SiO2纳米胶囊的细乳液法制备及其载药性能研究

崔勤敏，姚莹，施琦渊，杜文婷

（杭州医学院药学院，浙江 杭州 310053）

SiO2纳米胶囊的细乳液法制备及其载药性能研究

崔勤敏，姚莹，施琦渊，杜文婷

（杭州医学院药学院，浙江 杭州 310053）

在细乳液反应体系中，以阳离子型乳化剂稳定的纳米油滴为模板，通过正硅酸乙酯（TEOS）的界面水解-缩合反应制备SiO2纳米胶囊，并将其用于装载姜黄素。采用动态光散射和透射电镜研究了SiO2纳米胶囊的尺寸和形态；采用红外光谱和热失重测试研究了SiO2纳米胶囊装载姜黄素的能力；采用紫外-可见分光光度计研究了装载姜黄素的SiO2纳米粒子的姜黄素缓释动力学。结果表明：细乳液法能高效地制备SiO2纳米胶囊，其尺寸和壳壁稳定性能通过阳离子乳化剂和TEOS的用量调控；SiO2纳米胶囊能高效地装载姜黄素，且对其有一定的缓释效果。

SiO2纳米胶囊；细乳液；水解-缩合反应；姜黄素

0 引言

纳米胶囊因能用于装载药物、催化剂、反应性化合物等活性成分，而在药物传递、自愈材料、催化、功能涂料等领域有重要的应用价值[1]。乳液、微乳液和细乳液等非均相反应体系常被用来制备纳米胶囊[2]。Landfester等人首先提出以纳米液滴为软模板，通过细乳液聚合反应制备聚合物纳米胶囊的方法[3]。该方法具有一步形成纳米胶囊，模板化合物易去除等优点，一经报道就引起广泛关注，目前，该技术已能高效地制备分别以聚合物、有机－无机杂化聚合物和无机材料为壳壁的纳米胶囊[4-6]。SiO2是一种惰性且有优异生物相容性、热稳定性和机械稳定性的无机材料，在一定条件下还能形成多孔结构。基于此，以SiO2为壳壁的纳米胶囊已发展成了一类重要的纳米药物传递材料[7]。目前，虽有通过细乳液反应技术制备SiO2纳米胶囊的文献报道[8-9]，但是对以该技术制备的SiO2纳米胶囊的结构与载药能力和药物缓释性能的关系研究还很缺乏。

本论文在细乳液反应体系中，以阳离子型乳化剂稳定的纳米油滴为软模板，通过正硅酸乙酯（TEOS）的界面水解－缩合反应，制备了SiO2纳米胶囊。系统研究了阳离子乳化剂用量和油相TEOS质量分率对SiO2纳米胶囊的尺寸及其壳壁稳定性的影响。最后以SiO2纳米胶囊为载体，装载了姜黄素，并研究了姜黄素的释放行为。

1 试验

1.1实验材料与仪器

实验材料：姜黄素（98%）、TEOS（分析纯）、氯化钠（分析纯）、无水磷酸二氢钾（分析纯）和十二水合磷酸二氢钠（分析纯）购于阿拉丁试剂有限公司。其他药品有正十六烷（HD，99%，Acros Organics公司）、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB，分析纯，国药试剂有限公司）、异辛烷（分析纯，上海凌风化学试剂有限公司）、四氢呋喃（THF，分析纯，杭州高晶精细化工公司）、乙醇（分析纯，杭州双林化学试剂厂）和去离子水（实验室自制）。

实验仪器：Nicolet 5700型傅里叶红外光谱仪（美国热电尼高利公司）、Hitachi HT-7700型透射电子显微镜 （日本日立公司）、Quantachrome Autosorb-1-C型氮气吸脱附仪 （美国康塔仪器公司）、Malvern ZS-90型动态光散射粒度仪（英国马尔文仪器公司）、UV-2600紫外－可见分光光度仪（日本岛津公司）、PerkinElmer Pyris I热失重仪（美国珀金埃尔默公司）、新芝JY92-IIDN型超声波细胞处理仪 （宁波新芝生物科技股份有限公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 细乳液法制备SiO2纳米胶囊

首先配置不同TEOS质量分率的油相，其中HD的质量固定为0.6 g，TEOS和异辛烷的总质量为 1.0 g，TEOS占油相 （包括 TEOS、HD和异辛烷）的质量分率在47.3~94.3 wt%范围内变化。然后配置CTAB的水溶液，其中CTAB用量在0.009~0.036 g范围内调节，水的质量固定为12.5 g。将上述两溶液混合后，在700 rpm的转速下预乳化15 min，然后超声处理制备细乳液。采用功率为400W，工作12 s、间歇6 s的脉冲超声处理方式。将制得的细乳液置于40℃的油浴中，反应48 h得到SiO2纳米胶囊。

