CN111450049A

CN111450049A - 一种具有结肠特异性递送的微米水凝胶制备方法

Info

Publication number: CN111450049A
Application number: CN202010395348.0A
Authority: CN
Inventors: 袁彪; 程摇蓝; 曹崇江; 程抒劼; 王志祥
Original assignee: China Pharmaceutical University
Current assignee: China Pharmaceutical University
Priority date: 2020-05-11
Filing date: 2020-05-11
Publication date: 2020-07-28
Anticipated expiration: 2040-05-11
Also published as: CN111450049B

Abstract

本发明公开了一种具有结肠特异性递送的微米水凝胶制备方法，该将葛根素和低甲氧基果胶溶解于去离子水中，搅拌溶解静置去除气泡后用微流控装置水相进样器吸入，油相进样器吸入溶解有司盘80的矿物油，微流控装置切割产生的油包水微米水凝胶由出样口流出后进入含有无水醋酸锌的壳聚糖溶液中，使果胶溶液破乳后与壳聚糖/醋酸锌交联。将微米水凝胶用于葛根素的包埋与释放。该方法制备的微米水凝胶具有结肠特异性释放的作用。

Description

一种具有结肠特异性递送的微米水凝胶制备方法

技术领域

本发明涉及水凝胶制备方法，特别涉及一种具有结肠特异性递送的微米水凝胶制备方法。

背景技术

葛根素在临床上对结肠癌和结肠炎具有良好的治疗效果，但直接口服对胃肠道中的消化酶活性影响较大。

低甲氧基果胶用做结肠靶向药物载体具有巨大的优越性，能被结肠肠道菌群产生的果胶酶特异性水解，从而保护药物不在胃肠道中释放。果胶为一类多聚半乳糖醛酸多糖，低甲氧基果胶一般是从含有高酯果胶的植物原料中生产出来的，酯化度低于50％的果胶。果胶广泛用于化妆品、食品和药物制剂，无毒性，故可用于口服。

微流体技术为水凝胶的制备和研究提供了一种新颖的方法。微芯片由聚二甲基硅氧烷制成，包含三个部分：两个十字形结，三个样品通道和一个更宽的合并通道。在连续相和分散相相交的十字形结处形成油包水液滴，并且在通过合并通道后将液滴收集到壳聚糖溶液中。轻轻搅拌含有液滴的壳聚糖溶液，将油包水液滴破碎，然后果胶和壳聚糖通过静电作用交联成微米水凝胶。

发明内容

发明目的：本发明目的是提供一种具有结肠特异性递送的微米水凝胶制备方法。

技术方案：本发明提供一种具有结肠特异性递送的微米水凝胶制备方法，包括如下步骤：

(1)将葛根素置于无菌蒸馏水中，搅拌至完全溶解，制得葛根素溶液，然后，将低甲氧基果胶放入葛根素溶液中搅拌至水化，制得含葛根素的低甲氧基果胶水溶液，静置去除气泡；

(2)将司盘80加入矿物油后搅拌，静置过夜以去除气泡；

(3)将壳聚糖加入含冰醋酸的水溶液中，搅拌至完全溶解后加入交联剂，制得含醋酸锌的壳聚糖溶液；

(4)将步骤(1)所得的含葛根素的低甲氧基果胶水溶液吸入微流控***的水相进样器，将步骤(2)所制得的矿物油吸入微流控***的油相进样器，通过控制水相和油相的速率来调节微米水凝胶的粒径；

(5)将步骤(4)所得油包水液滴加入到步骤(3)所得的壳聚糖溶液中，低速搅拌以制得包含葛根素的果胶-壳聚糖-交联剂微米水凝胶。

进一步地，所述交联剂为醋酸锌。

进一步地，所述微流控***中芯片的主体结构包括上下两层基片。

进一步地，所述上下两层基片分别为聚二甲基硅氧烷和玻璃材料。

进一步地，所述壳聚糖的浓度为0.2％、0.4％或0.6％。

进一步地，所述低甲氧基果胶水溶液浓度为0.5％、1％、2％、4％或6％。

进一步地，所述微米水凝胶在结肠部位特异性递送葛根素。

有益效果：(1)本发明以果胶和壳聚糖作为主要原料，果胶和壳聚糖是天然多糖，具有良好的生物相容性和可降解性，可以满足口服材料的要求；(2)果胶和壳聚糖对胃和肠道中的酶的抗性，但是能够被结肠菌群产生的酶特异性降解，使基于果胶和壳聚糖的递送***成为结肠特异性递送的最合适选择；(3)本发明采用微流体技术，为水凝胶的制备和研究提供了一种新的创新方法。制备所得的粒径均一的微米水凝胶，在胃肠道中稳定存在，并在结肠中缓慢降解，是结肠特异性递送的最佳选择；(4)本发明对具有抗结肠癌功效的葛根素进行负载和释放，结果表明微米水凝胶不仅具有缓释效果，而且能降低葛根素对胃肠道中起消化作用的蛋白酶的酶活性的抑制作用。

