毒死蜱/陽離子改性殼聚糖/海藻酸鈉復合微球的表征與緩釋

徐 華， 周紅軍， 周新華， 李英玲， 穆筱梅， 林 椰

(仲愷農業工程學院化學化工學院，廣東廣州 510225)

常規化學農藥制劑由于其利用率低、流失嚴重、環境食品安全等缺點，很難適應當代社會可持續發展的理念，而緩釋技術為化學農藥的發展提供了思路，并得到了廣泛關注[1-2]。目前，已有多種緩釋劑型被報道，如微膠囊制劑[3]、包結化合物制劑[4]、均一體制劑[5]、吸附型制劑[6]等。無論何種制劑，緩釋載體都是非常重要的組成部分[7-9]。

海藻酸鈉作為緩釋載體具有無毒、成本低、可生物降解、良好的生物相容性等特點，是常用的藥物緩釋載體[10]。由于其多糖構建的多孔網絡結構在溶劑中的溶蝕，藥物突釋現象顯著[11]，制約了這類材料在藥物傳輸系統中的發展。殼聚糖是一類天然陽離子高分子材料，將殼聚糖用于聚陰離子的海藻酸鈉緩釋材料中，通過靜電、氫鍵等作用可達到調節緩釋性能的目的[12]。將殼聚糖陽離子化，進一步提高殼聚糖分子內陽離子的密度用于海藻酸鈉緩釋體系中的報道較少。

本研究以陽離子改性殼聚糖和海藻酸鈉作為緩釋載體，采用擠壓法制備改性殼聚糖/海藻酸鈉/毒死蜱復合緩釋微球。研究復合微球的緩釋性能，為開發對環境友好的緩釋農藥新劑型提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

主要材料有海藻酸鈉(分析純，天津市北聯精細化學品開發有限公司)、毒死蜱(分析純，江蘇景宏化工有限公司)、氯化鈣(分析純，天津市福晨化學試劑廠)、殼聚糖(chitosan，簡稱CTS，脫乙酰度≥95%，分子量為20～40萬，上海麥克林生化科技有限公司)、無水乙醇(分析純，天津市大茂化學試劑廠)；丙烯酰胺、過硫酸銨、亞硫酸氫鈉、2，3-環氧丙基三甲基氯化銨(glycidyl trimethyl ammonium chloride，簡稱GTA)、丙酮、氫氧化鈉，均為分析純，購自國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

主要儀器有85-2型恒溫磁力攪拌器(常州澳華儀器有限公司)、KH-250 型超聲波清洗器(昆山禾創超聲儀器有限公司)、T6新世紀型紫外可見分光光度計(北京普析通用儀器有限責任公司)、Q600熱重分析儀(美國TA儀器公司)、Spectrum 100型傅立葉變換紅外光譜儀(珀金埃爾默儀器有限公司)、CX41型光學顯微鏡(日本Olympus公司)。

1.3 改性殼聚糖的制備[13]

在裝有聚四氟乙烯攪拌器、回流冷凝管的 500 mL 三口燒瓶中加入 5 g殼聚糖、100 mL 無水乙醇，置于恒溫水浴中，在78 ℃條件下加熱60 min，然后冷卻至50 ℃，加入1.05 g過硫酸銨、0.35 g亞硫酸氫鈉，攪拌10 min，加入20 g丙烯酰胺，恒溫攪拌4 h。將恒溫水浴調至70 ℃，加入0.24 g氫氧化鈉，后加入2.6 g 2，3-環氧丙基三甲基氯化銨，恒溫攪拌2.5 h，過濾，用丙酮洗滌濾餅數次，100 ℃條件下干燥24 h，得到改性殼聚糖產品。

1.4 復合微球的制備

稱取0.30 g海藻酸鈉于10 mL水中，稱取0.25 g 毒死蜱于5 mL乙醇中，稱取0.25 g改性殼聚糖于5 mL水中。將上述溶液混合，混合后倒入海藻酸鈉溶液中攪拌并超聲 20 min。利用注滴法將上述混合液滴入80 mL 8% CaCl2溶液，滴加速度為50 mL/h，滴加完后繼續攪拌1 h。過濾得到產品，并于50 ℃條件下干燥24 h，得到復合微球，并測得復合微球的載藥量(loading capacity 簡稱LC)[14]。

1.5 空白微球的制備

稱取0.30 g海藻酸鈉于10 mL水中，稱取0.25 g 毒死蜱于5 mL乙醇中，后倒入海藻酸鈉溶液中攪拌并超聲 20 min。利用注滴法將上述混合液滴入80 mL 8% CaCl2溶液，滴加速度為50.0 mL/h，滴加完繼續攪拌1 h。過濾得到產品，并于50 ℃條件下干燥24 h，得到空白微球，并測得復合微球的載藥量。

