椰壳活性炭对加替沙星的吸附及缓释性能研究

张加强，谭非∗，肖琳隆，黄彪

(福建农林大学 材料工程学院，福建 福州 350002)

椰壳活性炭对加替沙星的吸附及缓释性能研究

张加强，谭非∗，肖琳隆，黄彪

(福建农林大学 材料工程学院，福建 福州 350002)

研究了水溶液中椰壳活性炭对喹诺酮药物加替沙星(GTFX)的吸附性能，测定了不同温度下的吸附等温线并分析了其吸附热力学参数。结果表明:活性炭对加替沙星的吸附符合Freundlich方程，ΔH＝-1.737 4 kJ/mol，说明活性炭对GTFX的吸附过程为放热过程，且ΔH＜20 kJ/mol，表明吸附过程主要为物理吸附。同时，测得吉布斯自由能ΔG＜0，表明吸附质从溶液到吸附剂表面的吸附过程是自发过程，其吸附主要是熵驱动。对椰壳活性炭进行了硝酸及氨水改性，研究了3种不同活性炭对GTFX的缓释性能，结果显示，与椰壳活性炭相比，经硝酸氧化改性后的活性炭缓释性能有较大的提升，而经氨水改性的活性炭缓释性能有所下降，3种不同活性炭对GTFX的缓释均符合Higuchi方程释药模式。

吸附；活性炭；热力学；加替沙星；缓释

活性炭因具有超高的比表面积及很强的吸附能力[1]，可作为解毒剂，吸附有毒成分，治疗急性中毒，如用于重度有机磷中毒、急性重症毒鼠强中毒等[2-3]，同时可用于生化系统中吸附肌酐，净化血液，还可以与胆酸结合，降低血脂，治疗高胆固醇血症[4]。因此，研究者开始关注活性炭作为医药缓释载体的应用，如用活性炭吸附一些半衰期短、对正常细胞损害大、易成瘾的药物，以及增强治疗效果的研究等[5]。抗生素是一类普遍使用的药物，但长期使用会产生抗药性，而活性炭作为药物缓释剂，不仅可以有效提高药物的使用效率，而且可以较大程度地减少抗药性的发生。目前活性炭作为抗生素载体的吸附及缓释研究相对较少。加替沙星(GTFX)是喹诺酮的第四代药物，是人畜共用抗菌药，具有广谱、抗菌力强、结构简单、疗效显著的特点[6]。本研究对椰壳活性炭作为载体吸附加替沙星及其缓释性能进行了研究，以期为活性炭作为药物缓释剂提供基础研究。

1 材料与方法

1.1 原料与仪器

加替沙星(GTFX)，纯品原料药，百灵威科技有限公司；椰壳活性炭(AC)，广州君来有限公司。紫外分光光度计，北京普析通用仪器有限公司；SSA-4300型孔隙及比表面分析仪，北京彼奥德电子有限公司。

1.2 活性炭的物性参数测定

在77K下用孔隙及比表面分析仪测定氮气的吸附/脱附等温曲线。另外，参照国标 GB/T 13803.1—1999测得样品的亚甲基蓝吸附量为120mL/g，碘值为1100mg/g。

1.3 GTFX标准曲线绘制

以水为溶剂精确配制不同质量浓度的GTFX溶液，向其中加入0.05mol/L的三羟甲基氨基甲烷-盐酸(Tris-HCl)缓冲溶液，用紫外分光光度计在GTFX最大吸收波长282 nm处测定标准溶液的吸光度值，绘制浓度对吸光度的标准曲线得Y＝-0.024 1＋0.074 3 X，其中，Y为吸光度，X为 GTFX质量浓度(mg/L)。

1.4 活性炭吸附GTFX实验

将100mg的加替沙星(GTFX)加入1000mL pH值为7的Tris-HCl缓冲溶液中作为母液，分别配制15、20、25、30及35mg/L的GTFX溶液，在不同设定温度下(30、40、50和60℃)，加入等量的未改性椰壳活性炭，在恒定温度下震荡12 h(经紫外分光光度计测定，此时GTFX的吸收峰值已稳定不变，说明已达到吸附平衡)。采用紫外分光光度法，在282 nm处测定GTFX的平衡质量浓度(Ce)，通过式(1)计算活性炭的平衡吸附量(Qe)[7]:

