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  山东大学学报(工学版)  2016, Vol. 46 Issue (3): 106-111  DOI: 10.6040/j.issn.1672-3961.0.2015.395
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引用本文 

李成峰, 刘群, 王文浩, 王百威, 杨赞中. 亚甲基蓝自二氧化硅@磷酸八钙载药颗粒的释放行为[J]. 山东大学学报(工学版), 2016, 46(3): 106-111. DOI: 10.6040/j.issn.1672-3961.0.2015.395.
LI Chengfeng, LIU Qun, WANG Wenhao, WANG Baiwei, YANG Zanzhong. Investigation of the release behavior of methylene blue from silica@octacalcium phosphate as drug carrier[J]. Journal of Shandong University(Engineering Science), 2016, 46(3): 106-111. DOI: 10.6040/j.issn.1672-3961.0.2015.395.

基金项目

山东省自然科学基金资助项目(ZR2013EML008，ZR2012EMM016); 山东省高等学校科技计划资助项目(J11LD52); 山东省科技发展计划资助项目(2014GZX201008)

作者简介

李成峰(1979— )，男，山东青州人，副教授，博士，主要研究方向为生物医用材料. E-mail: cfli@sdut.edu.cn

文章历史

收稿日期：2015-12-02
网络出版时间：2016-05-09
Contents              Abstract              Full text              Figures/Tables              PDF
亚甲基蓝自二氧化硅@磷酸八钙载药颗粒的释放行为
李成峰, 刘群, 王文浩, 王百威, 杨赞中     
山东理工大学材料科学与工程学院, 山东 淄博 255049
收稿日期：2015-12-02 ；网络出版时间：2016-05-09
基金项目：山东省自然科学基金资助项目(ZR2013EML008，ZR2012EMM016); 山东省高等学校科技计划资助项目(J11LD52); 山东省科技发展计划资助项目(2014GZX201008)
作者简介：李成峰(1979— )，男，山东青州人，副教授，博士，主要研究方向为生物医用材料. E-mail: cfli@sdut.edu.cn
摘要： 采用改性的Pechini方法在含亚甲基蓝(methylene blue, MB)的二氧化硅颗粒(silica-MB)表面沉积磷酸八钙(octacalcium phosphate, OCP)后制备得到silica-MB@OCP,研究制备工艺条件对载药颗粒的结构、药物释放行为和载体降解性能的影响规律。研究发现聚乙二醇(polyethylene glycol, PEG)的分子量、PEG和柠檬酸的添加量对载药颗粒的物相、化学组成和形貌有显著影响。MB释放量和单体/二聚体的比例随时间的变化规律都对载药颗粒的结构和溶液pH值条件敏感,这与MB分子扩散行为受OCP壳层的结构和溶液条件影响有关。相比于silica-MB, silica-MB@OCP在磷缓冲液和lysosome-like缓冲液中的降解比例要高得多,这是由于MB扩散行为对颗粒结构的破坏产生显著影响导致的。
关键词: 亚甲基蓝    二氧化硅    磷酸八钙    药物缓释    降解    
Investigation of the release behavior of methylene blue from silica@octacalcium phosphate as drug carrier
LI Chengfeng, LIU Qun, WANG Wenhao, WANG Baiwei, YANG Zanzhong     
School of Materials Science and Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, Shandong, China
Abstract: A modified Pechinni method was employed to synthesize the drug carrier of silica-MB@OCP, which was achieved through deposition of octacalcium phosphate (OCP) on MB-loaded silica particle (silica-MB). The influences of reaction conditions on structural evolution of drug carrier, modulation of release behaviors and decomposition of drug vehicle were studied. The phase, chemical constitution and morphology of silica-MB@OCP were significantly influenced by the molecular weight of polyethylene glycol (PEG), adding amount of PEG and citric acid. The variations of the cumulative release and the ratio of monomer versus dimers of MB with time were sensitivity with the structure of silica-MB@OCP and the pH value of culture solution, which influenced the diffusion of MB. In comparison with those of silica-MB, the degradation ratios of silica-MB in phosphate buffered saline and lysosome-like buffer were much higher as a result of the influence of MB diffusion on the destruction of drug carrier.
Key words: methylene blue    silica    octacalcium phosphate    sustained-release behavior    degradation    
0 引言

