羟基磷灰石/氧化石墨烯(HAP/GO)的可控合成及其用于布洛芬的缓释

宋芊，高海清，王应席，李玲

(湖北高级有机化工材料协同创新中心，教育部有机合成与应用重点实验室，湖北大学化学化工学院，湖北 武汉430062)

0 引言

近年来，羟基磷灰石(HAP，Ca10(PO4)6(OH)2)作为一种药物载体逐渐受到人们的关注[1].由于HAP具有无毒、生物相容性好和比表面积大的优势，它已被广泛用作各种药物的药物储存/释放系统中的载体.与传统的药物载体不同的是，HAP材料具有高比表面积和羟基，可以与适合的药物官能团反应，因此能够负载和释放药物分子[2].然而，HAP作为药物载体，载药量不高，并在早期总是存在药物突释的问题，在治疗部位难以形成平稳、有效的药物浓度，导致HAP的应用受到限制.为达到良好的药物缓释效果，可以将HAP与其他材料形成复合材料.

GO(氧化石墨烯(GO))是一种具有二维蜂窝结构的新型纳米材料[3]，以其优异的力学、热学、电学和光学性能引起了众多学者的关注[4-5].近年来，在生物医学应用[6]，特别是生物靶向和药物递送方面的探索取得了一定的成果[7-8].有研究者采用聚乙烯纳米载体通过非共价物理吸附作用来加载抗癌药物[9-10].也有研究者发现，抗癌药物盐酸阿霉素负载在氧化石墨烯上，负载药物与载体的负载重量比高达200%[11].此外，氧化石墨烯具有许多羧基、羟基和环氧基团，可以增加与药物分子之间的作用，从而达到缓释的目的.

基于GO的优势[12]，将其添加到HAP中形成HAP/GO的混合体，有望提高HAP的载药量.由于GO有大量的羟基、羧基等亲水性官能团[13-14]，能与HAP配位且能与布洛芬氢键[15]结合.因此，HAP/GO复合材料有望作为药物缓释材料.本研究中，合成了HAP和GO的复合材料HAP/GO，选择IBU(布洛芬)作为药物模型，比较相同条件下HAP和HAP/GO的载药量和释药量，考察HAP/GO作为布洛芬缓释材料的基本性能.

1 实验部分

1.1 材料与方法鸡蛋壳收集于学校食堂，清洗干净后，小心的把鸡蛋壳内膜剥下，60 ℃烘干48 h，将鸡蛋壳于碾磨机中碾成粉末，备用.石墨，布洛芬为阿拉丁试剂，环己烷、Na2HPO4·12H2O、NaH2PO4·2H2O、NH4H2PO4均为国药制药厂试剂，所有试剂均为分析纯，实验用水为二次去离子水.

JSM6510LV扫描电子显微镜(JEOL,Japan)获得扫描电子显微镜图像；D/max-IIIC X线衍射仪(Rigaku,Japan)测试粉末X线衍射(XRD)；单频红外分光光度计(PerkinElmer,USA)获取傅里叶变换红外(FT-IR)光谱；比表面积通过使用BET(BrunauereEmmeteTeller)在77 K(Belsorp-max)下的N2物理吸附结果计算.

1.2 HAP的制备对文献报道的HAP制备方法[16]进行了一些修改，制备方法具体如下：将0.3 g蛋壳粉末加入25 mL 0.1 g/mL NH4H2PO4溶液中，转移至聚四氟乙烯反应釜中，放入烘箱中，120 ℃加热24 h.冷却至室温后，通过离心分离反应产物，并用蒸馏水和无水乙醇交替洗涤3次，然后在60 ℃下干燥24 h，得到HAP.

1.3 HAP/GO的制备GO是通过改进的hummer方法制备的[13].HAP/GO的合成如图1所示.10%和20%GO分别加入到0.1 g/mL NH4H2PO4溶液中超声分散中.将0.3 g鸡蛋壳粉末加入到上述混入了GO的25 mL NH4H2PO4溶液中，转移至聚四氟乙烯反应釜中，放入烘箱中，120 ℃加热24 h.冷却至室温后，通过离心分离反应产物，并用蒸馏水和无水乙醇交替洗涤3次，然后在60 ℃下干燥24 h,得到HAP/GO.

1.4 IBU的负载实验将布洛芬(IBU，50 mg)先溶解在环己烷(50 mL)中，然后加入HAP(500 mg).将混合物密封后在室温下静置72 h，取上清液在260 nm波长下通过UV-vis光谱分析.IBU的校准曲线是通过吸光度与IBU浓度的关系确定的.对于此区间，校准曲线遵循Beer-Lambert定律：

A=1.27C+0.007 5

其中A是吸光度，C是IBU浓度(mg/mL).

吸附了IBU的HAP经离心分离后，60 ℃真空干燥，用于药物释放测定.HAP/GO杂化材料的IBU负载实验按相同方法操作.

1.5 药物释放将负载IBU的HAP装入透析袋，将Na2HPO4·12H2O溶液(0.2 mol/L)和柠檬酸溶液(0.1 mol/L)按体积比(pH=7.4)设置缓冲溶液(PBS).加入1.5 ml缓冲溶液后密封透析袋.然后置于20 mL的PBS(pH=7.4)溶液中，将样品于恒温摇床中轻轻摇动，设定温度为37 ℃.每隔一段时间，取出3 mL溶液，以在264 nm处测其吸光度，并补充相同体积的新鲜PBS缓冲溶液代替.HAP/GO杂化材料的药物释放实验按相同方法操作.

