应用响应曲面法优化β-环糊精聚合物微球的合成工艺

杨 威， 李仲谨， 王 帆， 刘 艳， 安毅坤

(教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室， 陕西科技大学化学与化工学院， 陕西 西安 710021)

0 前 言

β-环糊精聚合物(β-cyclodextrin polymer,β-CDP)微球是近年来发展的一种无毒、生物相容性好的新型载体[1，2]，由β-环糊精(β-CD)与环氧氯丙烷(ECH)交联而成，粒径分布在较窄范围内，既保留了β-CD自身的分子结构特点，又具有空间三维网络结构[3，5].响应曲面法(respons esurface methodology，RSM)是Box及其合作者[6，7]于20世纪50年代完善的一种通过对过程的回归拟合，对响应曲面、等高线的绘制，对反应条件和加工工艺参数进行优化的试验统计方法，它囊括了试验设计、建模、寻求最佳组合条件等众多试验和统计技术，目前已经广泛应用于食品、化学化工、生物技术等领域[8-9].评价β-CDP微球品质的主要指标有产率与平均粒径，其影响因素很多，一些因素之间可能存在交互作用.基于此，作者运用RSM研究分析了交联剂的用量、乳化剂的用量和乳化温度对β-CDP微球品质的影响，并利用此法优化了β-CDP微球的合成工艺.

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

β-环糊精(药用，西安宏昌药业有限责任公司)、煤油(市售，经处理后使用)、氢氧化钠、环氧氯丙烷、Span-80、Tween-20、盐酸、无水乙醇、丙酮等均为分析纯试剂，实验用水为蒸馏水.

离心机(TDL-40B，上海安亭科学仪器厂)，偏光显微镜(BM-XP-59北京伯乐仪器有限公司)，激光粒度分布仪(BT-9300Z，丹东百特科技有限公司)，扫描电子显微镜(KYKY1000B，中科院仪器厂).

1.2 实验方法

1.2.1β-CDP微球合成[10]

向带有机械搅拌的三口瓶中加入6 gβ-CD和10 mL 40%(w/v)的氢氧化钠溶液，使其完全溶解.在30 ℃、恒速搅拌(800 r/min)条件下缓慢滴加一定量的ECH，10 min滴完，使反应在该温度下进行1.5 h.然后在高速搅拌下，加入一定量含有乳化剂(mSpan80∶mTween20=3∶1)的煤油，10 min后将搅拌速度降至800 r/min，升温至反应温度反应一定时间.反应结束后，静置，倾去上层油相，将微球产品抽滤，并依次用稀盐酸、乙醇、蒸馏水、丙酮充分洗涤，除去各种杂质.置于真空干燥箱于60 ℃下干燥至恒重，即得β-CDP球状颗粒.

1.2.2 粒径测定

表1 试验因素水平及编码

向激光粒度分布仪样品槽中加入一定量的β-CDP微球直至遮光率为15%左右，检测其粒径分布.

1.2.3 响应曲面法优化β-CDP微球的合成工艺

通过单因素试验确定出交联剂、乳化剂和乳化温度对产率和粒径有显著影响，为了选择最佳合成工艺，通过RSM，以产率和粒径线性回归的得分为响应值，设计三因素三水平的试验方案，详见表1.

表2 响应面分析方案及试验结果

注:m(β-CD)=6 g,V(水相)=10 mL,V(油相)=60 mL.

2 实验结果与讨论

2.1 模型方程的建立与显著性检验

以微球产率(Y1)和粒径(Y2)为指标，综合考虑各项指标的优劣及重要程度排序，产率最高的记为10分，产率最低记为1分;粒径最小的记为10分，粒径最大的记为1分.按照比例关系计算出各自得分，然后把各组产率得分的1/2和粒径得分的1/2相加，得出每号试验结果的经验得分(Y0)，然后将其作为因变量，将各指标经验得分分别作为自变量Y1、Y2，用SPSS软件求出综合得分(Y)的回归线性方程式：Y=0.175Y1-0.075Y2+4.145.再把各号试验的指标实测值代入线性回归方程式计算即得该号试验结果的线性回归综合得分，以综合得分为响应值，响应结果见表2.

表3 回归分析结果

注：**显著水平P<0.01.