由于具有表面亲水性、表面结构反应性和独特的化学结构,二氧化硅和磷酸钙作为药物载体受到广泛关注[1-2],其主要以表面吸附、内部包裹或介孔结构吸附的形式将药物分子装载至载体中[3-9]。药物分子的释放行为受载体的结构、外部环境和分子间作用机制来调控,如介孔二氧化硅的表面封孔分子可以在外界信号(如还原物质[3]、pH值[5-6]或酶[7])响应后药物获得释放,但当药物分子以聚集态形式释放时,封孔分子的调控效果并不十分显著,因为开孔反应后封孔分子在释放介质中链段构象较自由,其位阻作用对不同尺寸的药物分子的约束能力差别较小,此时药物分子的单体、二聚体及多聚体的释放调控上有局限性,而药物分子,如亚甲基蓝(methylene blue,MB)的分子聚集形态对药物溶解性能、体内吸收效率和治疗效果的实现具有显著的影响[10-11]。文献[8-9]报道了在二氧化硅颗粒表面沉积磷酸钙的制备方法,并研究了复合颗粒的载药性能及其药物释放行为的规律,但反应条件、载体结构和溶液环境之间的规律及其对亚甲基蓝的释放行为、单体和二聚体的调控以及颗粒降解性能方面没有进行深入研究。本研究将在不同反应条件下制备载药颗粒,系统地研究反应条件与载体结构、药物释放行为和载体降解之间的规律。所获得的结论可为药物载体结构的实现、药物释放行为的调控及载体降解行为的研究提供参考。

1 实验材料与方法 1.1 样品制备

本研究所使用的化学试剂均为化学纯。用Stber法制备含MB(天津市登科化学试剂有限公司)的二氧化硅(silica-MB)颗粒[9, 12-14]:在92.00 mL乙醇(天津市北辰方正试剂厂)、17.20 mL去离子水和2.48 mL质量浓度为25％的氨水(烟台市双双化工有限公司)中加入0.10 g MB,搅拌均匀后再加入3.44 mL正硅酸乙酯(TEOS,天津市博迪化工股份有限责任公司),反应3 h后离心洗涤,并将胶体重新分散在10.00 mL乙醇中,获得silica-MB胶体溶液。再用改进的Pechini工艺方法[9, 12-14]制备含亚甲基蓝的二氧化硅@磷酸八钙(octacalcium phosphate,silica-MB@OCP)颗粒(见图 1):将4.50 g一水合柠檬酸(citric acid,CiA,天津市登科化学试剂有限公司)溶解在含46.1 mL乙醇和138.3 mL水的混合溶液中(乙醇与水体积比=1∶3),再加入2.48 g四水硝酸钙(天津市博迪化工股份有限公司)和0.85 g磷酸氢二铵(天津市博迪化工有限公司),搅拌使其溶解后用质量浓度为25％的氨水调节溶液的pH值至9.0,再加入9.22 g分子量为400 g/mol的聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG400,天津市巴斯天化工有限公司),搅拌1 h后加入silica-MB胶体溶液,反应3 h后离心并经乙醇洗涤后在40 ℃下干燥12 h,制备得到silica-MB@OCP400。为研究反应条件对silica-MB@OCP结构与性能的影响,只改变PEG分子量、PEG和CiA的添加量制备得到载药颗粒,反应条件如表 1所示。

图 1 silica-MB@OCP颗粒的结构示意图 Figure 1 Schematic illustration of the structure of silica-MB@OCP
表 1 样品的反应条件(PEG分子量(MW)、PEG和CiA添加量)、晶粒大小和MB装载量 Table 1 Synthesis conditions (molecular weight of PEG (MW),addition of PEG and CiA),crystallite size and loaded MB of samples
1.2 结构表征与性能测试

