羟丙基甲基纤维素的体外自由基降解研究

李睿智，张秀明，尹永磊，简 军，张政朴

（1．生物可降解新材料北京市工程实验室，北京100022；2．南开大学 高分子化学研究所，天津300071）

羟丙基甲基纤维素（Hydroxypropyl methyl cellulose，HPMC）是天然纤维素分子上部分羟基甲基化和羟丙基化后生成的纤维素醚［1，2］，是常用的药用辅料，一般作为分散剂、增稠剂、眼科植入剂、美容填充辅料等使用［3，4］。国产羟丙基甲基纤维素－透明质酸钠溶液（逸美，EME）利用HPMC分子内的羟基与透明质酸中的羟基、羧基发生相互作用，提高了它们作为皮肤填充材料的可使用性，填补了我国生物复合材料在医疗美容领域的空白，其在体内的降解过程也因此受到研究者的广泛关注。

活性氧簇自由基（Reactive oxygen species，ROS）是体内重要的自由基，在体内发挥着重要的作用。皮肤中存在的大量紫外线（UV）色基在吸收UV光子能量后呈激发态，与皮肤中的氧分子发生光动力学反应，在还原酶或过渡金属参与下会生成ROS，大量的ROS就会引起皮肤的老化，产生皱纹、色斑等［5］。ROS主要包含超氧阴离子自由基（·）、羟基自由基（·OH）、过氧化氢（H2O2）以及单线态氧（·O2）等4种自由基，其中以·OH 的作用最强［6］。据报道［7］，HPMC可吸收体内固有的ROS。

HPMC在ROS的作用下会被降解，造成HPMC的分子量降低、粘弹性下降。作者在此以Fenton－AHH2O2体系介导羟基自由基的生成，模拟ROS降解HPMC，并对降解过程中HPMC的分子量变化、动力粘度变化进行表征，以研究HPMC在体内的降解机制。

1 实验

1．1 材料、试剂与仪器

羟丙基甲基纤维素［级别：E3、E50、E4M、E10M，分别表示动力粘度（mPa·s）为3、50、4000、10 000的质量分数为2%的HPMC水溶液］，陶氏化学；L－抗坏血酸（AH）、pH值为3的磷酸盐缓冲溶液，天津光复精细化工厂；30%双氧水，天津化学试剂六厂。

水相凝胶渗透色谱仪，Waters公司；NDJ－1型旋转粘度计，上海森地科学仪器设备有限公司。

1．2 方法

一般地，由Haber－Weiss反应所引起的Fenton反应是体外产生·OH的主要方式：

本实验采用L－抗坏血酸与 H2O2产生·OH（AH－＋H2O2→A－＋H2O＋·OH），形成新的Fenton－AH－H2O2体系，比Fenton反应体系更温和，能够缓慢地长时间释放·OH［8，9］。

1．2．1 检测降解过程中HPMC的分子量变化

将0．5g HPMC（E3、E50）、0．125g L－抗坏血酸溶解于22．5mL pH＝3的磷酸盐缓冲溶液中，加入2．5mL质量分数为3%的H2O2，置于37℃水浴恒温振荡器中；定时取样0．08mL，加入0．02mL 0．1mol·L－1的NaOH溶液破坏自由基环境，通过水相凝胶渗透色谱仪测量溶液的分子量。

空白实验：将0．5g HPMC（E3、E50）、0．125g L－抗坏血酸溶解于25mL pH＝3的磷酸盐缓冲溶液中；定时取样0．08mL，加入0．02mL 0．1mol·L－1的NaOH溶液，置于37℃水浴恒温振荡器中，通过水相凝胶渗透色谱仪测量溶液的分子量。

1．2．2 检测降解过程中HPMC的动力粘度变化

将2g HPMC（E4M、E10M）、0．5g L－抗坏血酸溶解于90mL pH＝3的磷酸盐缓冲溶液中，加入10 mL质量分数为3%的H2O2溶液，置于37℃恒温水浴中，用旋转粘度计检测溶液的粘度。

空白实验：将2g HPMC（E4M、E10M）、0．5g L－抗坏血酸溶解于100mL pH＝3的磷酸盐缓冲溶液中，置于37℃恒温水浴中，用旋转粘度计检测溶液的粘度。

2 结果与讨论

2．1 HPMC分子量的变化

动 力 粘 度 较 低 的 HPMC（E3－HPMC、E50－HPMC）降解过程中的分子量变化见图1。

图1 E3－HPMC（a）和E50－HPMC（b）的GPC图谱Fig．1 GPC Spectra of E3－HPMC（a）and E50－HPMC（b）

a 17300 27128 19403 40380 53659 1．568063 1．488478 1．977980 b 70857 101281 109956 133601 164163 1．429361 1．319119 1．620875

由图1可看出，E3－HPMC平均分子量为19．4 kDa，E50－HPMC平均分子量为110．0kDa。

E3－HPMC、E50－HPMC分子量随降解时间的变化曲线见图2。

图2 降解过程中E3－HPMC（a）与E50－HPMC（b）的分子量随时间的变化Fig．2 Time－varying molecular weight of E3－HPMC（a）and E50－HPMC（b）in degradation process

由图2可看出，在 H2O2加入到 HPMC－AH－PBS体系中的前100min内，HPMC的分子量快速下降。这是由于，H2O2与体系中的AH快速反应，产生大量的·OH，致使HPMC被快速降解，分子量快速下降；降解反应进行到200min左右时，由于H2O2被大量消耗，体系中的·OH浓度降低，逐渐失去对HPMC的降解作用，因此在实验后期，HPMC的分子量趋于稳定。降解结束时，E3－HPMC的最终分子量稳定在1 kDa左右，较降解前下降了90%；E50－HPMC的最终分子量稳定在10kDa左右，也较降解前下降了90%。

2．2 HPMC动力粘度的变化

对于动力粘度较大的E4M－HPMC与E10MHPMC，由于分子量过大，不易以分子量作为参考来跟踪其降解过程，因而通过测量溶液的动力粘度来跟 踪其降解过程，结果见图3。

图3 降解过程中E4M－HPMC（a）和E10M－HPMC（b）的动力粘度随时间的变化Fig．3 Time－varying dynamic viscosity of E4M－HPMC（a）and E10M－HPMC（b）in degradation process

由图3可看出，E4M－HPMC和E10M－HPMC在240min后的动力粘度均趋于稳定。降解结束时，E4M－HPMC的最终粘度为1000mPa·s左右，较降解前下降了75%；E10M－HPMC的最终粘度为6000 mPa·s左右，较降解前下降了40%。其降解过程与E3－HPMC、E50－HPMC的降解过程相似。

3 结论

通过模拟体内的活性氧簇自由基（ROS）条件，使用Fenton－AH－H2O2体系在体外环境研究了HPMC的降解过程。通过水相凝胶渗透色谱仪和旋转粘度计检测HPMC的分子量与动力粘度变化，结果表明，E3－HPMC与E50－HPMC的分子量均下降了90%，E4MHPMC的动力粘度下降了75%，E10M－HPMC的动力粘度下降了40%。说明ROS对HPMC具有显著的降解效果，同时也表明HPMC可以吸收体内自由基，并降低自由基在体内的含量。

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