附图说明

附图1为本发明微流控***工作原理示意图；

附图2为本发明葛根素对结肠癌细胞(HCT116)的抑制作用，及对巨噬细胞(RAW264.7)的生物相容性测试结果；

附图3为本发明葛根素对胃蛋白酶和胰蛋白酶的空间结构的影响实验结果；

附图4为本发明形成微米水凝胶的最佳果胶浓度及醋酸锌的影响结果图；

附图5为本发明壳聚糖浓度对水凝胶溶胀性能的影响及空载和负载葛根素的微米水凝胶粒径和电位试验图；

附图6为本发明微米水凝胶对葛根素的包封效率图；

附图7为本发明包封葛根素的微米水凝胶在生理盐水、模拟胃肠道和模拟结肠中的稳定性结果图；

附图8为本发明微米水凝胶的红外光谱和热重分析图；

附图9为本发明微米水凝胶的透射电镜图。

具体实施方式

实验材料：

葛根素购自能源化工(纯度98％；中国上海)。食品级低甲氧基果胶(干基计≥74.0％)，山梨聚糖单油酸酯(CAS：1338-43-8)，石蜡液(CAS：8012-95-1)，果胶酶(CAS：9032-75-1、30000U/g)和壳聚糖(≥95％脱乙酰基，粘度100-200mpa.s)购自麦克林(中国上海)。醋酸锌购自阿拉丁(纯度99％；中国上海)。壳聚糖酶购自源叶生物技术有限公司(上海)。二甲基亚砜(DMSO)，3-(4，5-二甲基2-噻唑基)-2，5-二苯基-2H-溴化四唑(MTT)获自Sigma-Aldrich(美国密苏里州圣路易斯)。

实施例1：葛根素的功能活性、生物相容性及对蛋白酶结构的影响。

(1)将处于对数生长期的结肠癌细胞(HCT116细胞)消化后进行计数，调整细胞初始浓度至1000个/孔和2000个/孔，分别接种到96孔板中，置于5％CO₂培养箱培养24h，将葛根素配制成25、50、100、200、400、800μg/mL的溶液，将葛根素溶液过0.22μm水系滤膜。用移液枪吸出96孔板细胞上清培养液后加入上述葛根素溶液，空白组为不加葛根素溶液的空白完全培养基，继续培养细胞，分别培养72h和48h后用MTT法检测细胞活力。得到细胞存活率分别为图2中(a)和(b)所示，(a)图结果表明HCT116细胞初始浓度为1000个/孔，培养72h时，葛根素浓度越高，细胞抑制率越高，说明葛根素具有较好的结肠癌抑制效果；(b)图结果表明HCT116细胞初始浓度为2000个/孔，培养48h时，随着葛根素浓度越高，细胞抑制率也是增高，说明葛根素也具有较好的结肠癌抑制效果。因此，可以说明葛根素是一种具有良好的结肠癌抑制活性的物质。

(2)将处于对数生长期的RAW264.7收集后进行计数，调整细胞初始浓度至50×10⁴个/mL，分别接种到96孔板中，置于5％CO₂培养箱培养24h，将葛根素配制成25、50、100、200、400、800μg/mL的溶液，将葛根素溶液过0.22μm水系滤膜。用移液枪吸出96孔板细胞上清培养液后加入上述葛根素溶液，空白组为不加葛根素溶液的空白完全培养基，继续培养细胞，培养24h后用MTT法检测细胞活力，得到细胞存活率。如图2中(c)和(d)所示，(c)图结果为在检测波长为490nm处吸光度值，高浓度葛根素作用下的细胞存活率高于90％，说明葛根素具有良好的生物相容性；(d)图结果为在参考波长570nm处吸光值，高浓度葛根素作用下的细胞存活率与不加葛根素的空白对照组相似，都高于90％，说明葛根素具有良好的生物相容性。

