木质素季铵盐-海藻酸钠聚合物负载阿维菌素粉体的制备及抗紫外光性能分析

卢 晶, 罗华超， 张 琼, 方桂珍*, 任世学

(1.东北林业大学 材料科学与工程学院,黑龙江 哈尔滨 150040；2.中国林业科学研究院 林产化学工业研究所，江苏 南京 210042)

·研究报告——生物质化学品·

木质素季铵盐-海藻酸钠聚合物负载阿维菌素粉体的制备及抗紫外光性能分析

卢 晶1, 罗华超1， 张 琼2, 方桂珍1*, 任世学1

(1.东北林业大学 材料科学与工程学院,黑龙江 哈尔滨 150040；2.中国林业科学研究院 林产化学工业研究所，江苏 南京 210042)

以三甲基木质素季铵盐-海藻酸钠(QL-SA)为载体，用物理混合法制备了阿维菌素缓释聚合物(AVM-QL-SA)，利用FT-IR对其结构进行了表征，探讨了交联剂用量、药物加入量、体系pH值等因素对载药量和包封率的影响，并对其缓释性能和抗紫外光降解进行了研究。结果表明：阿维菌素(AVM)均匀的混合在QL-SA载体中，主要以物理混合为主；最佳制备条件为：戊二醛为5%(以单体质量分数计)、药物加入量为1%(以单体质量分数计)、体系pH值为8.5，载药量和包封率分别达到1.36%和73.36%；阿维菌素缓释聚合物粒径符合正态分布，平均粒径为83.90 μm；阿维菌素缓释聚合物具有很好的缓释性能，在乙醇/水(体积比1 ∶1)中释放30 h，累计释放率为88.97%；经8 h紫外光照射，阿维菌素原药中AVM残留量为6.24%，阿维菌素缓释聚合物中AVM残留量为37.75%，具有良好的抗紫外分解性能。

木质素季铵盐；聚合物；阿维菌素；缓释

由于传统农药剂型的有效利用率低，流失率高，不仅在经济上造成浪费，同时产生环境污染，对食品的安全也构成很大的威胁，因此农药新剂型的开发一直被视为国内外的研究热点[1-2]。物理型缓释农药主要依靠高分子化合物与原药间的物理结合形成，缓释能力由药物在载体中扩散速率控制[3-4]。相对于化学缓释剂而言，物理型缓释剂制备过程简单、可控性强、可充分发挥药效，其发展尤为迅速。与此同时，聚合物农药的研究也越来越引起人们的广泛关注[5-6]。

阿维菌素(AVM)是一种新型农畜两用抗生素，为我国高毒农药的替代产品，因具有高效、低毒、高选择性等特点，被农业部推荐为无公害农药[7]。然而阿维菌素在水和土壤中的光照降解半衰期分别为12和21 h，是一种易光分解的物质[8-9]。因此，在农用开发中如何提高阿维菌素的光稳定性，以延缓其光分解，提高持效期，降低用药次数一直是国内外研究的热点[10]。两性聚合物因其化学性能好、水化能力强且不易受溶液pH值的影响，被广泛用于生物医用材料、石油工业和污水处理等领域，将其应用于缓释材料也成为近年来的研究热点。三甲基木质素季铵盐-海藻酸钠(QL-SA)为两性聚电解质，它的分子中同时存在季铵盐阳离子和羧基阴离子，当溶液pH值小于其等电点时，其负电荷中心载体—COO-会接受一个质子而形成阳离子；反之，当溶液pH值大于其等电点时，其正电荷中心载体季铵氮由于不能失去质子，而只能以内盐的形式存在，且QL-SA制备原料简单易得[11]，木质素季铵盐(QL)是一种无毒、可生物降解的高分子聚合物，不会带来二次污染[12-14]。Singh等[15]通过研究在海藻酸钠中加入高岭土和膨润土，测试其对福美双的释放性能，表明海藻酸钠是一种优良的控释载体，可以减缓药物的释放速率。本研究以两性聚合物三甲基木质素季铵盐-海藻酸钠为载体，采用物理混合法制备出了阿维菌素缓释聚合物，采用FI-IR对其结构进行表征，探讨了不同因素对载药量和包封率的影响，并考察了其缓释性能和抗紫外光降解性能，旨在为阿维菌素缓释剂的开发提供依据。

