环丙沙星-层状双氢氧化物纳米杂化材料制备及缓释性能研究

毕浩宇，周晋阳*，李燕

（1.长治医学院生物医学工程系，山西长治046000；2.长治学院化学系，山西长治046011）

环丙沙星-层状双氢氧化物纳米杂化材料制备及缓释性能研究

毕浩宇1，周晋阳1*，李燕2

（1.长治医学院生物医学工程系，山西长治046000；2.长治学院化学系，山西长治046011）

以环丙沙星（Cip）为模型药物，以Mg-Al层状双氢氧化物（LDHs）为主体材料，经剥离-重组技术制备了Cip-LDHs纳米杂化物，对产物分别进行粉末X-射线衍射、红外、元素分析和热重等表征，表明Cip已重组于LDHs层间.文章考察了Cip-LDHs纳米杂化物的药物释放行为，探讨了药物释放机理，结果表明该杂化材料在Cip缓释性能方面有较大提高，为LDHs作为高载药量药物载体提供了一定的科学依据.

层状双氢氧化物；环丙沙星；剥离-重组；缓释

层状双氢氧化物（Layred Double Hydroxides，简称LDHs）是一类由两种或两种以上金属元素组成的氢氧化物，也是阴离子型层状功能纳米材料.LDHs具有水滑石层状晶体结构，故又称类水滑石（HTlc），其化学通式为［M1-x2+Mx3+（OH）2］x+（An-x/n）x-·mH2O［1］，其中M2+和M3+分别代表二价和三价金属离子，A指价数为-n的阴离子，x指每摩尔LDHs中M3+的摩尔数，m为每摩尔HTlc中结晶水的摩尔数.LDHs具有层片带永久正电荷和层间阴离子可交换性的特点，因此，可向其层间引入不同阴离子，从而改变材料的组成、结构以及性质，被广泛用于吸附、流变、催化以及离子交换等领域［2］.近期，LDHs作为一类新型的安全药物载体已引起人们的广泛关注［3］：将药物分子组装于LDHs层间，可减少病原微生物的耐药性、降低药物毒副作用、增强药物分子扩散性能［4-5］、增加药物的热稳定性［6］以及控制药物的释放速率［4，7］.

环丙沙星（Ciprofloxacin，简写为Cip，图1为其分子结构示意图），又名环丙氟呱酸，是合成的第三代喹诺酮类抗菌药物，为广谱杀菌药（对细菌、支原体、衣原体等均有作用），抗菌力强，适用于各种细菌引起的中重度感染［8］.但口服环丙沙星后，受其首过效应的影响较大，生物利用度较低，约为52%，并且临床的广泛应用表明，过量用药易产生过敏休克、皮疹、热血清、尿异常、急性肾炎等不良反应［9］.为此，利用药物载体携带环丙沙星制成缓释制剂，可以有效控制药物的快速释放，延长药物作用时间，提高药物的生物利用度，减少不良反应的发生.

本文采用剥离-重组法将Cip组装于Mg-Al LDHs层间，制备Cip-LDHs纳米杂化物，研究了Cip-LDHs的组成、结构、热稳定性及药物缓释性能，为LDHs作为高载药量药物载体提供了一定依据.

图1　环丙沙星分子结构示意图Fig.1Chemical structure of the ciprofloxacin molecule

1　材料与方法

1.1主要材料

硝酸镁、硝酸铝、氨水、甲酰胺、无水乙醇均为分析纯；环丙沙星由上海晶纯有限公司提供；实验用水均为煮沸后的二次蒸馏水，以降低CO2对实验的干扰.

1.2Cip-LDHs纳米杂化物的制备

Mg-Al LDHs采用非稳定态共沉淀法合成［10］，其中n（Mg2+）∶n（Al3+）=3∶1，干燥研磨后得到粉末状Mg-A1 LDHs（简写为LDHs）样品.整个制备过程在通N2下进行.

采用剥离-重组法制备Cip-LDHs纳米杂化物：（1）量取15 mL甲酰胺于烧杯中，并加入0.3 g LDHs，超声l5 min，得无色透明状液体，表明LDHs已发生明显剥离，于12000 rpm离心15 min，得完全剥离的LDHs上清液.（2）将0.45 g Cip溶于NaOH溶液中（Cip与NaOH的物质的量比为1∶1），并缓慢加入到上述剥离上清液中，液体立即变得浑浊，通N2缓慢搅拌20 min，12000 rpm离心15 min，水洗涤3次，无水乙醇洗涤两次，沉淀物于45℃真空干燥至恒重，得Cip-LDHs纳米杂化物.