式中:V—溶液体积，L；m—活性炭质量，g；C0—GTFX的初始质量浓度，mg/L；Ce—GTFX的平衡质量浓度，mg/L；Qe—平衡吸附量，mg/g。

1.5 活性炭的改性

准确称取1.8 g的椰壳活性炭于250mL的锥形瓶中，加入100mL 25%浓氨水，30℃恒温条件下，浸泡24 h，用蒸馏水洗涤至洗液呈中性，在110℃条件下烘干，即得氨水改性的活性炭(NH3·H2O-AC)，测得亚甲基蓝吸附值为110mL/g，碘吸附值为1000mg/g。

将浓氨水替换为浓硝酸溶液，浸泡温度为 60℃，其他条件相同，即得浓硝酸改性的活性炭(HNO3-AC)。测得亚甲基蓝吸附值为130mL/g，碘吸附值为1200mg/g。

1.6 缓释试验

用自制简易缓释装置，模拟人体肠道内中性环境，做活性炭吸附GTFX的体外释放试验。将3种不同活性炭各50mg分别加入250mL 100mg/L GTFX标准母液中，并在30℃恒温条件下吸附至平衡再过滤，然后在50℃下干燥制得不同种类及适量吸附了GTFX的活性炭样品。将适量吸附的活性炭样品分别置于37℃，体积为1 L恒温溶出杯中，在100 r/min的转速搅拌下，一定时间间隔取样2mL，在分光光度计上测定282 nm处的吸光度值，根据 GTFX标准曲线求出药物浓度，从而计算出药物累积释放量[8-9]。

2 结果与讨论

2.1 椰壳活性炭物性参数

椰壳活性炭N2吸附脱附等温线如图1所示，从图中可以看出，颗粒活性炭吸附分支变化缓慢，而脱附分支在中等大小相对压力处有一陡的变化，此类吸附等温线属于IV型等温线，表现出活性炭含有中孔孔隙结构的迹象，说明除了微孔，活性炭中还有不少数量的中孔。通过计算得到该活性炭BET比表面积为1337.11m2/g，孔容为1.03 cm3/g，平均孔径为3.09 nm。

2.2 椰壳活性炭对GTFX的吸附

2.2.1 吸附等温线 椰壳活性炭吸附GTFX的吸附曲线见图2，实验范围内，不同温度(30～60℃)下，椰壳活性炭的平衡吸附量及GTFX的平衡浓度呈现相同的趋势，即GTFX的平衡浓度增加，活性炭的平衡吸附量也随之增大。相同浓度下不同温度的吸附线有一定程度的交叉，表明在相同的平衡浓度下，不同温度在交叉处都可以取得相同的吸附效果，说明吸附过程的热效应并不显著。

图1 椰壳活性炭N2吸附脱附等温线Fig.1 N2adsorption-desorption isotherms of activated carbon

图2 椰壳活性炭吸附GTFX的吸附曲线Fig.2 The adsorption of GTFX on activated carbon

采用Langmuir和Freundlich等温吸附方程对活性炭吸附GTFX的数据进行拟合，两者的线性转换方程分别如式(2)和式(3)所示[7]:

式中:KL—Langmuir吸附系数，L/mg；Kf—Freundlich吸附系数，(mg/g)·(L/g)1/n；Q∞—饱和吸附量，mg/g；n—量度吸附强度的常数。上述参数均为与吸附相关的特征参数，拟合结果见表1。

表1 不同温度下Langmuir和Freundlich等温方程Table 1 Langmuir and Freund lich equations at different tem peratures

2.2.2 吸附热力学 等温方程中吸附系数KL或Kf与温度和吸附焓变有关，其关系如式(4)所示:

式中:K—吸附系数，对应KL或Kf；R—通用气体常数，8.314 J/(K·mol)；ΔH—等量焓变[10]，kJ/mol；T—吸附温度，K。

Langmuir吸附方程的吸附系数KL在303、313、323、333 K下分别为0.460 0、0.510 5、0.489 8和0.3793 L/mg，利用ln KL-1/T作拟合，得拟合方程为ln KL＝-2.68＋602.68/T，ΔH可通过ln KL对1/T的斜率计算出，为-5.015 6 kJ/mol。同理，可得不同温度下Freundlich方程的ln Kf-1/T拟合方程为ln Kf＝4.691＋208.97/T，得焓值为-1.7374 kJ/mol。Langmuir方程及Freundlich方程对于固定温度下的数据拟合均较为理想，但不同温度下确定的吸附焓变，Freundlich方程拟合结果的R2达到0.975 2，而Langmuir方程拟合结果R2仅有0.012，所以认为Freundlich方程能够较好的描述GTFX的等温吸附现象。这可能是由于Langmuir方程更多的基于吸附剂表面为均质的假设，而Freundlich方程考虑了表面不均匀的多层吸附，而活性炭本身有羰基、羧基等极性官能团存在，极性官能团对具有极性的GTFX分子造成不均匀吸附，而GTFX的极性更会加剧这一趋势，因此，利用Freundlich方程拟合的结果较为理想。该方程计算得到的焓值较小，表明吸附过程主要为物理吸附。另外，Kf的值随着温度的增加而下降，表明低温更有利于热力学的吸附。

以Freundlich方程拟合得到的ΔH通过式(5)和式(6)计算得到了吸附过程的ΔG和ΔS，如表2所示。

式中:ΔG—吸附的Gibbs自由能变，kJ/mol；ΔS—吸附的熵变，J/mol。

由表可知，ΔS为正值，是由于吸附过程中溶质的吸附伴随着溶剂的脱附，吸附过程伴随着熵减少，脱附过程导致熵增加，如果溶剂脱附引起的熵增超过溶质吸附引起的熵减，则ΔS为正值[11]。由于GTFX的分子体积较水分子大很多，可以置换出较多的水分子，使得水脱附引起的熵增加远大于GTFX吸附引起的熵减少，因此，熵变为正值。而计算得到的吸附焓为负值，表明吸附为放热过程，也利于吸附的发生，但相比于熵的贡献，占比很小(ΔH与TΔS相比，占比大的对吸附贡献大)，因而，整个吸附过程为熵驱动为主。从等温吸附线也可以看出，不同温度下的等温吸附线在一定程度上存在交叉，这也从另一个角度说明温度对吸附的影响并不显著，吸附主要应为熵驱动。同时测得吉布斯自由能ΔG＜0，表明吸附质从溶液到吸附剂表面的吸附过程是自发过程。

表2 椰壳活性炭(AC)对GTFX的热力学参数Table 2 Calculated thermodynam ic properties for adsorption of GTFX onto AC

2.3 椰壳活性炭改性前后的体外释放实验与动力学分析

2.3.1 体外释放实验 用自制简易缓释装置，模拟体内环境，对椰壳活性炭、氨水改性椰壳活性炭(NH3·H2O-AC)及硝酸改性椰壳活性炭(HNO3-AC)做GTFX的体外释放试验。首先进行吸附实验，得到NH3·H2O-AC吸附GTFX的量为0.39 g/g，HNO3-AC吸附GTFX的量为0.48 g/g，AC的吸附量为0.45 g/g。根据GTFX最大吸收波长282nm处的吸光度值及标准曲线求出药物浓度，进而计算药物累积释放量，绘制加替沙星的体外释放曲线，结果如图3所示。3种不同活性炭对加替沙星的累积释放曲线大致可分为以分为前期突释、中期缓释和后期平衡释放3个阶段。突释阶段，药物释放量较大，释放的速度也较快，维持大约60～100min；缓释阶段，药物释放量变的较平稳，释放速度比较缓慢，维持时间大约100～300min；而平衡释放阶段，药物浓度变化基本稳定，释药速率平缓，可认为达到动态平衡状态[8-9]。

图3 3种不同活性炭的累积释药量与时间曲线Fig.3 Release curves of GTFX adsorpted by three different types of activated carbons