1 实 验

1.1 材料与仪器

阿维菌素原药，河北威远生物化工股份有限公司；三甲基木质素季铵盐(含固量约为36%,密度为1.08 g/cm3)，山东泉林纸业有限公司；三甲胺水溶液、环氧氯丙烷、过硫酸铵、海藻酸钠、 25%戊二醛、无水乙醇、盐酸和氢氧化钠均为分析纯。

HX-2050恒温循环器，北京博医康实验仪器有限公司； FTIR- 650傅里叶变换红外光谱仪，天津港东科技有限公司；LG10-2.4A型高速离心机，北京医用离心分离机厂；TU-1901 UV紫外分光光度计，北京普析通用仪器有限责任公司； LS13320激光粒度仪，BECKMAN公司； 19 W超净台紫外灯，苏净集团安泰公司。

1.2 阿维菌素缓释聚合物(AVM-QL-SA)的制备

在80 ℃条件下向装有搅拌和回流装置的三口瓶中依次加入10 mL三甲基木质素季铵盐溶液和一定量丙酮溶解的阿维菌素(以单体质量分数计，下同)，调节反应溶液pH值为8～10， 500 r/min搅拌0.5 h后，再加入3 g完全溶解的海藻酸钠溶液，待溶液混合均匀后，加入一定量的25%戊二醛溶液(以单体质量分数计，下同)，反应体系在500 r/min条件下继续搅拌4 h后，冷却至室温，然后将产品经多次水洗离心，将其中未反应的原料洗去，最后真空干燥得到棕褐色颗粒状的含阿维菌素的两性聚合物AVM-QL-SA。同时，制备空白QL-SA聚合物(即阿维菌素加入量为0)作为参照。

1.3 红外光谱分析

采用溴化钾压片法在傅里叶红外光谱仪上进行测定。取2 mg试样与200 mg KBr制成薄片，频率范围4000～400 cm-1，分辨率为4 cm-1，光谱无平滑处理。

1.4 粒度分析

采用激光粒度仪对QL-SA和AVM-QL-SA的粒径进行表征。

1.5 AVM-QL-SA载药量和包封率的测定

1.5.1 标准曲线的建立 精确称取适量阿维菌素原药，加入二氯甲烷溶解，并稀释成5、10、 15、 20、 25 mg/L的溶液，以二氯甲烷作为空白，在245 nm波长处分别测定吸光度，将吸光度(Y)与质量浓度(X)进行线性回归，回归方程为：Y=0.031 8X+0.028 2(R2=0.999 6)。

1.5.2 载药量和包封率的测定 准确称取10 mg研细的干燥AVM-QL-SA粉末放入10 mL棕色容量瓶内，用二氯甲烷定容，室温下溶解24 h后，取上清液1 mL稀释，用紫外分光光度计在245 nm处测定其吸光度，从吸光度-质量浓度标准曲线求出AVM质量浓度。以相同方法处理空白QL-SA粉末，作为参比溶液，按下式计算载药量(η)和包封率(y)：

η=(c×0.01×10)/m×100%

(1)

y=(η/ω)×100%

(2)

