核桃壳活性炭的制备及其对烟酸缓释性能的研究

李盛龙，谢学忠，邱彩英，周　颖，郭　嘉

(武汉工程大学化工与制药学院 绿色化工过程教育部重点实验室，湖北 武汉 430073)

活性炭具有较大的比表面积和发达的孔结构，因而具有较强吸附能力，特别是生物质制备的活性炭杂质含量低、化学稳定性好并有一定生物相容性，因而在医疗领域中有着广泛应用[1-3]。例如，活性炭可直接口服用于体内解毒，也可在透析时过滤净化血液，还能作为一些缓释药物(如抗癌类药)的载体[4]。

烟酸(C6H5NO2)，又称尼克酸、维生素PP或B3，属维生素B族，是一种水溶性维生素，也是人体所必需的13种维生素之一。烟酸不仅有利于心血管系统，能降低血压，还能减轻胃肠功能障碍，维持中枢神经系统发育[5]。不过，烟酸半衰期非常短(45 min)，服用普通剂型的烟酸药物会导致用药频繁，还会产生皮肤瘙痒、胃肠不适、肝功能减退和视觉障碍等副作用。缓释型烟酸是一种很好的替代治疗方案，可以减少频繁服药带来的副作用，还能有效降低非致死性心脏事件再发的危险[6-7]。缓释型烟酸的研究报道较少，更未见利用核桃壳制备活性炭并作为烟酸缓释载体的报道。

本研究以核桃壳质颗粒炭化料为原料，采用二氧化碳物理活化法制备核桃壳活性炭，并进行核桃壳活性炭在不同介质中的烟酸释放实验，研究其释药过程动力学模型。

1　实验

1.1　材料、试剂与仪器

核桃壳质颗粒炭化料，广州君来化工有限公司，经研磨并筛分至40～60目，备用。

烟酸，分析纯，天津科密欧化学试剂开发中心。

SK2型管式电阻炉、KSW-4D-11A型温度控制器，湖北英山县建力电炉制造有限公司。不锈钢反应管外径、内径及长度分别是35 mm、22 mm及1 196 mm。

1.2　核桃壳活性炭的制备

将10 g炭化料置入不锈钢反应管中部，通入N2除去反应管中的空气，以10 ℃·min-1加热升温。当温度升至150 ℃时，停止通入N2并同时通入CO2，气流量恒定在1.5 L·min-1。加热至设定温度(650～900 ℃)活化相应的时间(0.5～3 h)，通入N2冷却至常温。用50%乙醇浸泡，然后用蒸馏水冲洗，再用稀NaCl溶液和稀Na2CO3溶液冲洗，最后用蒸馏水洗净，120 ℃下干燥12 h，得核桃壳活性炭。

1.3　烟酸体外释放实验

采用自制浆法释放装置模拟人体内环境，进行核桃壳活性炭体外释放烟酸实验。37 ℃下，将核桃壳活性炭置于烟酸溶液中吸附至饱和，抽滤、干燥后置于500 mL蒸馏水、人工胃液或人工肠液中搅拌[(100±4) r·min-1]，定时取样测定烟酸浓度，同时补充等量的预热过的释放介质。

1.4　烟酸浓度的测定

采用紫外分光光度法测定烟酸浓度。分别以蒸馏水、人工胃液或人工肠液为溶剂，配制0.005～0.05 mg·mL-1范围内不同浓度的烟酸溶液，测定吸光度，绘制烟酸浓度(c)与吸光度(A)之间的标准曲线，标准曲线的拟合结果见表1。

表1烟酸的标准曲线拟合结果

Tab.1Curve-fittingresultsforcalibrationplotofnicotinicacid

介质标准曲线R蒸馏水c=003040A+000082099926人工胃液c=002846A-000080099944人工肠液c=003327A-000120099949

2　结果与讨论

2.1　活化温度对活性炭得率及烟酸吸附量的影响

固定活化时间为2 h，考察活化温度对活性炭得率及烟酸吸附量的影响，结果见图1。

图1　活化温度对活性炭得率及烟酸吸附量的影响

由图1可知，随着活化温度的升高，活性炭得率不断下降，900 ℃时得率仅为34.8%。这是因为，炭(C)与CO2的反应是一个吸热过程，随着活化温度的升高，反应加剧，参与CO2反应的炭也会增加，得率随之降低。随着活化温度的升高，烟酸吸附量逐渐升高,850 ℃时吸附量达到191.52 mg·g-1。这是因为，活化温度升高，炭的反应量增加，已有的微孔结构被破坏，中孔结构增加，更易吸附较大的烟酸分子；另外，反应过程中也会形成新孔，比表面积也会随之增大，从而吸附量进一步增大。但超过850 ℃后，烟酸吸附量略有下降。这可能是由于CO2与炭反应过于剧烈，部分孔结构破坏生成大孔，导致对烟酸分子的吸附能力减弱，因而吸附量下降[8]。