用德国Brucker公司D8 ADVANCE型多晶X射线衍射仪(X-ray diffractometer,XRD)分析样品的物相(铜靶,扫描范围(2θ)为5°～80°,扫描速度为0.1°min-1)。用荷兰FEI公司Sirion 200型扫描电子显微镜(scanning electron microscopy,SEM)表征颗粒的组织和形貌。用美国Thermo Electron公司Nicolet 5700型Fourier变换红外光谱仪(Fourier transform infrared spectrometer,FTIR,扫描范围为400～4 000 cm-1,扫描步长为2 cm-1,采用KBr压片制样)检测颗粒的化学基团。用紫外-可见分光光度计(北京普析通用仪器公司,TU1901)来测定在37 ℃下pH值为7.4的磷酸盐缓冲液(phosphate buffered saline,PBS)和lysosome-like缓冲液(pH=4.7,含4.4 mM柠檬酸和5.6 mM柠檬酸三钠(济南市化工研究所)的水溶液)中自载药颗粒中释放出的MB在波长为664 nm(MB单体)和610 nm(MB二聚体)处的吸光度随时间的变化情况,以表征MB的释放行为。用质量浓度为26％的氢氟酸、质量浓度为50％的乙醇和质量浓度为24％的去离子水的溶液腐蚀载药颗粒后测定MB在664 nm处的吸光度来确定载药颗粒的载药量[15]。

2 结果与讨论 2.1 物相分析

图 2为样品的XRD谱图,在2θ=22°左右宽化峰为非晶态二氧化硅的特征峰[15],而图 2(c)~(i)出现的衍射峰与OCP(图 2(a),JCPDS＃26-1056)完全匹配,在2θ=5°左右的峰是OCP的(010)特征衍射峰,其宽化是由于晶粒较小所致。由Scherrer公式(thkl=Kλ/(βhklcos θ),K=0.89,λ=0.154 06 nm,βhkl为(010)衍射峰的半高宽)可计算得到OCP的晶粒大小,如表 1所示。随CiA和PEG添加量的增加,OCP晶粒变小,这表明CiA和PEG的加入量会对OCP结晶行为产生影响[16]。

图 2 样品的XRD谱图 Figure 2 XRD patterns of samples
2.2 SEM表征

图 3为样品的SEM照片。如图 3(a)所示,在Stber方法中反应3 h后制备的silica-MB颗粒呈球形,颗粒尺寸的均匀性高于反应4 h所制得的silica-MB[8-9]。在反应溶液中带正电MB离子会与带负电荷的正硅酸乙酯的水解产物-硅醇之间产生静电作用,正硅酸乙酯的水解和缩聚反应被促进的同时MB也被吸附在二氧化硅颗粒内部。如图 3(b)~(h)所示,silica-MB@OCP呈球形且分散性好,PEG的分子量和CiA添加量对颗粒大小有显著的影响,silica-MB@OCP6000、silica-MB@OCP2000-CiA1和silica-MB@OCP2000-CiA3颗粒明显大于silica-MB。在Pechini方法中,如图 1所示,CiA作为螯合剂与Ca2+离子结合,调节溶液的pH值达到9.0时Ca2+、PO43-和HPO42-离子发生反应生成OCP,当加入PEG和silica-MB后,作为网络交联剂的PEG与CiA和silica-MB发生络合作用并在silica-MB表面形成磷酸八钙包覆层[9, 12-14]。

图 3 样品的SEM照片 Figure 3 SEM characterization of samples
2.3 红外光谱(FTIR)分析

对于silica-MB(图 4(a)),在1 095.2、798.0和468.6 cm-1处出现的峰值分别对应于Si—O—Si的反对称吸收峰、对称伸缩振动峰和弯曲振动峰[17],在3 412.6 cm-1出现的振动峰是表面吸附水的伸缩振动吸收峰,而在1610.4、1395.2和1332.6 cm-1处的吸收峰分别对应于MB环的振动峰、C—N的伸缩振动峰和环上—CH3的对称伸缩振动峰[18]。对于silica-MB@OCP2000(图 4(c)),位于1 575.6和1 541.7 cm-1的振动峰分别是柠檬酸根中羧基的对称伸缩吸收峰和不对称伸缩振动峰,两峰值差(约33.9 cm-1)小于自由羧基的188 cm-1,表明羧基通过双齿形的方式与OCP颗粒结合[19]。磷酸盐对称收缩振动和弯曲振动吸收峰分别出现在950.1、604.7和540.0 cm-1处[9]。与silica-MB比较,随着制备silica-MB@OCP的PEG分子量和PEG添加量变化,MB环的振动峰和C—N伸缩振动峰发生移动(图 4(b)-(f)),这可能是OCP壳层与MB分子之间产生相互作用力所致。CiA添加量的变化导致颗粒表面吸附水的伸缩振动峰发生移动(图 4(g)和(h)),这是因为水与壳层网络结构之间的结合程度发生变化,即与水产生氢键结合的密度发生改变[20]。