(3)在室温下，将胰蛋白酶溶液(2.0mL，0.2mM)分别加入到5mL离心管中，然后在上述离心管中分别添加0、10、20、30、40和50μL1.0mM葛根素溶液。添加葛根素溶液后，将混合物均匀混合，并在2分钟后用紫外分光光度计扫描200nm-350nm处的吸收光谱，得到如图3中(a)所示的梯度浓度的葛根素作用下胰蛋白酶的紫外吸收差谱。并且用荧光分光光度计检测在λ_ex＝295nm的激发波长下，得到如图3中(c)所示的梯度浓度的葛根素作用下胰蛋白酶在300-450nm处的发射光谱。与胰蛋白酶测定方法相似，吸取胃蛋白酶溶液(2.0mL，0.5×10^-2mM)置于离心管中，后加入葛根素溶液并均匀混合。在2分钟后用紫外分光光度计扫描200-300nm的吸收光谱，得到如图3中(b)所示的梯度浓度的葛根素作用下胃蛋白酶的紫外吸收差谱，并且在λ_ex＝295和λ_ex＝278nm的激发波长下，分别检测梯度浓度葛根素作用下胃蛋白酶在300-450nm处的荧光发射光谱如图3中(d)和(e)。紫外吸收光谱和荧光光谱结果表明，葛根素对胰蛋白酶和胃蛋白酶的空间结构有影响，且随着葛根素浓度升高，影响越明显。

实施例2：制备微米水凝胶

(1)将葛根素置于无菌蒸馏水中，搅拌直至完全溶解以制备葛根素溶液(800μg/mL)。之后，将低甲氧基果胶加入葛根素溶液中并搅拌直至完全水化以制备连续相，待低甲氧基果胶完全水化后，静置以去除气泡。通过将壳聚糖置于乙酸溶液(1％w/v)中使其完全溶解来制备壳聚糖溶液。将醋酸锌加到壳聚糖溶液中并搅拌2小时以制备含醋酸锌(5％w/v)的壳聚糖溶液。将山梨糖醇单油酸酯(1％w/v)加入液体石蜡中并搅拌2小时，然后静置过夜以去除气泡用于制备分散相。所有实验均在室温下进行。

(2)使用压力***将连续相和分散相注入微流控芯片中，并使用流量传感器控制流量，流量传感器通过注射器和熔融石英毛细管连接到芯片上，凝胶的大小可以通过控制连续相和分散相的速率来调节。除非另外说明，否则连续相流速为2μL/min，分散相流速为20μL/min，所得的液滴直径约为100μm。使用芯片夹持器将芯片放置在光学显微镜下。在十字形结，聚结通道的入口和出口处记录图像。(微流控***包括分散相入口1、第一连续相入口2、第二连续相入口3、第三连续相入口4、分散相和连续相的十字形结相交处5、合并通道6和磁力搅拌器及其上的烧杯7，分散相切割连续相而形成油包水液滴，用于收集样品。烧杯7内加入醋酸锌-壳聚糖溶液，由于收集微流控***制备的液滴，并在磁力搅拌器下低速搅拌，使得液滴破乳后由静电交联形成微米水凝胶。

见图1)

(3)将不同浓度的低甲氧基果胶水溶液(0.5％，1％，2％，4％和6％)分别与含有醋酸锌的壳聚糖溶液交联以形成样品，并用蒸馏水反复洗涤所得颗粒，直至没有液体石蜡为止，将洗涤后的样品用水稀释。吸取少量样品放在载玻片上，小心地盖上盖玻片，使用配备有数码相机的倒置显微镜观察水凝胶的形态。如图4中(a)、(b)、(c)、(d)和(e)所示，分别为0.5％，1％，2％，4％和6％的低甲氧基果胶与含有醋酸锌的壳聚糖溶液交联形成的微米水凝胶。通过比较微米水凝胶的形态，发现(d)图的微米水凝胶形态最为稳定，从而确定形成微米水凝胶的最佳果胶浓度值为6％。以最佳浓度的果胶与去除醋酸锌的壳聚糖溶液交联来研究醋酸锌对交联结果的影响。结果表明，如图(f)所示，不能形成形态稳定的微米水凝胶。结果表明，6％的果胶溶液与含有醋酸锌的壳聚糖溶液能形成稳定的微米水凝胶。