1.6 復合微球緩釋性能測試[14]

稱取定量(M1，mg)復合微球，轉移至有100 mL 50%乙醇水溶液的錐形瓶中。間隔固定時間(t)，取出5 mL樣品溶液，同時向錐形瓶中補充等體積介質，將5 mL樣品溶液稀釋到50 mL，用紫外分光光度計掃描，毒死蜱隨著時間的累積釋放率為Ri，繪制t-Ri曲線作為毒死蜱的緩釋動力學曲線。

毒死蜱隨著時間的累積釋放率Ri按式(1)進行計算：

(1)

式中：ρi為第i次取出液中毒死蜱的質量濃度(mg/L)。

2 結果與分析

2.1 傅氏轉換紅外線光譜分析(fourier transform infrared spectroscopy，簡稱FTIR)

2.2 熱重分析(thermogravimetric analysis，簡稱TG)

復合微球的第1個熱失重峰出現在110 ℃，失質量率為30%，這是復合微球脫去物理吸附水與結晶水所致。復合微球30%的失質量率較改性殼聚糖以及海藻酸鈉都大，這是由于微球形成后外層的致密空間導致微球內部的水分較難移除。由于海藻酸鈉、毒死蜱與殼聚糖絮凝劑的熱失重峰比較接近，且相互交集，故復合微球的熱失重峰在200～400 ℃區間內的熱失重峰較寬，由多個小峰組成，該區間內總失質量率為31%(圖2)。

2.3 復合微球形貌分析

由圖3-A、圖3-C可知，復合微球的尺寸比較均勻，球型較好。由圖3-B可以看出，微球的球形飽滿、表面光滑，沒有其他微小顆粒的存在。

2.4 緩釋性能分析

由圖4-A可知，隨著離子濃度的增加，緩釋時間延長，緩釋性能提高，這是由于微球表面存在滲透壓，離子濃度越大，滲透壓越大，微球溶脹加劇，微球粒徑變大，藥物滲透擴散到溶液中需要更多的時間，緩釋性能提高。由圖4-B可知，溫度越高，藥物釋放越快。由圖4-C可知，pH值為7時，緩釋效果差于酸性，這是由于H離子滲透到復合微球內部，可與殼聚糖中的氨基發生質子化，使得復合微球內部靜電作用增強，限制藥物的擴散，然而H離子濃度增加，羧酸根離子可結合質子變成羧酸，反而會減弱復合微球內部的靜電作用，使藥物擴散溶液，緩釋能力減弱。由圖4-D可知，與空白微球相比，復合微球緩釋效果更好。

為深入研究復合微球的緩釋行為，根據藥物緩釋的數據，本研究根據Korsmeyer-Peppas動力學模型研究復合微球的緩釋行為。Peppas經驗方程如式(2)所示。分別對圖4中的緩釋數據用式(2)進行擬合，結果如圖5、表1所示。

lgRi=lgk+nlgt。

(2)

式中：Ri為累積釋放率；t為釋放時間；k為常數；n為擴散指數。

由表1可知，擴散指數n基本處于0.5與1.0之間，復合微球的釋藥機制是藥物擴散與藥物溶出同時存在的。由于在制備復合微球的過程中，部分藥物存在于微球外表面，藥物置于溶劑中時，這部分藥物釋放屬于溶解釋放機制。包埋在載體內部的藥物則需要載體溶脹后擴散釋放。

對復合微球、空白微球的釋放率Ri與時間用一級動力學進行擬合，如式(3)所示，結果如表2、圖6所示。復合微球、空白微球的相關系數分別為0.991、0.996，這也進一步說明復合微球的緩釋機制是藥物擴散與藥物溶解同時進行的[15-16]。此外，對比空白微球與復合微球的釋放半衰期，復合微球的半衰期要長于空白微球，因此加入改性殼聚糖能改善空白海藻酸鈉復合微球釋放的不足。

表1復合微球的Peppas方程擬合參數

ln(1-Ri)=-kt。

(3)

表2一級動力學擬合數據表

3 結論

以改性殼聚糖為復合添加劑，毒死蜱為藥物模型，采用擠壓法制備改性殼聚糖/海藻酸鈉/毒死蜱復合緩釋微球。復合微球表面光滑，粒徑分布均勻，其緩釋行為表現出對離子濃度、pH值、溫度的響應，用Korsmeyer-Peppas動力學模型研究緩釋機制并研究緩釋動力學，藥物在微球內釋放以擴散機制為主，溶解機制為輔，釋放行為復合一級動力學模型。

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