紫膠樹脂銨鹽為壁材的微膠囊制備及性能研究

陳奇，張弘，孫彥琳，鄭華，張雯雯，李凱，徐涓，李坤

(1.中國林業科學研究院資源昆蟲研究所，云南 昆明 650224；2.河北化工醫藥職業技術學院 化學與環境工程系，河北 石家莊 050026；3.昆明理工大學 化學工程學院，云南 昆明 650500)

紫膠是一種珍貴的昆蟲基天然樹脂混合物[1-3]，主要由紫膠樹脂、紫膠蠟和紫膠紅色素組成[4]。紫膠樹脂具有良好的成膜、抗鹽霧、抗鹽漬等特性，廣泛應用在食品、醫藥、化妝品等領域[5-7]。紫膠樹脂作為藥物包衣早有報道[8]，但隨著合成聚合物材料的迅猛發展，紫膠樹脂這一傳統用途正在被逐漸替代[9]。溶劑限制是造成這一現狀的原因之一，紫膠樹脂通常只能溶解在少數有機溶劑中，有機溶劑的使用不僅受到毒理性限制，且干燥困難，膜厚難以有效控制，易造成產品間性能差異，不夠穩定[10]。以水替代有機溶劑是紫膠樹脂應用的理想介質，因此，親水性改性始終是紫膠樹脂的研究熱點之一[11-13]。由于紫膠樹脂結構中含有游離羧基，采用強堿將紫膠樹脂離子化是增強其親水性的最簡便、有效的方式，已有學者進行過探索[14]，作者亦進行過類似嘗試，并取得了良好的效果[15]。然而，以紫膠樹脂鹽為包衣材料的相關性質和性能研究還未見報道，在前期研究基礎上，進一步開展了以紫膠樹脂銨鹽為壁材的微膠囊制備方法和性質的研究，以期為紫膠樹脂在親水性被膜材料中的應用提供參考和依據。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

顆粒紫膠，昆明西萊克生物科技有限公司；異丙醇、石油醚、濃硫酸、無水乙醇、液體石蠟均為分析純；紅霉素，分析標準品(純度>98%)；胃蛋白酶(豬胃源≥3 000 U)；胰蛋白酶(牛胰腺源，≥4 500 U)；紫膠樹脂。

TP-214型電子天平；Purelab Ultra超純水儀；C-MAG HS 7 加熱磁力攪拌器；HH-8數顯恒溫水浴鍋；CPC-505電導率儀；DSX-90數顯攪拌機；HG101-2A電熱鼓風干燥箱；Tensor-27傅里葉紅外光譜儀；DSC200F3差示量熱掃描儀；T25 digital高速剪切乳化機；DU800紫外分光光度計。

1.2 實驗方法

1.2.1 紫膠樹脂鹽的制備方法 紫膠樹脂參照文獻[16]中的方法進行提純、精制。紫膠樹脂鈉鹽的制備按照文獻[14]中方法進行，紫膠樹脂銨鹽的制備方法按照文獻[15]中方法進行。

1.2.2 紅霉素-紫膠樹脂銨鹽微膠囊制備 紅霉素微膠囊參照文獻[17]中乳化-固化法進行。將適量紅霉素分散于50 mL濃度10%(w/w)的紫膠樹脂銨鹽溶液中，3 000 r/min高速分散10 min。量取150 mL液體石蠟，加入少量span-80作為乳化劑，在50 ℃恒溫水浴下攪拌20 min，直至乳化劑完全溶解。將紅霉素紫膠樹脂銨鹽溶液一次性倒入液體石蠟中，以10 000 r/min高速剪切乳化20 min。在機械攪拌下，加入0.2 mol/L硫酸50 mL，固化 15 min。將其放入5 ℃的冰水中，當體系溫度降至10 ℃以下時，加入75 mL 異丙醇，攪拌脫水2 h，同時可部分去除微膠囊表面的紅霉素。脫水結束后進行抽濾，先用石油醚對溶液進行稀釋，待液體石蠟抽干后，先后用石油醚和去離子水多次洗滌，去除少量殘留石蠟和硫酸，得到褐色粉末狀固體微球，即為包裹紅霉素的微膠囊。