表3为回归分析结果表，回归方程的各项方差分析结果表明，二次项有显著性因素，即各试验因子对响应值的影响不是简单的线性关系.因此，该回归方程可以较好地描述各因素与响应值之间的真实关系，可以利用该回归方程来确定β-CDP微球最佳制备条件.

2.2 响应面的分析

根据回归方程作出不同因子的响应面分析图，图1所示为交联剂的质量、乳化剂的质量和乳化温度3因素之一取零水平时其他2因素对于综合得分的影响.通过观察可以发现：在试验范围内，β-CDP微球的综合得分随试验因素的变化趋势都是先增大后减小，且3个因素中对β-CDP微球的综合得分影响最大的是乳化剂的质量，乳化温度次之，交联剂质量的影响最小.

图1 综合得分的响应曲面

为了进一步确证最佳点的值，对回归方程取一阶偏导等于零数并整理得：0.24-1.42x1-0.028x2-0.14x3=0；-0.089-0.028x1-2.54x2+0.15x3=0；-0.12-0.14x1+0.15x2-1.96x3=0，解得x1=0.177、x2=-0.042、x3=-0.077.代入变换公式即得交联剂用量为7.43 g，乳化剂用量为0.79 g，乳化温度为59.2 ℃，即在交联剂用量为7.43 g，乳化剂用量为0.79 g，乳化温度为59.2 ℃时，理论最佳得分为7.78.

图2 β-CDP微球的粒径分布图

2.3 回归模型的试验验证

按照最佳合成条件下进行验证试验，3次试验的最终平均产率为70.63%，平均粒径为117.9 μm，综合得分7.69，试验值模型的理论值相差1.54%，可见该模型可以较好的反映综合得分与各影响因素的关系.

2.4 β-CDP微球的粒径分布

图3 β-CDP微球的扫描电镜图

经激光粒度分布仪测得微球的中位径(D50)为98.75 μm，D97为215.03 μm，平均粒径为115.69 μm，β-CDP微球的粒径分布范围较窄，跨距为1.21，无双峰现象，基本呈正态分布，粒径分布如图2所示.

2.5 β-CDP微球的SEM分析

图3为β-CDP微球的扫描电镜图，对扫描电镜图片分析表明，β-CDP微球表面比较光滑圆整，而且放大2 000倍后仍呈较好的圆球形.

3 结束语

参考文献

[1] E. M. Martin Del Valle[J]. Process Biochemistry, 2004,39(9):1 033-1 046.

[2] Yotaro Arakawa, Shigeru Kawakami, Fumiyoshi Yamashita,etal. effect of low-molecular-weightβ-cyclodextrin polymer on release of drugs from mucoadhesive buccal film dosage forms[J]. Biol. Pharm. Bull, 2005,28(9):1 679-1 683.

[3] Xiao Lei WANG, Yong Xiang SHI, Zeng Liang BAI,etal.. Imaging of activity of horseradish peroxidase atβ-cyclodextrin polymer by scanning electrochemical microscopy[J]. Chinese Chemical Letters, 2004,15(2):214-215.

[4] 袁 超, 金征宇, 王晨光. 改性环糊精及其应用[J]. 粮食与油脂, 2006,5:38-40.

[5] Ana Romo, Francisco Javier Penas, Jose RamonIsasi,etal.. Extraction of phenols from aqueouss olutions byβ-cyclodextrin polymers comparison of sorptive capacities with other sorbents[J]. Reactive & Functional Polymers, 2008,68:406-413.

[6] Box G P, Behnken D W. Some new three level design for the study of quantitative variables[J]. Technometrics, 1960, 2: 456-475.

[7] Chandrika L P, Fereidoon S. Optimization of extraction of phenolic compounds from wheat using response surface methodology[J]. Food Chemistry, 2005,3(1):47-56.

[8] Li Q H, Fu C L. Application of response surface methodology for extraction optimization of germinant pumpkin seeds protein[J]. Food Chemistry, 2005,92(4):701-706.

[9] Manoharcs G. An improved response surface method for the determination of failure probability and importancemeasures[J]. StructuralSafety, 2004,26:123-139.

[10] 李仲谨, 杨 威, 王培霖, 等.β-环糊精聚合物微球的合成与表征[J]. 精细化工, 2010,27(7):692-695.