1.3样品表征

采用日本理学Rigaku D/max-γB型粉末X-射线衍射（PXRD）仪测定样品的晶体结构，Cu Kα光源（λ=0.1542 nm），40 kV，40 mA，2-70°连续扫描.

红外光谱测定用Nicolct Avatar 380傅立叶变换红外光谱（TFIR）仪，KBr压片，扫描范围4000-400 cm-1.

采用IRIS ADVANTAGE型电感耦合等离子体发射光谱仪测定样品Mg、Al元素含量；采用Vario EL型元素分析仪测定C、H、N元素含量.

采用NETZSCH STA 449 PC/PG型热分析仪（氮气气氛，升温速度为10℃/min，温度范围为30～650℃）测定热重-微商热重（TG-DTG）曲线.

采用日立U-3900紫外-可见分光光度计测定样品（Cip溶液）的吸光度.

1.4Cip标准曲线的绘制

准确称取l0 mg的Cip溶于水，定容至100 mL容量瓶.分别移取0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2 mLCip溶液于10 mL比色管中，加水至10 mL刻度处配成待测溶液.于吸收波长277 nm处测定溶液吸光度（A），平行测定3次，得Cip标准曲线：

A=109.13c-0.0252（R2=0.9923）.

1.5Cip-LDHs纳米杂化物载药量的测定

将10 mg Cip-LDHs纳米杂化物加入到1 mL的5 mol/L HCl溶液中，使样品溶解，加水定容至100 mL容量瓶.再从容量瓶中分别移取0.5～3.0 mL溶液定容于10 mL比色管，配成待测溶液.于吸收波长277 nm处测定溶液吸光度，代入标准曲线计算溶液中Cip含量.平行测定3次，取平均值，载药量为70.36%.

1.6样品缓释

配制pH=7.5的K2HPO4-KH2PO4缓冲溶液（模拟胃液）500 mL，准确加入0.2 g Cip-LDHs纳米杂化物，37℃下低速搅拌，并分别于不同时刻（t）移出2 mL溶液，滤膜过滤，波长277 nm下测定滤液吸光度，计算Cip浓度，求得Cip释放率（Xt）.平行测定3次，取平均值.

取相同比例的Cip和LDHs样品混合，研磨，用上述方法测定物理混合物中Cip释放率，作为对比实验.

2　结果与讨论

图2为LDHs和Cip-LDHs的PXRD谱图.LDHs的谱线峰形尖锐，所得结果与文献一致［11］，表明LDHs具有完整的层状结构.LDHs材料层间距d003等于层板厚度（0.48 nm）与层间通道高度之和［11］.由图2可知，LDHs和Cip-LDHs的层间距分别为0.87 nm和1.70 nm，说明合成的Cip-LDHs纳米杂化物层间由Cip-取代了NO3-，层间距增大，并较好地保持了层状结构.根据Gaussian 03软件的PM3半经验分子轨道法优化计算得到Cip-长度为1.16 nm，与Cip-LDHs的层间通道高度（1.22 nm）相近，推测Cip-垂直于层板并单层交替排布于两层板层间，相邻两Cip-中的-COO-基团则通过氢键和静电作用与层板结合，维持Cip-LDHs电中性.

LDHs、Cip和Cip-LDHs的FTIR谱线如图3所示.从图3可以看出，LDHs样品（谱线a）的特征吸收峰：3400～3600 cm-1处的吸收峰对应于层板上羟基的伸缩振动，1390 cm-1处的吸收峰为NO3-特征振动峰，670 cm-1处出现了M-O和M-O-H的伸缩振动峰.Cip（谱线b）在2826 cm-1为C-H伸缩振动峰，1735 cm-1为-COOH吸收峰，1625 cm-1为氮杂化萘环伸缩振动峰.而Cip-LDHs（谱线c）出现了表征Cip的特征吸收峰：2826 cm-1附近出现了Cip的C-H的伸缩振动峰，这与谱线b一致；1735 cm-1处归属于-COOH的峰消失，而在1625 cm-1和1585 cm-1出现了-COO-的对称和反对称伸缩振动；在1390 cm-1处的吸收峰消失，表明层间阴离子由Cip-取代了NO3-离子.