同时，图3还显示，3种活性炭的缓释释放量存在差异。相同缓释条件下，HNO3-AC的释放量最大，NH3·H2O-AC与AC的释放量接近，且低于无改性活性炭释放量，可见，对缓释效果改进不明显。这是因为，硝酸氧化改性使活性炭产生较多的极性官能团，尤其是含氧官能团羧基、酚羟基、内酯基的量均较未改性前有较大增长[12]，可能因此导致改性后活性炭对GTFX的吸附量增大。而氨水改性使得活性炭中极性官能团如羧基、酚羟基、内酯基减少，使得活性炭对GTFX的吸附能力有所降低；另，硝酸的酸性及氨水的碱性都可能导致活性炭的腐蚀，使活性炭比表面积增加或减少[13]。通过碘值及亚甲基蓝值的比较，硝酸改性的活性炭碘值及亚甲基蓝值有分别由1100mg/g和120mL/g增加到1200mg/g和130mL/g，而氨水改性的活性炭碘值及亚甲基蓝值则分别减少到1000mg/g和110mL/g，总体变化并不显著。因此，认为主要是由于改性引入了极性官能团，这些官能团与加替沙星的极性官能团相互作用，导致硝酸改性活性炭的缓释性能变化明显。

2.3.2 动力学分析 为了进一步了解活性炭对加替沙星的缓释效果，取时间在100min突释阶段内药物释放数据，按Higuchi方程(式(7))和零级动力学方程(式(8))进行拟合:

式中:W—药物释放量，mg；t—缓释时间，min；A、B—常数。

对3种不同活性炭分别进行上述2种方程拟合，结果见表3。从表3可看出，3种不同活性炭用Higuchi方程拟合的相关系数较大，均在0.98以上，表明3种活性炭对药物的缓释过程更符合Higuchi方程[8]。以上实验说明可以通过活性炭改性方法改善活性炭的缓释性能。

表3 体外释药动力学模型拟合结果Table 3 The fitting results of dynam ics simulation

3 结论

3.1 椰壳活性炭对GTFX有较好的负载能力，可以用作喹诺酮药物的缓释载体。活性炭对GTFX的吸附更符合Freundlich方程描述的表面不均匀的多层吸附，可能是由于活性炭本身的极性官能团及GTFX的极性官能团作用。该方程测得焓变为-1.737 4 kJ/mol，说明活性炭对GTFX的吸附过程为放热过程，且ΔH＜20 kJ/mol，表明吸附过程主要为物理吸附。同时测得吉布斯自由能ΔG＜0，表明吸附质从溶液到吸附剂表面的吸附过程是自发过程。而对熵变ΔS进行分析，发现吸附过程主要是熵驱动。

3.2 对椰壳活性炭经氨水和硝酸改性前后对GTFX的释放过程进行研究发现:3种活性炭对GTFX的释放过程均符合Higuchi方程释药模式，硝酸氧化改性椰壳活性炭较椰壳活性炭的缓释性能有较大的提升。

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Adsorption and Controlled Release of Gatifloxacin by Coconut Shell Activated Carbon

ZHANG Jiaqiang，TAN fei，XIAO Linlong，HUANG Biao

(College of Material Engineering，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou 350002，China)

The adsorption and controlled release of gatifloxacin(GTFX)from aqueous solution by coconut shell activated carbon were studied.The adsorption isothermsweremeasured atdifferent temperatures.The standard changes of free energy，enthalpy and entropy in adsorption processes were calculated from the Freundlich equation.And the adsorption of GTFX was in accord with Freundlich equation.TheΔH of absorption was-1.737 4 kJ/mol，which demonstrated that the absorption was an exothermic process，andΔH with less than 20 kJ/mol indicated that the adsorption processwasmostly physical adsorption.Meanwhile，Gibbs free energy(ΔG)was determined to be less than zero.This indicated that the adsorption was a spontaneous process.The results indicated that the value ofΔS was themain driving force of adsorption.Compared with the originalactivated carbon，the controlled release capacity of nitrate modified sample increased and that of ammonia water modified sample decreased.The different activated carbon controlled release processesmarched with Higuchiequation.

adsorption；activated carbon；thermodynamics；gatifloxacin；controlled release

TQ35

:A

:1673-5854(2017)01-0039-05

10.3969/j.issn.1673-5854.2017.01.007

2016-03-24

福建省自然科学基金(2011J01283)资助

张加强(1992—)，男，安徽六安人，研究生，主要从事生物质材料的研究

∗通讯作者:谭非，副教授，硕士生导师，研究方向:生物质材料；E-mail:1001tf＠163.com。