1.2.3 紅霉素-紫膠樹脂銨鹽微膠囊載藥率測定

1.2.3.1 紅霉素乙醇溶液標準曲線的繪制[18]精確稱量紅霉素標準品100 mg，用約30 mL無水乙醇溶解在小燒杯中。倒入100 mL容量瓶中，用少量無水乙醇沖洗燒杯3次，洗液轉入容量瓶中，無水乙醇定容，配制的紅霉素無水乙醇溶液濃度為1 000 μg/mL。精密吸取紅霉素無水乙醇溶液2，4，6，8，10，20 mL，分別放入100 mL容量瓶中，無水乙醇定容，得濃度分別為20，40，60，80，100，200 μg/mL的紅霉素無水乙醇標準液。精密吸取標準液各5 mL，加入5 mL 75%硫酸，混勻顯色，放置冷卻至室溫。用紫外分光光度計在200～800 nm進行全波長掃描，結果在482 nm處顯示出明顯的特征吸收峰(見圖1)。以無水乙醇和硫酸的混合液為參比液，在482 nm波長處分別測定各溶液的吸光度值。以紅霉素乙醇溶液的吸光度值為橫坐標，以紅霉素溶液濃度為縱坐標繪制標準曲線，見圖2。進行線性擬合，得方程y=7.295 4x-0.330 8，擬合度R2=0.999 8，說明方程擬合度較高，能準確反映溶液中紅霉素含量與吸光度值之間的關系。

圖1 紅霉素-75%硫酸顯色后的全波長掃描圖Fig.1 The full wavelength scanning image of erythromycincolored by 75% sulfuric acid solution

圖2 紅霉素在乙醇溶液中標準曲線Fig.2 The standard curve of erythromycin dissolved in ethanol

1.2.3.2 紅霉素-紫膠樹脂銨鹽微膠囊載藥率測定[19]精確稱量紅霉素-紫膠樹脂銨鹽微膠囊和未載藥的紫膠樹脂銨鹽微球各0.5 g，分別放入燒杯中，將其溶解在50 mL無水乙醇中，密封、磁力攪拌、過夜。將溶液轉移至100 mL容量瓶中，用無水乙醇沖洗燒杯3次，定容后準確移取上述溶液各10 mL，無水乙醇定容至100 mL。準確移取上述溶液5 mL，加入5 mL 75%硫酸，混勻顯色，放置冷卻至室溫。以未載藥的紫膠樹脂銨鹽微球無水乙醇溶液和硫酸的混合液為參比，在482 nm的波長處測定溶液的吸光度值。測得在482 nm處吸光度值為0.860 6，根據標準曲線計算得出0.5 g微膠囊中含有紅霉素5.948 mg，載藥率為1.19%。

1.3 紅霉素-紫膠樹脂銨鹽微膠囊表征

1.3.1 SEM測定 取適量紅霉素-紫膠樹脂銨鹽微膠囊樣品，使其均勻鋪展在1 cm×0.5 cm的導電膠上，噴金60 s。調整導電支架至適當位置，待真空度達標后，開始對焦成像并放大至所需倍數。

1.3.2 DSC曲線測定 取紫膠樹脂、紫膠樹脂銨鹽和紅霉素-紫膠樹脂銨鹽微膠囊各5～10 mg，放入鋁制小坩堝中，封壓放入DSC測量儀中。測量溫度范圍20～250 ℃，以10 ℃/min 升溫速率加熱。使用液氮為降溫介質，加熱過程均以高純N2為吹掃氣和保護氣。

1.3.3 FTIR測定 將微膠囊樣品、紅霉素標準樣品以及紫膠樹脂銨鹽樣品分別與KBr混合，研磨成細粉，用油壓機以10 MPa的壓力進行壓片，將壓片放在樣品架，掃描范圍4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1。

1.4 紅霉素-紫膠樹脂銨鹽微膠囊在模擬人體胃、腸環境緩釋性研究

1.4.1 模擬人體胃腸液配制[20]

1.4.1.1 模擬人工胃液配制 配制濃度1 mol/L 的稀鹽酸。取16.4 mL鹽酸，用去離子水稀釋至800 mL，加入10 g 胃蛋白酶，混勻，用去離子水稀釋定容至1 000 mL。