2.2　活化时间对活性炭得率及烟酸吸附量的影响

固定活化温度为800 ℃，考察活化时间对活性炭得率及烟酸吸附量的影响，结果见图2。

图2　活化时间对活性炭得率及烟酸吸附量的影响

由图2可知，随着活化时间的延长，活性炭得率逐渐下降。这是由于，CO2对炭化料的活化实质上是炭的氧化反应，随着反应时间延长，参与反应的炭量增加，炭的烧失率增加，因而得率会降低。核桃壳活性炭对烟酸的吸附量随着活化时间的延长而升高。这是因为，800 ℃下CO2与炭反应较剧烈，活化时间延长，中孔结构逐渐增多，有利于对较大烟酸分子的吸附。

2.3　不同介质中的烟酸体外释放曲线

37 ℃下核桃壳活性炭在蒸馏水、人工胃液、人工肠液中对烟酸的体外累计释放曲线见图3。

图3　活性炭于三种不同介质中对烟酸的释放曲线

由图3可知，在人工肠液中烟酸的11 h累计释放率最高(47.69%)，人工胃液中次之(43.96%)，而蒸馏水中最低(14.48%)。这说明，人工肠液、人工胃液能明显促进对烟酸的释放。核桃壳活性炭在不同的释放介质中释放烟酸的过程一般可分为三个阶段：突释期、缓释期和平衡期。突释阶段是指在较短的时间内释放了较多药物，大约维持1.5～2 h；在缓释阶段，核桃壳活性炭释放药物的速率大大减缓；最后释药达到平衡阶段，烟酸浓度波动很小。当活性炭释放烟酸达到平衡状态时，从宏观上看，药物释放过程已经完成，释药过程停止。

本研究采用零级、一级以及Higuchi三种常用的体外释药动力学模型对释药过程进行了动力学模拟(活性炭于蒸馏水中突释期维持时间过短，仅1 h左右，其后变化很小，因此蒸馏水中的缓释期不进行拟合)，拟合结果见表2、表3。表中R为相关系数，MSE为均方误差。R值越大且MSE越小，则拟合效果越好。

表2突释期的动力学模拟拟合结果

Tab.2Thefittingresultsofdynamicssimulationforsuddenreleaseperiod

表3缓释期的动力学模拟拟合结果

Tab.3Thefittingresultsofdynamicssimulationforsustainedreleaseperiod

介质动力学模型拟合结果RMSE人工胃液零级w=1787t+29346095861264一级ln(1-w100)=-00290t-03401096771157Higuchiw=8159t1/2+20564098210834人工肠液零级w=1511t+32634095701395一级ln(1-w100)=-00259t-03878096601266Higuchiw=7412t1/2+24174098190909

由表2、表3可知，不同阶段的活性炭于不同介质中释放烟酸的过程采用Higuchi模型拟合的R值最大且MSE最小，表明活性炭释放烟酸的过程均符合Higuchi模型[9]。

3　结论

(1)以核桃壳质颗粒炭化料为原料，在850 ℃活化温度下，以1.5 L·min-1的流量通入CO2活化2 h后得到的核桃壳活性炭具有较高的得率，且对烟酸吸附量达到了191.52 mg·g-1。

(2)吸附了烟酸的核桃壳活性炭在人工胃液和人工肠液中对烟酸的释放效果良好，在人工胃液和人工肠液中11 h的释放率分别达到了43.96%和47.69%。

(3)采用零级、一级和Higuchi三种常用的体外药物释放动力学模型对核桃壳活性炭于不同介质、不同阶段中的释药过程进行了动力学模拟，Higuchi模型的拟合效果最好，表明活性炭对烟酸的释放过程更符合Higuchi模型 。

(致谢：感谢“E+”双专业一体化复合型人才培养模式创新实验区以及湖北省高等学校大学生创新活动基地“武汉工程大学化工与环境类大学生创新活动基地”的大力支持。)

参考文献：

[1]沈曾民，张文辉，张学军.活性炭材料的制备与应用[M].北京:化学工业出版社,2006：15.

[2]张哲,郭嘉,王醒,等.椰壳活性炭改性及其烟酸缓释性能的研究[C]//中国化学会第16届反应性高分子学术研讨会.兰州.2012.

[3]王治一，余淑勤．口服活性炭在临床治疗中的应用[J].中草药,2002,33(6):569-570.

[4]立本英机，安部郁夫，著，高尚愚，译.活性炭的应用技术——其维持管理及存在问题[M].南京:东南大学出版社,2002:503-508.

[5]洪正源,郭嘉,袁军,等.活性炭对维生素B3和维生素C吸附与缓释行为研究[J].应用化工,2009,38(12):1742-1745.

[6]胡章,陈锦燕,周昭勇,等.大型海藻细基江蓠制备活性炭的研究[J].化学与生物工程,2012,29(10)：31-33.

[7]AHMADPOUR A,DO D D.The preparation of activated carbon from macadamia nutshell by chemical activation[J].Carbon,1997,35(12):1723-1732.

[8]侯方,陈明,佟明友.硝酸处理对活性炭性质的影响[J].化学与生物工程,2011,28(5)：70-74.

[9]WANG S B.Ordered mesoporous materials for drug delivery[J].Microporous and Mesoporous Materials,2004,117(2):1-9.