图 4 样品的FTIR光谱 Figure 4 FTIR spectra of samples
2.4 MB释放性能研究

与silica-MB相比,MB的装载量在经Pechini方法制备silica-MB@OCP的过程中并未大幅度降低,如表 1所示。如图 5所示,亚甲基蓝自silica-MB和silica-MB@OCP中释放的行为则表现出缓释和pH值敏感的特点。对silica-MB而言,在PBS中72 h后MB释放出8.31％(图 5(a)),而在lysosome-like缓冲液中72 h后则释放出14.67％(图 5(b)),这种pH值敏感的释放行为与MB和二氧化硅之间的静电作用机制有关,即在酸性溶液中H+离子扩散至内部并与二氧化硅之间发生质子化反应(硅酸的pKS1m=9.8[21]),大大降低了MB与二氧化硅之间的静电结合力,从而使MB在lysosome-like缓冲液中的释放量增大。

图 5 MB自载药颗粒中释放的比例 Figure 5 The cumulative release of MB from samples

与silica-MB相比,MB自silica-MB@OCP中释放行为随pH值变化的趋势则相反。以silica-MB@OCP400为例,在PBS中72 h后释放出20.40％(图 5(a)),而在lysosome-like缓冲液中72 h后仅释放出15.63％(图 5(b)),这可能与OCP壳层内柠檬酸根(pKa=3.13,4.76和6.40[16])发生质子化后对MB+离子的释放促进作用逐渐减低有关。另外,MB自silica-MB@OCP中释放行为还敏感于颗粒的结构,特别地,如图 5(a)和图 5(b)所示,MB的释放速度随PEG分子量的增加而逐渐降低,这与CiA、OCP和PEG所形成的网络结构有关,即PEG分子量越大,网络内键合密度越大,对MB由内而外的扩散产生的位阻作用越明显。

图 6为自载药颗粒中释放出的MB单体与二聚体吸光度比值(A664/A610)随时间的变化规律行为。如图 6所示,MB分子的A664/A610值随浸泡时间的延长而逐渐降低,单体和二聚体自silica-MB和silica-MB@OCP的释放行为对溶液环境(pH值)和颗粒结构敏感。在弱酸性的lysosome-like溶液中,MB分子更倾向于聚合并生成二聚体分子,故A664/A610的比值要低于其在PBS溶液中的数值。silica-MB中MB单体分子尺寸小且扩散速度快,但随着时间的延长二聚体分子也不断扩散出来,致使A664/A610的比值逐渐降低(图 6(a))。而对silica-MB@OCP而言,OCP壳层内PEG和CiA分子对MB单体和二聚体的扩散产生约束,致使释放出MB单体数量远高于自silica-MB中释放出的数量,随着时间的延长,MB二聚体释放的数量逐渐增加使A664/A610的比值逐渐降低(图 6(b))。

图 6 自载药颗粒中释放出的MB单体与二聚体吸光度比值随时间的变化规律行为 Figure 6 The variation of the ratio of A664/A610 of MB released from drug carrier with time
2.5 降解性能研究

若载药颗粒完成释放药物的功能后能够被排出体外则说明药物载体具有降解性能[22-25]。silica-MB在PBS和lysosome-like缓冲液中浸泡72 h后降解率分别为37.4％和43.6％,silica-MB颗粒大小在PBS溶液中降解72 h后几乎不发生变化(图 7(a)),而在lysosome-like缓冲液中颗粒粒径明显增大(图 7(c)),且降解率更高,这种伴随着MB不断释放而发生的由内而外的降解现象与之前的研究报道一致[1, 9]。相对而言,在PBS中silica-MB@OCP2000浸泡24、48和72 h时的降解率分别达到14.5％、40.3％和62.1％,而在lysosome-like缓冲液中,其在24、48和72 h的降解率分别高达25.6％、65.2％和71.8％,这说明OCP包裹层对颗粒的降解过程有明显的诱导作用,使由内而外的降解(图 7(b)和(d))速度有较大提高。