2 结果与讨论

2.1 HAP和HAP/GO的表征HAP和HAP/GO的XRD如图2所示.33.5°、32.0°、31.8°、30.11°、29.60°和28.94°的峰分别对应于HAP的(202)、(300)、(211)、(121)、(002)和(101)衍射面.HAP的特征衍射峰保留在HAP/GO中，这表明杂化材料中保留HAP的基本晶体结构.然而，HAP与HAP/GO杂化材料在10°～20°之间衍射峰明显有区别，说明GO的加入对材料的结构有影响.

HAP与HAP/GO的红外表征如图3所示.3 400 cm-1处为GO中羟基的特征峰，1 703 cm-1处为GO中—COOH中C—O的伸缩振动峰(黑线).980 cm-1处是PO43-的对称伸缩峰，1 110 cm-1和1 037 cm-1的峰为PO43-的振动峰，而603 cm-1和566 cm-1的峰为PO43-的弯曲峰(红线)，这些HAP的特征峰在HAP/GO中也可以观察到，说明杂化材料HAP/GO中基本保留了HAP的基本晶体结构.但在3 000 cm-1～ 4 000 cm-1范围内，HAP与HAP/GO的峰值区别较大.并且，当GO含量较高时，杂化材料中GO的特征峰变得更强.说明了GO的加入对杂化材料有影响.值得注意的是，1 703 cm-1处属于—COOH的峰在杂化材料中很弱，很难观察到.这是由于杂化材料中，GO的—COOH与HAP之间存在相互作用.

HAP和HAP/GO的SEM图像如图4所示.HAP/GO和HAP的形状特征完全不同，HAP是大小均匀的胡须形状.在10%GO的HAP/GO中，结构就像花一样，表明该材料不是HAP和GO简单掺杂，而是新材料的形成.含有20% GO的HAP/GO看起来像带有鳞片聚集的花，这与含有10% GO的HAP/GO的形状不同.进一步证明GO的量对结构有很大影响.图5显示了HAP和HAP/GO的N2吸附-解吸等温线和孔径分布.可以看出，所有材料在低压区都有一定的吸附能力，而在中高压区有磁滞回线，均显示I/IV混合型等温线.根据孔径分布曲线，在4 nm和20 nm处可以观察到明显的介孔分布，如图5(b)所示.添加GO后，在4 nm、6 nm和约10 nm处可观察到明显的介孔分布，如图5(d)所示.可以解释为GO填充了HAP的部分孔隙，形成了杂化材料，从而引起孔径分布发生了变化.但是，当GO的含量过多时，GO很容易聚合在一起，导致孔径分布不是那么清楚，如图5(f)所示.结论与SEM图像一致.

通过N2吸附-解吸等温线计算的相应结构参数如表1所示.HAP的BET表面积和孔体积分别为575 m2·g-1和0.39 cm3·g-1，远低于HAP/GO表面积1 214 m2·g-1和孔体积0.61 cm3·g-1.HAP/GO的孔径要小得多.因此，适量的GO的加入对HAP的结构有很大的影响，大大增加了表面积、孔容和更小的孔径，这些都是促成优异吸附性能的积极因素.

表1 (a) HAP, (b) HAP/GO (10%) 和(c) HAP/GO (20%) 的孔隙率分析

2.2 IBU的负载和缓释的应用HAP与HAP/GO的IBU载药量比较如图6所示.可以看出，GO含量为10%的HAP/GO杂化材料载药量最高.这可能是由GO结构中的羟基、羧基等基团引起的.IBU结构也有羟基，这些基团可以与杂化分子的GO形成氢键.因此，杂化材料对布洛芬有更高的载药量.并且含有20%GO的HAP/GO的载药量甚至低于HAP，这表明GO的量在杂化材料中非常重要.GO的适量加入可以提高载药量，但如果GO量过多，会因为GO的聚集从而削弱材料的载药量.

HAP/GO杂化材料在144 h内的药物释放如图7所示，插入图为5 h内的释放.HAP和HAP/GO(10% GO)在5 h内释放量分别为48%和40%.HAP/GO(20% GO)在5 h内释放量约35%.可以看出，在前5 h，HAP/GO(20% GO)布洛芬的释放量最低.

然而，HAP在24 h后表现出75%的释放，然后在120 h后缓慢释放.HAP/GO(20% GO)在24 h内释放75%，然后在120 h后缓慢释放.而HAP/GO(10% GO)在24 h内表现出约60%的突然释放，随后释放相对缓慢，144 h后完全释放.可以得出结论，HAP/GO(10% GO)的药物缓释的效果最好.

多孔材料的吸附有不同的吸附作用.物理吸附会使吸附的药物分子容易发生解吸附，导致迅速释放，难以符合药物缓释的要求.GO有很多羧基和羟基，而IBU也有羧基，因此HAP/GO和IBU之间形成氢键.因此，HAP/GO杂化材料中的药物分子IBU释放更慢，说明适当添加GO不仅可以提高载药量，而且可以达到更好的给药效果.然而，当GO的量不断增加时，GO可能会聚集并填充HAP的孔隙，这将导致吸附减少和药物释放效果变差.

据此，推测了杂化材料的形成机理[17]，如图8所示.

也可以解释为，当GO含量增加时，结构更加聚集.—COOH基团和—OH基团可以相互作用，然后在杂化材料中发生GO的聚集.

3 结论

本研究中，以鸡蛋壳为原料，加入GO，成功合成并表征了HAP和HAP/GO杂化材料.表征结果表明，含有10% GO的HAP/GO具有优良的花状结构.还进行了IBU负载和释放实验.结果表明，含有10% GO的HAP/GO具有最佳性能.GO的含量在杂化材料的形成中非常重要，对结构和性质有影响.GO的适当加入不仅可以提高载药量，而且可以实现更好的缓释.