式中：c—AVM质量浓度,mg/L；m—干燥研细的AVM-QL-SA粉末质量,mg；ω—AVM的理论含量(实际加入量)。

1.6 AVM-QL-SA缓释性能的测定

1.6.1 标准曲线的测定 用50%乙醇溶液作溶剂，方法同1.5.1节。回归方程为：Y=0.024 1X+0.013 6(R2=0.999 9)。

1.6.2 缓释性能测定 分别取一定量的AVM-QL-SA及AVM原药(两者有效成分含量相等)放置于透析袋中，将透析袋浸泡在装有释放介质(50%去离子水+50%乙醇)的100 mL称量瓶中，恒温(28 ℃)静态释放，间隔一定时间取样，并用新鲜的释放介质完全置换浸泡液，使浸泡液中的AVM质量浓度始终满足“渗漏”条件。

以50%的乙醇溶液为空白，在波长245nm处测定AVM原药及AVM-QL-SA的紫外吸收。取空白QL-SA与上述样品同样地浸泡和取样，测定吸光度作为参照。根据标准曲线计算AVM浓度及其释放量，绘制累积释放量(γ)-时间(t)的阿维菌素释放动力学曲线。

γ=(c×0.1)/(m0×η)×100%

(3)

式中：c—AVM质量浓度，mg/L；m0—AVM-QL-SA的质量，mg；η—AVM的载药量(%)。

1.7 紫外光降解性能分析

精确称取含有1 mg阿维菌素的原药和阿维菌素缓释聚合物，分别加入到100 mL含有50%乙醇的烧杯中，充分溶解后置于19 W的超净台紫外灯30 ℃下直接照射，灯与液面距离为30 cm。分别于0、 0.5、 1、 2、 4、 6、 8、 18、 24 h 测定溶液吸光度值，残留率=(溶液中阿维菌素的质量浓度×0.1/阿维菌素质量)×100%，分析阿维菌素缓释聚合物防紫外光降解性能。

2 结果与分析

2.1 不同条件对AVM-QL-SA载药量和包封率的影响

以戊二醛为交联剂，交联剂的用量、AVM用量和反应体系的pH值为3个因素，通过单因素试验研究反应条件对AVM-QL-SA载药量和包封率的影响，综合得出AVM-QL-SA合成的最佳条件。

2.1.1 戊二醛用量 交联剂是合成过程中的重要条件，戊二醛分子有2个可以交联的官能团，可以与木质素季铵盐的醇羟基和海藻酸钠的羟基发生交联反应，反应过程中也可能伴随着海藻酸钠的自缩合和半缩醛甚至进一步成为缩醛的副反应发生，形成一种交联键桥结构，将药物固定在骨架中。

在阿维菌素加入量为1%，pH值为8.5的条件下，戊二醛用量对载药量和包封率的影响加如图1(a)所示。从图1(a)中可以看出，不同的交联剂用量对聚合物的载药量和包封率的影响较大，随着戊二醛用量的增加，载药量和包封率先增大后减小，这是由于随着戊二醛的增多，所能交联的醛基数量增大，交联的密度增大，所形成的网状结构更紧密，导致载药量和包封率增加；增加到一定量时，交联程度最大；继续加大戊二醛用量，载药量和包封率却有所降低，这是由于交联剂用量继续增加后，导致生成的网络结构太过密实且内外交联的不均匀性加大，反而无法吸附更多的药物。因此，戊二醛的用量为5%，此时载药量和包封率相对最大，分别为1.36%和73.36%。

2.1.2 阿维菌素加入量 在戊二醛的加入量为6%，pH值为8.5的条件下，阿维菌素加入量对载药量和包封率的影响如图1(b)所示。从图1(b)中可以看出，包封率随着阿维菌素加入量增加先增加后减少，而载药量随之增大。这是由于当阿维菌素分子与载体结合时，将首先发生在最有利的位置上，而当阿维菌素的负载量越大，结合在载体不利位置上的分子数量越多，当制备缓释制剂后期(水洗产物)时，负载在不利位置上的药物分子就容易被洗脱出来，所以药物包封率会减小。由图中可以看出，当阿维菌素的用量为1%时，包封率相对较大。