图 7 样品在缓冲液中浸泡72 h后的SEM照片 Figure 7 SEM characterization of samples after 72 h of culture in PBS (a,b) and lysosome-like buffer (c,d)
3 结论

本研究采用改性的Pechini方法在silica-MB表面沉积OCP壳层后制备得到silica-MB@OCP载药颗粒,其物相、化学组成和形貌随PEG的分子量、PEG和CiA的添加量的变化而变化,这是因为在OCP结晶过程中药物分子、PEG和CiA对OCP的结晶过程产生影响所致。在缓冲溶液中,MB分子的扩散行为受到颗粒结构和溶液pH值条件的影响,使MB释放数量和单体/二聚体比例随时间的变化受到OCP壳层的结构和溶液条件的影响。这是由于药物与壳层、壳层之间各种离子的静电作用、氢键以及所形成的空间网络位阻所致。silica-MB @OCP在缓冲液内的降解比例要远高于silica-MB,这主要是因为OCP壳层对MB分子的扩散行为产生了显著影响,致使降解速度明显提高。所获得的结论对药物载体的制备、药物分子聚集态的调控和药物颗粒的降解行为研究提供有益参考。

参考文献
[1] ZHANG S, CHU Z, YIN C, et al. Controllable drug release and simultaneously carrier decomposition of SiO2-drug composite nanoparticles[J]. Journal of the American Chemical Society,2013, 135 (15) : 5709-5716. (0)
[2] 张爱娟, 高增丽, 王卫伟, 等. 有机泡沫浸渍法制备多孔羟基磷灰石生物支架的研究[J]. 山东大学学报(工学版),2012, 42 (3) : 105-111.
ZHANG Aijuan, GAO Zengli, WANG Weiwei, et al. Study of the porous hydroxyapatite scaffold prepared by dipping with polymer foams[J]. Journal of Shandong University (Engineering Science),2012, 42 (3) : 105-111. (0)
[3] LAI C Y, BRIAN G T, DUSAN M J, et al. A mesoporous silica nanosphere-based carrier system with chemically removable CdS nanoparticle caps for stimuli-responsive controlled release of neurotransmitters and drug molecules[J]. Journal of the American Chemical Society,2003, 125 (15) : 4451-4459. (0)
[4] GAI S L, YANG P P, LI C X, et al. Synthesis of magnetic, up-conversion luminescent, and mesoporous core-shell-structured nanocomposites as drug carriers[J]. Advanced Functional Materials,2010, 20 (7) : 1-7. (0)
[5] DU L, LIAO S, KHATIB H A, et al. Controlled-access hollow mechanized silica nanocontainers[J]. Journal of the American Chemical Society,2009, 131 (42) : 15136-15142. (0)
[6] TSYALKOVSKY V, BURTOVYY R, KLEP V, et al. Fluorescent nanoparticles stabilized by poly(ethylene glycol) containing shell for pH-triggered tunable aggregation in aqueous environment[J]. Langmuir,2010, 26 (13) : 10684-10692. (0)
[7] SCHLOSSBAUER A, KECHT J, BEIN T. Biotin-avidin as a protease-responsive cap system for controlled guest release from colloidal mesoporous silica[J]. Angew Chem Int Ed,2009, 48 (17) : 3092-3095. (0)
[8] 李成峰, 王燕云, 杜健, 等. 二氧化硅@羟基磷灰石颗粒的制备及其药物装载与体外释放行为研究[J]. 人工晶体学报,2015, 44 (3) : 830-835.
LI Chengfeng, WANG Yanyun, DU Jian, et al. Synthesis of core-shell structured silica@hydroxyapatite for drug storage and its release behavior in vitro[J]. Journal of Synthetic Crystals,2015, 44 (3) : 830-835. (0)
[9] LI C F, GE X L, LI Y D, et al. Modulation of release behaviors of methylene blue from degradable silica-methylene blue@octacalcium phosphate powders with different shell structures[J]. Colloids Surface A,2015, 472 : 78-84. (0)
[10] TARDIVO J P, GIGLIO A D, OLIVEIRA C S, et al. Methylene blue in photodynamic therapy: from basic mechanisms to clinical applications[J]. Photodiaqnosis and Photodynamic Therapy,2005, 2 : 175-191. (0)
[11] WAINWRIGHT M. Non-porphyrin photosensitizers in biomedicine[J]. Chemical Society Review,1996, 25 : 351-359. (0)
