釋放，具體地，<15d時m-SBF中慶大霉素的釋放濃度增加較快，>15d時慶大霉素釋放濃度增加緩慢。另外，浸泡15d后兩種試樣在m-SBF中釋藥濃度的大小順序是：AZ91D鎂合金基鈣磷/殼聚糖/碳納米管>AZ91D鎂合金基鈣磷/殼聚糖，表明鈣磷/殼聚糖膜層中添加碳納米管后，其載藥量增加。

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The effects of carbon nanotubes on drug release behavior of calcium phosphate/chitosan coating on magnesium alloy substrate

ZHANGJie1,2,CHIYan-xia3,GUOXiao-ling1,JIAOShu-qing1,ZHANGXiang-yu1

(1.Pharmacy College of Jiamusi University, Jiamusi 154007, China; 2.School of Chemistry Engineering and Technology, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China; 3.Oral Medicine College of Jiamusi University, Jiamusi 154002, China)

Objective: To study the effect of carbon nanotubes on release behavior of gentamicin loaded in calcium phosphate/chitosan coating on the magnesium alloy substrate in simulated body fluid. Methods: Gentamicin was loaded in the calcium phosphate/chitosan coating and calcium phosphate/chitosan/carbon nanotubes coating by immersion method, respectively. The concentration of gentamicin in simulated body fluid was determined by UV spectrophotometry. Results: Carbon nanotubes were added into the calcium phosphate/chitosan coating on the magnesium alloy substrate. Loading amount of gentamicin in calcium phosphate/chitosan coating was increased, and the release rate of gentamicin was decreased. Conclusion: Carbon nanotubes effectively improved a releasing drug performance of the calcium phosphate/chitosan coating on magnesium alloy substrate.

magnesium alloy; hydroxyapatite; chitosan; garbon nanotubes; gentamicin

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目，編號:12541796；黑龍江省衛(wèi)生廳科學(xué)技術(shù)研究項目，編號:2013225；佳木斯大學(xué)科學(xué)技術(shù)面上項目，編號:L2012-086。

張杰(1979～)女，黑龍江嫩江人，講師。

R318.08 文獻識別碼：A

1008-0104(2015)01-0006-02

2014-12-08)