2.1.3 pH值 药物缓释制剂的形态和包封率与制备时溶液的pH值关系密切。在戊二醛加入量为6%，阿维菌素加入量为1%的条件下，pH值对载药量和包封率的影响如图1(c)所示。从图1(c)中可以看出，当反应体系的pH值为8.5左右时，载药量和包封率相对较高。可能原因是：在三甲基木质素季铵盐与海藻酸钠合成过程中混入农药阿维菌素，主要是通过两性聚合物在合成过程中形成无定型的网状结构，阿维菌素分子会固定在网络架桥中，当体系的pH值为8.5左右时，反应体系中OH-的含量，恰好达到了QL-SA两性聚合物的等电点[11]，由于静电吸引，分子链卷曲收缩，在溶液中的溶解性往往会变差，固定在聚合物结构中的阿维菌素分子数量增多，在水洗过程中不易溶出，从而载药量和包封率较大。

图1 不同条件对AVM-QL-SA载药量和包封率的影响

综上，最佳AVM-QL-SA制备条件为：戊二醛用量为5%，阿维菌素用量为1%，反应体系的pH值为8.5。在此条件下制备AVM-QL-SA包封率和载药量可达到73.36%和1.36%。

2.2 红外光谱分析

图2中曲线a为阿维菌素原药的红外光谱图，可以看出，阿维菌素原药的特征吸收峰有2969.83 cm-1的C—H和1049.08 cm-1的C—O伸缩振动吸收峰；图2中曲线b为AVM-QL-SA的红外光谱图，可以看出其在1049.08 cm-1处体现出了与AVM相匹配的特征峰，在2969.83 cm-1处有一个小的特征峰，此处对应为AVM的C—H伸缩振动吸收峰，由于AVM-QL-SA聚合物中添加的农药阿维菌素的量较少，加入量为1%，而交联剂的用量经实验分析恰好达到最佳交联程度，在合成过程中可能会有少量的阿维菌素与交联剂反应，但主要以物理混合为主，所以阿维菌素的吸收峰不会完全体现在AVM-QL-SA曲线中。AVM-QL-SA的红外光谱图与QL-SA的红外光谱图(图2中曲线c)大致相同，且没有新峰生成，故阿维菌素与QL-SA之间主要为物理混合。

2.3 QL-SA和AVM-QL-SA的粒径分析

采用激光粒度分析仪，分析的粒径范围为0.375～2 000 μm，涵盖了所有的颗粒的粒径分布尺寸范围，结果如图3所示。

粒径分布符合正态分布，大小分布比较均匀，峰型窄，分散度好，经数据统计分析可得，QL-SA的平均粒径为56.13 μm，AVM-QL-SA的平均粒径为83.90 μm，载药后的聚合物粒子增大，是由于农药分子已经成功负载到两性聚合物载体上，颗粒的平均粒径会有所增大。

图2 红外光谱图

2.4 阿维菌素的缓释性能

由图4可以看出：阿维菌素原药的释放速度很快，在6 h时，累积释放量已经达到99%，几乎完全释放，而阿维菌素缓释聚合物的缓释效果则很明显，其对阿维菌素的释放可大致分为3个阶段：突然释放阶段、匀速释放阶段、缓慢释放阶段。当缓释制剂浸渍于释放介质中时，被快速润湿，阿维菌素的释放出现了一个突然释放的阶段，主要是在0～0.5 h，释放量为15.41%；在0.5～12 h内，这一阶段曲线逐渐随着时间而上升，释放速率减小，进入匀速释放阶段，这是由于随着阿维菌素的溶出，制剂与介质中药物的浓度差逐渐减小，扩散的动力学也逐渐减小，此时，累计释放量达到71.28%。在12 h之后，曲线趋于平缓，释放速率逐渐降低，进入缓慢释放阶段；在30 h，累积释放量达到88.97%。由此可见，阿维菌素缓释聚合物具有良好的缓释效果。