(4)将不同浓度的壳多糖溶液(0.2％，0.4％和0.6％)包被的微米水凝胶在37℃下以150r/min的速度浸入NaCl溶液(0.9％)中，每1小时用显微镜观察一次微米水凝胶，并用Nano Measurer 1.2软件对至少60个颗粒进行粒度测量。通过比较不同壳聚糖包被的微米水凝胶在37℃范围内的溶胀率，结果如图5中(a)所示，确定了微米水凝胶的最佳壳聚糖浓度为0.6％。

(5)使用Zetasizer Nano-ZS90仪器在2.0-11.0的pH范围内测量水凝胶和负载葛根素的水凝胶的ζ电位，如图5中(d)所示，结果表明微米水凝胶表面带正电荷。使用NanoMeasurer 1.2软件测量未负载微米水凝胶颗粒和葛根素负载微米水凝胶颗粒的粒径分布，如图5中(b)和(c)所示，结果表明负载葛根素的微米水凝胶粒径显著大于空载微米水凝胶。

实施例3：水凝胶对葛根素的包封效率和稳定性研究

(1)使用葛根素标准品，采用高效液相色谱法(HPLC)建立标准曲线，如图6中(a)所示，为葛根素标准品的液相色谱图。果胶酶和壳聚糖酶水解空白对照组和负载葛根素的微米水凝胶样品组，图6中(b)和(c)分别为空白对照组和负载葛根素组的液相色谱图。水凝胶完全水解后，将其通过0.22μm滤膜过滤，并将上清液置于高效液相色谱中以检测葛根素的含量。在本实施例中，使用了带有Tuna C18(2)

250x 4.6mm色谱柱的RP-HPLC***(Agilent1200，中国上海)。使用的柱温为25℃，流动相甲醇与水的比例为1∶3。检测波长设置为250nm，流速为1mL/min。进样量设置为20μL。如图6中(d)所示，结果表明，微米水凝胶对葛根素的包封率为54.1％。

(2)为了研究所制备的微米水凝胶的酶反应特性，在37℃下进行了体外释放实验。负载相同质量的葛根素的微米水凝胶在分别在生理盐水(0.9％NaCl)，模拟胃液(pH2.2)，模拟小肠液(pH 7.2)和模拟结肠液(含有果胶酶和壳聚糖酶)中孵育6小时以研究微米水凝胶在不同介质中的释放，每隔一小时通过RP-HPLC测定上清液中的葛根素含量，每个实验至少重复三遍。如图7中(a)、(b)、(c)和(d)所示，结果表明，负载葛根素的微米水凝胶在生理盐水、模拟胃液和模拟小肠液中较稳定，在结肠液中释放出大量的葛根素。

(3)为了模拟胃肠道的消化条件，首先将载有葛根素的微米水凝胶置于柠檬酸缓冲液(pH 2.2)中2h以模拟胃消化，然后将其转移至柠檬酸缓冲液(pH 7.2)6h模拟小肠消化，最后将果胶酶和脱乙酰壳多糖酶溶解转移至柠檬酸盐缓冲液中2h，以模拟结肠消化。将微米水凝胶在恒温摇床上以150rpm连续搅拌。每1小时通过RP-HPLC测量每个***的葛根素释放量，每个实验至少重复三遍。如图7中(e)所示，结果表明，葛根素在胃和小肠液中有少量的释放，在结肠液中，第一个小时，葛根素快速释放，而后缓慢释放。

实施例4：水凝胶的结构表征

(1)傅里叶红外光谱分析

用傅里叶变换红外分光光度计研究了果胶-壳聚糖-醋酸锌微米水凝胶中葛根素的存在状态及各组分的相互作用力。

通过冷冻干燥制备用于实验的各组分，微米水凝胶的冻干过程是在ChristAlpha1-4冷冻干燥机(Christ，ALPHA 1-4/2-4LD plus，Shanghai)中进行的。在400至4000cm^-1的波数范围内获得了葛根素、空载水凝胶和负载水凝胶的FT-IR光谱，从如图7中(a)所示，负载葛根素的水凝胶的红外光谱不包含葛根素的吸收峰，并且与未负载水凝胶的吸收峰一致，如图8中(a)所示，结果表明，葛根素以游离状态存在于水凝胶的网络结构中。

