均匀设计法优化β-环糊精微球的制备工艺

苏秀霞，支娟娟，李仲谨，杨 威，赵钤妃

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

研究开发

均匀设计法优化β-环糊精微球的制备工艺

苏秀霞，支娟娟，李仲谨，杨 威，赵钤妃

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

为了优化β-环糊精微球的制备工艺，采用U13*（134）均匀设计对合成工艺优化，得出最佳合成工艺为反应温度80 ℃，反应时间4 h，交联剂的用量8 g，搅拌速度1000 r/min。影响微球粒径的因素：搅拌速度＞反应温度。影响产量的因素：交联剂的用量＞反应时间。最佳合成工艺下的微球表面圆整，具有较好的热稳定性。

β-环糊精微球；均匀设计；热稳定性

β-环糊精是由7个D-吡喃葡萄糖分子，经α-1,4糖苷键首尾互接形成的去顶的锥形中空状分子，环糊精外侧大口端有伯羟基，但位于环内的 C3、C5氢原子覆盖了配糖氧原子，所以β-环糊精分子有独特的两亲结构——内腔疏水、外侧亲水，独特的结构就预示着β-环糊精有着广泛的应用[1-2]。而β-环糊精分子经环氧氯丙烷交联后形成的网状交联物不仅具有环糊精分子本身具有的催化、缓释、识别等功能，又增加了其疏水能力，三维网状结构又有了不同大小的空腔结构等[3]，并且合成的β-环糊精微球的热稳定性优于β-环糊精，在吸附和缓释方面有重要作用[4-6]。

本工作以环氧氯丙烷为交联剂，以煤油为油相，采用反相悬浮聚合的方法合成β-环糊精微球[7]。影响β-环糊精微球的合成因素有：温度、反应时间、交联剂的用量、搅拌速度等。本文作者采用均匀设计法对β-环糊精微球的合成工艺进行优化，得到粒径较小、产量较高的β-环糊精微球。

1 材料与方法

1.1 实验原料与试剂

β-环糊精，BR，天津市博迪化工有限公司；煤油，市售；氢氧化钠，AR，天津市天力化学试剂有限公司；环氧氯丙烷，AR，天津市化学试剂六厂三分厂；Span-80，AR，天津市福晨化学试剂厂；Tween-20，AR，天津市福晨化学试剂厂；盐酸，AR，北京化工厂；无水乙醇，AR，天津市富宇精细化工有限公司；丙酮，AR，天津市博迪化工有限公司；实验用水为蒸馏水。

1.2 β-环糊精微球的合成与表征

1.2.1β-环糊精微球的合成

向装有搅拌装置、温度计、恒压滴液漏斗的三口烧瓶中加入40%的氢氧化钠水溶液和一定量的β-环糊精，使其糊化，得到透明溶液；然后在 30 ℃恒温下恒速搅拌（600 r/min），用恒压滴液漏斗逐滴加入交联剂环氧氯丙烷，然后反应1.5 h。然后加入乳化剂和煤油混合溶液[m(Span-80)∶m(Tween-20)=3∶1]，高速搅拌（1000 r/min）下升温，改变搅拌速率，一段时间后反应结束。所得乳液静置，离心，依次用稀盐酸、无水乙醇、水、丙酮充分洗涤。所得白色乳状固体置于通风橱中晾干，即为所得β-环糊精微球。

1.2.2β-CD微球的β-CD含量及粒径分布的测量

向激光粒度分布仪样品槽中加入一定量的β-CD微球，直至遮光率为10%～15%，检测其粒径分布。利用比色法测定β-CD 微球中β-CD 的含量[4]。基本原理是首先将β-CD 在0.5 mol/L 硫酸溶液中水解成葡萄糖，然后利用分光光度计检测葡萄糖的含量。