2.5 阿维菌素缓释聚合物的防紫外光降解性能

从图5可以看出，在前4 h内原药中的阿维菌素量在紫外光照射下急剧地减少，表明阿维菌素在紫外光的直接照射下迅速降解，8 h时阿维菌素的残留率为6.24%。而阿维菌素缓释聚合物中的阿维菌素在紫外光照射下降解缓慢，8 h时阿维菌素的残留率为37.75%，直到24 h时阿维菌素的残留率为9.64%。由此可见，阿维菌素缓释聚合物对药物紫外光降解稳定性起到了显著效果。

图4 阿维菌素缓释聚合物和原药的累积释药百分率

3 结 论

3.1 以环境友好型的两性聚合物三甲基木质素季铵盐-海藻酸钠(QL-SA)为载体，采用了物理混合法制备出了阿维菌素缓释聚合物(AVM-QL-SA)，红外光谱证明了阿维菌素与QL-SA主要为物理混合态。

3.2 通过考察交联剂戊二醛用量、阿维菌素加入量、反应体系pH值对制备工艺条件进行优化，得到较好的制备条件为：戊二醛用量为5%、阿维菌素加入量为1%、反应体系的pH值为8.5，此条件下得出的载药量和包封率分别达到1.36%和73.36%。

3.3 对最优条件下制备的产品进行了缓释性能的测定，结果表明：阿维菌素缓释聚合物在乙醇/水(体积比1 ∶1)中释放30 h，累计释放量为88.97%，具有良好的缓释效果。

3.4 经8 h紫外光照射，阿维菌素原药及缓释聚合物中AVM残留量分别为6.24%和37.75%，阿维菌素缓释聚合物可有效地降低阿维菌素紫外光降解的速度，可使药物达到长效的作用。

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Preparation and UV-shielding Properties of Quaternary Ammonium Salt of Lignin-sodium Alginate Polymer Loading Avermectin

LU Jing1, LUO Hua-chao1, ZHANG Qiong2, FANG Gui-zhen1, REN Shi-xue1

(1.College of Material Science and Technology,Northeast Forestry University, Harbin 150040, China；2.Institute of Chemical Industry of Forest Products,CAF, Nanjing 210042, China)

Slow-release polymer of avermectin (AVM-QL-SA) was prepared using trimethyl quaternary ammonium salt of lignin-sodium alginate (QL-SA) as carriers by physical blending.Based on the structure elucidation of slow release-polymer through FT-IR,the effects of the factors such as the dosage of crosslink agent and abamectin as well as the pH fluctuation on the drug loading (DL) and the encapsulation efficieney (EE) were discussed.The results indicated that the avermectin was mixed with QL-SA uniformly and no chemical reaction happened.The optimal process conditions of AVM-QL-SA were the dosage of glutaraldehyde 4%(solids content),drug loading of 1%,the pH of reaction system 8.5(washing the product with water to neutral).Under these conditions,the obtained DL and EE were 1.36% and 73.36%,respectively and the particle size of AVM-QL-SA accorded with normal distribution with average particle size of 83.90 μm.AVM-QL-SA had good slow release performance and with the releasing time of 30 h in ethanol/water(1 ∶1).The rate of cumulative release was 88.97% and the residual rate of AVM was 37.75%.Under UV irradiation for 8 h,the residual rate was 6.24%.It was confirmed that AVM-QL-SA had the function of resistance against UV.

lignin quaternary ammonium salt;polymers;avermectin;slow-release

10.3969/j.issn.1673-5854.2015.03.004

2015- 01- 08

“十二五”农村领域国家科技计划课题项目(2012BAD24B0403)；国家自然科学基金资助项目(31170542)

卢 晶 (1991—),女,吉林白山人，硕士生，主要从事木质素化学研究

*通讯作者：方桂珍，教授，博士生导师，主要从事木质素与纤维素等天然高分子化学领域研究；E-mail:Fanggz_0@163.com。

TQ35

A

1673-5854(2015)03- 0017- 06