[12] DEMBSKI S, RUPP S, GELLERMANN C, et al. Luminescent silicate core-shell nanoparticles: synthesis, functionalization, optical, and structural properties[J]. Journal of Colloid and Interface Science,2011, 358 (1) : 32-38. (0)
[13] KONG HDY, YU M, LIN CK, et al. Sol-gel Synthesis and characterization of Zn2SiO4:Mn@SiO2 spherical core-shell particles[J]. Journal of Electrochemical Society,2005, 152 (9) : H146-H151. (0)
[14] DEMBSKI S, MILDE M, DYRBA M, et al. Effect of pH on the synthesis and properties of luminescent SiO2/calcium phosphate:Eu3+ core-shell nanoparticles[J]. Langmuir,2011, 27 (23) : 14025-14032. (0)
[15] GE X L, LI C F, FAN C Y, et al. Enhanced photoluminescence properties of methylene blue dye encapsulated in nanosized hydroxyapatite/silica particles with core-shell structure[J]. Applied Physics A,2013, 113 (3) : 583-589. (0)
[16] LI C, LI Y, BAI J, et al. Release behavior of methylene blue dimers from silica-methylene blue@octacalcium phosphate powders in phosphate buffer saline and lysosome-like buffer[J]. Journal of Sol-Gel Science and Technology,2015, 75 (2) : 397-406. (0)
[17] YAO H, LI N, XU S, et al. Electrochemical study of a new methylene blue/silicon oxide nanocomposition mediator and its application for stable biosensor of hydrogen peroxide[J]. Biosensors and Bioelectronics,2005, 21 (2) : 372-377. (0)
[18] YAN Y, ZHANG M, GONG K, et al. Adsorption of methylene blue dye onto carbon nanotubes: a route to an electrochemically functional nanostructure and its layer-by-layer assembled nanocomposite[J]. Chemistry of Materials,2005, 17 (13) : 3457-3463. (0)
[19] CHANG S J, LIAO W S, CIOU C J, et al. An efficient approach to derive hydroxyl groups on the surface of barium titanate nanoparticles to improve its chemical modification ability[J]. Journal of Colloid and Interface Science,2009, 329 (2) : 300-305. (0)
[20] MIRTH G, LERCHER J A. Coadsorptlon of toluene and methanol on HZSM-5 zeolites[J]. Journal of Physical Chemistry,1991, 95 (9) : 3736-3740. (0)
[21] ROELOFS F, VOGELSBERGER W. Dissolution of commercial microscale quartz particles in water at biological-like conditions and its theoretical description[J]. Journal of Physical Chemistry C,2013, 117 (27) : 13914-13927. (0)
[22] 李成峰, 高天宇, 贺立群, 等. HAp/mSiO2载药颗粒的制备及体外药物释放行为[J]. 硅酸盐学报,2014, 42 (4) : 464-470.
LI Chengfeng, GAO Tianyu, HE Liqun, et al. Synthesis and in vitro release behavior of core-shell structured hydroxyapatite/mesoporous silica powders with drug storage[J]. Journal of the Chinese Ceramic Society,2014, 42 (4) : 464-470. (0)
[23] SHEN D, YANG J, LI X, et al. Biphase stratification approach to three-dimensional dendritic biodegradable mesoporous silica nanospheres[J]. Nano Letters,2014, 14 (2) : 923-932. (0)
[24] MITCHELL K K P, LIBERMAN A, KUMMEL A C, et al. Iron(Ⅲ)-doped, silica nanoshells: a biodegradable form of silica[J]. Journal of the American Chemical Society,2012, 134 (34) : 13997-14003. (0)
[25] ASHLEY C E, CARNES E C, PHILLIPS G K, et al. The targeted delivery of multicomponent cargos to cancer cells via nanoporous particle-supported lipid bilayers[J]. Nature Materials,2011, 10 (5) : 389-397. (0)