1.2.3β-环糊精微球的表征

将β-CD和β-CD 微球与KBr粉末混研压片后，用Vector-22 型傅里叶变换红外光谱仪（德国Bruker公司）测定其红外吸收光谱；取一定量的β-CD 微球固定到金属片上，真空下镀金，干燥。在KYKY1000B 型扫描电子显微镜（中科院仪器厂）下观测微球表面形态；将适量β-CD 微球真空冷冻干燥，使用TGA Q500型热重分析仪（美国TA公司）（温度范围20～600 ℃）进行TGA测试，分析其热稳定性能。

1.2.4 葡萄糖标准曲线的制备

称取无水葡萄糖60 mg，定容到100 mL，分别取上述溶液1.00 mL、1.50 mL、2.00 mL、2.50 mL、3.00 mL定容到50 mL。取上述定容溶液各2 mL，分别加入4%的苯酚溶液1 mL，迅速加入7.0 mL的浓硫酸，在40 ℃水浴中保温0.5 h，取出再冰浴中放置5 min，取出。以2.0 mL蒸馏水为空白，全波长扫描后，找到最大吸收波长，测定吸光度。得出葡萄糖标准曲线见图 1，A=6.9667Cglucose－0.0948，其中相关系数为0.9827。

图1 葡萄糖标准曲线

1.3 因素、水平及指标的确定

考察了交联剂的用量（X1）、反应温度（X2）、反应时间（X3）、搅拌速度（X4）4个因素对微球的产量（Y1）及粒径（Y2）的影响。按U13(134) 均匀设计试验表，以微球的产量和粒径为评价指标，探索最佳合成微球工艺。试验结果见表 1。均匀设计偏差D=0.2076.

2 结果与讨论

2.1 试验安排及结果

根据表1因素条件水平，按1.2.1节所述项方案制备β-CD 微球，对其产物进行称量，得出产量；在激光粒度分布仪样品槽中加入少量β-CD 微球，检测其粒径分布。均匀试验安排及结果见表2。

表1 均匀设计试验表

表2 均匀设计U13(134) 及试验结果

本实验通过王玉方“均匀设计3.0软件”中自选变量法进行数据分析，得以下结果：Y1=－15.0+ 3.17X1－18.74X3，其复相关系数r=0.9999，显著性水平α＝0.05，检验值F＝237.2，临界值F（0.05，2，10）＝4.103，F＞F（0.05，2，10），回归方程显著。其中因素X1（交联剂的用量）对Y1（产量）的影响最大为92.2%，因素X3（反应时间）对Y1（产量）的影响为0.251%。

Y2=150－0.798X2－20.71X4，其复相关系数r=0.9972，显著性水平α＝0.05，检验值F＝451.0，临界值F（0.05，1，10）＝4.965，F＞F（0.05，1，10），此方程项显著。其中因素X4（搅拌速度）对Y2（粒径）的影响最大为52.4%，因素X2（反应温度）对Y2（粒径）的影响为25.4%。

根据回归方程，得出Y1、Y2的最优组合，并在此基础上对Y1、Y2进行综合分析，得出最佳合成工艺：X1=8 g，X2=80 ℃，X3=4 h，X4=1000 r/min。

2.2 验证试验

根据优化条件，按照 1.2.1节所述项合成方法进行微球的合成，得出样品进行测量。由表3得出，实验值与预测值在误差允许的范围内，说明优化设计的合成方案准确可信。

2.3 β-CD 微球的热分析

图2为β-CD和β-CD 微球的热分解过程，第一阶段为20～100 ℃的失水过程，β-CD和β-CD 微球的失重率分别为13%和3%；然后 260～410 ℃内，β-CD的失重率为76%，而β-CD 微球在286～340 ℃内的失重率为70.7%，在此阶段β-CD比β-CD微球的失重率较为迅速，β-CD 微球的失重原因主要是醚键的断裂、葡萄糖的分解等；在340～600 ℃范围，β-CD 微球的失重率极为缓慢，失重可能为交联剂的挥发所致。综上所述，β-CD 微球的热稳定性较好，对载药时非常有利的。