为了验证微米水凝胶的结构，在400至4000cm^-1的波数范围内获得了各组分的FT-IR光谱，以提供有关参与微米水凝胶形成的化学键的性质的信息。如图7中(b)所示，在1745cm^-1和1648cm^-1处的吸收峰是果胶中甲氧基和羧基的拉伸振动峰。壳聚糖的胺基，酰胺键和氨基的拉伸振动峰分别在1554cm^-1、1632cm^-1和3216cm^-1处吸收。在1553cm^-1和1453cm^-1处的吸收带代表乙酸锌中羧基的对称和不对称拉伸振动。在这项研究中，壳聚糖中的氨基与果胶中的羧基的缩合反应表明锌当发生交联反应时，乙酸盐作为交联剂稳定水凝胶，乙酸锌的作用类似于壳聚糖/海藻酸钠凝胶中钙离子的作用。通过对果胶，壳聚糖，乙酸锌和水凝胶的傅里叶变换红外光谱进行比较，可以发现水凝胶光谱显示了果胶中1755cm^-1的甲氧基的拉伸振动峰。在1100-1150cm^-1附近有较宽的吸收带，可以看到锌中胺基的1553cm^-1伸缩振动峰和醋酸锌中531cm^-1的Zn-O伸缩振动峰。与CN的拉伸振动有关。如图8中(b)所示，结果证明微米水凝胶由静电交联而成。

(2)热特性分析

热重法(TGA)已被广泛用于确认检测到的水凝胶的热稳定性随温度的变化。为了进行TGA分析，将通过微流体技术制备的水凝胶置于离心管中，并进行离心去除蒸馏水，并用于实验。使用热重分析仪TGA-50(日本京都的Shimadzu Corporation)评估了葛根素负载的微米水凝胶的稳定性和热降解。首先，将样品(10mg)在铂盘中以10℃/min的速度在40mL/min的氮气流下加热，并在30至150℃的温度下进行分析。

结果表明，由果胶-壳聚糖-醋酸锌组成的微米水凝胶的重量随着温度的升高而减少。如图8中(c)所示，当温度从32℃升高到120℃，重量发生明显变化，在120℃之后，重量几乎不再变化，在此温度范围内的重量损失与游离水的蒸发相对应，如图8中(c)所示，表明微米水凝胶中的游离水含量为94.36％。

(4)透射电子显微镜

透射电子显微镜(TEM)成像可以为水凝胶提供大量信息。使用CM10透射电子显微镜(HITACHI，H-9500，Japan)观察水凝胶的结构。使用超薄切片(80-100nm金和银)将新鲜制备的水凝胶(10μL)沉积在3.05mm的网格上，多余的水用滤纸吸收并风干以便观察。如图9(a)所示，微米水凝胶均为形状大小较为均一的球形结构，如图9(b)所示，表明微米水凝胶具有密集的核和薄的涂层。图9(c)表明壳聚糖-醋酸锌复合涂层可能是表面聚合物链延伸到水相中，并且可能被认为是颗粒周围的光环。如图9中(d)所示，在模拟结肠液中消化后，球形微米水凝胶被结肠酶水解。由于TEM样品制备的干燥过程，TEM测量的粒径均小于动态光散射收集的流体动力学粒径。

Claims

1.一种具有结肠特异性递送的微米水凝胶制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

(2)将司盘80加入矿物油后搅拌，静置去除气泡；

(4)将步骤(1)所得的含葛根素的低甲氧基果胶水溶液吸入微流控***的水相进样器，将步骤(2)所制得的矿物油吸入微流控***的油相进样器，通过控制水相和油相的速率来调节水凝胶的粒径；

2.根据权利要求1所述的具有结肠特异性递送的微米水凝胶制备方法，其特征在于：所述交联剂为醋酸锌。

3.根据权利要求1所述的具有结肠特异性递送的微米水凝胶制备方法，其特征在于：所述微流控***中芯片的主体结构包括上下两层基片。

4.根据权利要求3所述的具有结肠特异性递送的微米水凝胶制备方法，其特征在于：所述上下两层基片分别为聚二甲基硅氧烷和玻璃材料。

5.根据权利要求1所述的具有结肠特异性递送的微米水凝胶制备方法，其特征在于：所述壳聚糖的浓度为0.2％、0.4％或0.6％。

6.根据权利要求1所述的具有结肠特异性递送的微米水凝胶制备方法，其特征在于：所述低甲氧基果胶水溶液浓度为0.5％、1％、2％、4％或6％。

7.根据权利要求1所述的具有结肠特异性递送的微米水凝胶制备方法，其特征在于：所述微米水凝胶在结肠部位特异性递送葛根素。