图4是LDHs、Cip和Cip-LDHs的TG-DTG曲线.由Cip的DTG曲线（a）可知Cip的失重大致分为三个阶段：～80℃是吸附水的脱除，～300℃是Cip的氧化分解和微量燃烧，370℃是Cip的强烈燃烧.Cip-LDHs的DTG曲线（c）也可分为三个阶段：80～150℃缘于表面物理吸附水与层间水的脱除，340℃和415℃是层板羟基的脱除及层间Cip的部分氧化分解及燃烧，这个温度比曲线a中纯Cip的分解和燃烧温度（300℃）有明显提高，表明当Cip插入LDHs层间后，由于二者的相互作用使Cip-LDHs的热稳定性显著提高.

综合TG和元素分析结果可知合成的LDHs和Cip-LDHs样品的元素组成及分子式分别为

图2　LDHs（a）和Cip-LDHs（b）的PXRD谱线Fig.2PXRD patterns of LDH（a）and Cip-LDHs（b）

图3　LDHs（a）、Cip（b）和Cip-LDHs（c）的FTIR谱线Fig.3FTIR spectra of LDHs（a）、Cip（b）and Cip-LDHs（c）

图4　Cip（a），LDHs（b）和Cip-LDHs（c）的TG-DTG曲线Fig.4TG-DTG plots of Cip（a），LDHs（b）and Cip-LDHs（c）

图5给出了Cip-LDHs及物理混合物在pH=7.5时的缓释曲线.Cip和LDHs物理混合物的释放曲线在20 min时即达最大释放率82.9%，释放率明显小于100%，可能缘于Cip-在LDHs表面的吸附.与之相比，Cip-LDHs的释放是一个持续的过程，其释放时间超过150 min，且最大释放率为77.5%，小于Cip和LDHs物理混合物的释放率，这是因为Cip-和HPO4-（和HPO42-）间进行离子交换，根据离子交换反应的特性，即Cip-和H2PO4-（和HPO42-）离子交换会达一动态平衡，故实验中Cip-不能完全被H2PO4-（和HPO42-）离子交换.以上结果表明，Cip-LDHs具有明显的缓释性能，即LDHs材料可作为Cip的药物载体.

为了研究Cip的缓释机理，分别将准一级动力学模型ln（1-Xt）=-k1t和Bhaskar模型log（1-Xt）=-kBt0.65（两式中，Xt和t分别表示释放率和释放时间，k1和kB分别为相应的速率常数）对图5中的实验数据进行拟合，结果见图6.由图6可知，实验数据经准一级动力学和Bhaskar模型拟合后，得到的线性相关系数分别为0.9755与0.9937，结果表明药物分子释放的限速步骤为微粒间的扩散作用.

图5　Cip和LDHs混合物（a）及Cip-LDHs（b）的缓释曲线Fig.5In vitro release profiles of Cip from the physical mixture of Cip and LDHs，and Cip-LDHs

图6　Cip-LDHs药物缓释拟合曲线：（a）准一级动力学模型，（b）Bhaskar模型Fig.6Linear regression curve of the release data fitting with（a）pseudo-first-order and（b）Bhaskar kinetic model

3　结论

采用剥离-重组法将抗生素类药物环丙沙星（Cip）重组于镁铝层状双氢氧化物（Mg-Al LDHs）层间，制备了一种新型的Cip-LDHs杂化材料，并对Cip-LDHs进行了系列表征.结果表明，Cip-已成功组装入LDHs层间.合成的Cip-LDHs材料具有明显的Cip缓释性能，其释放时间由20 min提高到150 min.本实验的研究结果有望扩大Cip的使用范围和LDHs在药物载体方面的应用.

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责任编辑：刘红

Preparation and Release Property of Ciprofloxacin-LDHs Nanohybrid

BI Haoyu1，ZHOU Jinyang1*，LI Yan2
（1.Department of Biomedical Engineering，Changzhi Medical College，Changzhi 046000，China；2.Department of chemistry，Changzhi University，Changzhi 046011，China）

Ciprofloxacin-Mg-Al double layered hydroxides（Cip-LDHs）nanohybrid was prepared by delamination/reas⁃sembling method and characterized by powder X-ray diffraction，Fourier transform infrared spectroscopy，elemental analy⁃sis，and thermogravimetry.The results showed that Cip anions was reassembled into the layer of Cip-LDHs nanohybrid.The release experiment result showed that Cip release of the Cip-LDHs nanohybrid was gradual，suggesting potential use as an effective drug delivery system.

double layered hydroxides；ciprofloxacin；delamination/restacking process；sustained release

TB 332

A

1674-4942（2015）04-0410-04

2015-09-21

山西省自然科学基金（2013011040-8）；山西省高等学校教学改革项目（J2013104）；山西省教育科学“十二五”规划项目（GH-12086）