表3 优化方案验证试验结果

图2 β-CD和β-CD 微球的TGA热分析图

2.4 β-CD 微球的IR

图3为β-CD和β-CD微球的红外光谱图，其中a为β-CD的红外图谱，b为β-CD 微球的红外图谱。两图在3400 cm－1处都有吸收，说明β-CD 微球仍然具有β-CD的特征官能团—OH。2920 cm－1处为亚甲基的伸缩振动峰，β-CD 微球的吸收峰较β-CD较宽，说明了交联剂与β-CD交联后，亚甲基增多所致，1380 cm－1的峰是亚甲基的相关峰，原β-CD的吸收较弱，聚合后的峰较宽，佐证了交联剂与环糊精交联后亚甲基增多。并且b在906.8 cm－1处没有环氧基吸收峰，说明ECH与β-CD 发生了反应。1300～1000 cm－1处为醚键的特征吸收峰，聚合后的峰较宽较强，进一步证明了β-CD与ECH有交联。

图3 β-CD和β-CD 微球红外吸收光谱图

2.5 β-CD 微球的形貌分析

扫描电镜图片（图 4）分析表明，β-CD 微球表面比较光滑圆整，呈较好的圆球形。

图4 分别为多个、单个β-CD 微球扫描电镜图

2.6 β-CD 微球的 β-CD含量

称取 25 mgβ-CD 微球，加入 0.5 mol/L的H2SO4溶液15 mL，在100 ℃下水解8 h，定容到50 mL，取水解液1.25 mL、5%的苯酚溶液0.75 mL、浓硫酸4.5 mL进行显色反应[8]，用紫外可见分光光度仪在488 nm处测吸光度A为2.713，按式（1）计算，得出β-CD 微球的β-CD含量为72.6%。

3 结 论

考察了交联剂的用量、反应温度、反应时间、搅拌速度4个因素13水平对微球的产量及粒径的影响。如果采用全面交叉实验方案需要134次，正交设计需要52次实验，而采用均匀设计软件只需13次试验，就可得出合成β-CD 微球的最佳工艺方案，并且由此分析得出实验因素对产物产量和粒径的影响关系。合成β-CD 微球的最佳工艺方案为：反应温度为80 ℃，反应时间4 h，交联剂的用量8 g，搅拌速度1000 r/min。影响β-CD 微球产量的因素为交联剂的用量和反应时间，其中交联剂用量的作用效果最明显为 92.2%。而影响微球粒径的因素为搅拌速度和反应温度，搅拌速度对粒径的影响为 52.4%，反应温度对粒径的影响为25.4%。

β-CD 微球的β-CD含量为 72.6%，结果表明β-CD 微球的β-CD的质量分数较高，充分保留了环糊精的空腔结构，这对微球载药是非常有利的。

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Optimal preparation ofβ-cyclodextrin microsphere using uniform design

SU Xiuxia，ZHI Juanjuan，LI Zhongjin，YANG Wei，ZHAO Qianfei
（Key Laboratory of Auxiliaries Chemistry & Technology for Chemical Industry，Ministry of Education，School of Chemistry and Chemical Engineering，Shaanxi University of Science & Technology，Xi’an 710021，Shaanxi，China）

The preparation ofβ-cyclodextrin microspheres was optimized by using U13*（134）uniform design. The result showed that the optimµm reaction temperature was 80 ℃，reaction time was 4 h，the amount of crosslinker was 8 g and stirring speed was 1000 r/min. The factors affecting microsphere size were stirring speed，and reaction temperature. The factors affecting yield were crosslinking agent，and reaction time. The surface of thoseβ-CD microspheres under optimal conditions was smooth and had good thermal stability.

β-cyclodextrin microspheres；uniform design；thermal stability

TQ 314.2

A

1000-6613（2011）08-1785-04

2010-12-24；修改稿日期2011-02-17。

国家自然科学基金（50573046）及陕西科技大学研究生创新基金项目。

苏秀霞（1964—），女，教授，主要从事天然产物改性及深加工研究。E-mail suxiuxia@sust.edu.cn。