1.4.1.2 模擬人工腸液配制 稱取磷酸二氫鉀6.8 g，溶解在500 mL去離子水中。用0.1 mol/L氫氧化鈉溶液調節pH值至6.8。稱取10 g胰蛋白酶，用去離子水溶解，倒入緩沖液中，用去離子水定容1 000 mL。

1.4.2 在模擬人體胃、腸環境緩釋性實驗 稱取紅霉素-紫膠樹脂銨鹽微膠囊0.5 g，分別加入100 mL模擬胃液和165 mL模擬腸液以及對照組去離子水中。模擬胃液組使用恒溫搖床在37 ℃環境溫度下以130 r/min恒溫振蕩70 min，以模擬人體胃環境蠕動；模擬腸液組使用恒溫搖床在37 ℃環境溫度下，以45 r/min恒溫振蕩120 min以模擬人體腸環境蠕動。做3組平行實驗，取平均值。

每10 min抽取試驗樣品5 mL，用乙醇稀釋至100 mL。取5 mL乙醇稀釋液加入5 mL濃度75%的硫酸進行顯色，用紫外分光光度計以相應模擬胃液或者模擬腸液以及去離子水作為背景，測定其在482 nm處的吸光度值，對照標準曲線測得紅霉素釋放量，繪制釋放曲線。

2 結果與討論

2.1 紅霉素-紫膠樹脂銨鹽微膠囊表征

2.1.1 掃描電鏡分析 由圖3可知，紅霉素-紫膠樹脂銨鹽微膠囊均為球形顆粒，粒徑均勻，為6～10 μm，微球結構圓整；微膠囊外表面致密光滑，基本無凹陷。綜上可知，微膠囊的結構較為完整，對芯材的包裹效果較為理想。

圖3 紅霉素-紫膠樹脂銨鹽微膠囊SEM成像Fig.3 SEM image of erythromycin-shellac ammoniumsalt microcapsules

2.1.2 DSC分析 紫膠樹脂、紫膠樹脂銨鹽、紅霉素-紫膠樹脂銨鹽微膠囊的DSC曲線見圖4。

圖4 紅霉素-紫膠樹脂銨鹽微膠囊的DSC曲線Fig.4 DSC curves of erythromycin-shellac ammoniumsalt microcapsules

由圖4可知，由于紫膠樹脂組分較為復雜，紫膠樹脂熔融曲線有明顯的肩峰，且熔程較寬；因此為準確起見，均以熔融峰值溫度進行比較。紫膠樹脂、紫膠樹脂銨鹽、微膠囊熔融峰值溫度分別為62.3，78.8，68.2 ℃，紫膠樹脂銨鹽明顯高于紫膠樹脂，這是由于成鹽后紫膠樹脂銨鹽的結晶性明顯增強，分子間排列更趨于有序，以離子鍵為代表的分子間作用力明顯增強。而微膠囊的峰值溫度在紫膠樹脂與紫膠樹脂銨鹽之間，這是由于在以紫膠樹脂銨鹽制備紅霉素微膠囊的過程中，硫酸加入時膠囊微球表面紫膠樹脂銨鹽迅速被酸化并析出，成為致密的紫膠樹脂膜，從而對芯材形成質密的封裝作用。因此，相對紫膠樹脂銨鹽，微膠囊表面膜層為紫膠樹脂，故而其熔融溫度相對紫膠樹脂銨鹽會有一定幅度降低，但就作為藥用微膠囊壁材來看，68.2 ℃的熔融溫度能夠滿足多數普通耐受環境和溫度。

2.1.3 FTIR分析 見圖5。

圖5 紅霉素-紫膠樹脂銨鹽微膠囊的FTIR譜圖對比Fig.5 Comparison of FTIR spectrogram of erythromycin-shellacammonium salt microcapsulesA.紅霉素；B.紫膠樹脂；C.紫膠樹脂銨鹽；D.紫膠樹脂銨鹽微膠囊

2.2 紅霉素-紫膠樹脂銨鹽微膠囊緩釋性

由于人體胃環境為強酸性環境，pH值約為 1.0，以紫膠樹脂銨鹽為壁材的微膠囊遇酸表面可形成一層致密的紫膠樹脂保護膜，保護芯材不被胃酸破壞或者可以控制一些對胃有刺激性的芯材在胃環境中的釋放，這在一定程度上保持了微膠囊的疏水性；而在人體腸道內接近中性的環境下，微膠囊表面的紫膠樹脂又容易發生溶脹，可促使微膠囊內部的紫膠樹脂銨鹽溶解，故紫膠樹脂銨鹽又使微膠囊保持了較好的親水性。這種親水-疏水作用是微膠囊壁材層層剝離，均勻釋放的有力保障。

2.2.1 在模擬人體胃環境緩釋性 由圖6可知，在模擬人體胃環境中紅霉素的釋放量極低，在70 min的實驗時間內，0.5 g微膠囊中紅霉素的釋放量為123.01 μg，釋放率僅為2.07%。其原因是紫膠樹脂銨鹽-紅霉素微膠囊在模擬胃酸的酸性環境中，在微膠囊表面形成了一層致密的紫膠樹脂保護膜[15]，有效地阻礙了胃酸與微膠囊芯材的接觸，從而達到保護芯材的作用。這說明在對酸敏感，遇酸易失活或對胃有刺激性的藥物應用中，紫膠樹脂銨鹽是較好的壁材選擇之一。

圖6 紅霉素-紫膠樹脂銨鹽微膠囊在模擬人體胃環境的累積釋放曲線Fig.6 The accumulative release curve of erythromycin-shellacammonium salt microcapsules in the simulative stomach conditions

2.2.2 在模擬人體腸環境緩釋性 在前期研究中，紫膠樹脂銨鹽表現出了在弱酸環境下較為良好的溶解溶脹性質[15]。使其在作為微膠囊壁材時，可以在人體腸環境中達到對藥物的控釋和緩釋。圖7a為紅霉素-紫膠樹脂銨鹽微膠囊在模擬人體腸環境中的釋放曲線。

圖7 紅霉素-紫膠樹脂銨鹽微膠囊在模擬人體腸環境中的累積釋放曲線Fig.7 The accumulative release curve of the release curve oferythromycin-shellac ammonium salt microcapsules in thesimulative intestine conditions

由圖7a可知，在溶解初期10 min內，紫膠樹脂銨鹽微膠囊顯示出一個突釋的過程，原因可能是部分粒徑較小的微膠囊在pH 6.8環境下迅速溶蝕，導致其裹挾的紅霉素快速釋放至腸液中；而且微膠囊外表面積較內核有更大的體積，因此在初步溶蝕的過程中，其釋放的紅霉素更多，故在前10 min內體現出突釋的假象；而后期則是膠囊的逐層溶蝕，釋放特性更加線性、平穩，圖7b，10～120 min內，紅霉素累積釋放量隨時間變化的線性關系良好，R2=0.996 5。總體來看，在120 min內，紅霉素釋放量達到79.75%，沒有藥物突釋點，而是隨著溶解時間的增加，藥物釋放量顯示出緩慢上升的趨勢。這可能是由于在制備紫膠樹脂銨鹽時經過酸洗，表面形成了一層紫膠樹脂膜，在弱酸性環境下紫膠樹脂膜有輕微的溶脹，可以維持微膠囊的形態、結構不被破壞，使其不至于快速崩解，從而達到控制藥物在微膠囊內部的擴散，隨著表層紫膠樹脂的溶脹，藥物緩慢的釋放到人體腸環境中，有利于人體對藥物的吸收和長時間保持藥效的作用。

3 結論

(1)通過乳化-固化法制備了紫膠樹脂銨鹽-紅霉素微膠囊，結構圓整，呈現均勻的球狀，粒徑在6 μm左右，并且粒徑分布相對均勻。

(2)微膠囊的壁材良好的保持了紫膠樹脂銨鹽的熱性質。壁材紫膠樹脂銨鹽對紅霉素芯材形成了良好的包覆，且芯材與壁材均未發生明顯化學反應。

(3)紅霉素藥物濃度與其吸光度間的線性關系可表示為y=7.295 4x-0.330 8，微膠囊載藥率1.19%。在模擬體胃環境中，70 min內，紅霉素釋放率僅為2.07%；模擬體腸環境中，微膠囊能夠在10～120 min內實現紅霉素藥物的均勻釋放，釋藥率達到79.75%。綜上所述，紫膠樹脂銨鹽是一種性質良好、天然、無毒的藥物腸包衣材料，具有作為天然藥物包衣材料開發的良好潛力。