1.2.2 姜黄素装载

30 mg中空SiO2粒子置于 10 mL浓度为12.5mg·mL-1的姜黄素THF溶液中，在超声功率为400W，工作12 s、间歇6 s的脉冲工作模式下超声5 min，随后在30℃条件下避光搅拌24 h，完成对姜黄素的装载。在12 000 rpm的转速下，离心5min，回收装载了姜黄素的SiO2粒子。将上述装载了姜黄素的SiO2粒子再重新分散于水中，离心分离，上述操作重复3次，最后，将所得样品冷冻干燥24 h，除去溶剂。

1.2.3 姜黄素释放动力学研究

在透析袋中加入1 mL缓释介质（PBS/乙醇=50/50）和7.5mg装载姜黄素的SiO2粒子，然后将透析袋置于37℃、200mL缓释介质中，每隔2 h取出2mL缓释介质，同时补充2mL新的缓释介质，样品用紫外－可见分光光度计分析，来跟踪姜黄素的累积释放量。

1.2.4 表征方法

（1）动态光散射（DLS）：用马尔文动态光散射粒度仪测定纳米粒子的Z均粒径。具体操作为：取一滴待测分散液，用2mL水稀释，超声波振荡1~2min后，加入聚苯乙烯的比色皿中进行DLS测试，粒径取三次测试的平均值。

（2）透射电镜（TEM）：取一滴待测分散液，用2mL左右的水稀释，摇匀后，取一滴稀释后的分散液，置于230目的无碳芳华膜上，室温自然晾干。样品用Hitachi HT-7700透射电子显微镜观察，加速电压为80 kV。从TEM图片中统计200个粒子的尺寸，得到纳米粒子的数均粒径。

（3）氮气吸附：待测样品在测试前先在180℃的高真空条件下脱气10 h以上。脱气后的样品用Quadrasorb SI氮气吸脱附仪采集N2吸脱附等温曲线数据，测试温度为77 K。数据收集完成后，选择吸附曲线中相对压力p/p0在0.05~0.35之间的数据，用BET方法计算比表面积；用BJH方法分析吸附数据得到孔径分布曲线。

（4）红外光谱（FTIR）：取微量待测样品粉末与KBr粉末混合，研磨后压片，通过Nicolet 5700型傅里叶红外光谱仪记录样品红外光谱。

（5）热失重（TGA）：采用美国 PE 公司的 Pyris I热失重分析仪表征充分干燥后的中空SiO2粒子和装载姜黄素的SiO2纳米粒子的热失重情况。测试在N2气氛下进行，以20℃·min-1的升温速率从室温升至700℃。

（6）紫外光谱测试：将2 mL缓冲介质置于石英比色皿中，用岛津公司UV-2600紫外-可见光谱分析仪采集该缓冲液在300~600nm波长范围内的紫外可见光谱信息。

2 结果与讨论

2.1 SiO2纳米胶囊的制备

在水基细乳液体系中，以阳离子乳化剂CTAB稳定的异辛烷/TEOS纳米液滴为模板，处于油水界面的TEOS与水接触后发生水解－缩合反应生成SiO2。在中性条件下，新形成的SiO2带负电，其在带正电的CTAB的作用下，在液滴表面沉积。由于液滴表面的TEOS不断消耗，液滴内部的TEOS向油水界面迁移，进而发生水解－缩合反应。随着此过程的不断进行，SiO2在液滴表面不断沉积，最终形成“核－壳”结构清晰的SiO2纳米胶囊，见图1。DLS测得该SiO2纳米胶囊的Z均粒径为130 nm，需指出的是，TEM统计的该产物的数均粒径为48 nm，明显小于DLS的结果。这是因为DLS测定的是乳液中SiO2纳米胶囊的粒径，粒径中包含了乳化剂水合层的贡献，而TEM测定的是干态条件下中空SiO2纳米粒子的尺寸，此条件下不存在乳化剂水合层，而且随内容物异辛烷的挥发，SiO2纳米粒子可能会出现一定程度的收缩，所以TEM测得的粒径小于DLS的结果。此外，与Z均统计方法相比，小尺寸颗粒对数均粒径的贡献较大，导致TEM统计得到的数均粒径明显小于Z均粒径。

2.2 SiO2纳米胶囊尺寸及其形貌调控

（1）CTAB 用量

图1 典型的细乳液反应形成的SiO2纳米胶囊的电镜图（TEOS的质量分率为70.8 wt%；CTAB的用量为0.018 g）Figure 1 Typical TEM image of silica nanocapsules prepared through the hydrolysis and condensation reactions of TEOS inminiemulsions（Theweight content of TEOSwas 70.8 wt%；the amount of CTABwas 0.018 g）

图2 不同CTAB用量条件下制得的SiO2纳米胶囊的粒径（a）和TEM图（b－d）（TEOS的质量分率为70.8 wt%）Figure 2 Particle sizes （a） and TEM images （b－d） of the silica nanocapsules synthesized in the miniemulsion systemswith various CTAB amounts（theweight contentof TEOSwas 70.8 wt%）

研究发现，CTAB用量对SiO2纳米胶囊的粒径和形态有显著影响。由图2a可知，CTAB用量在0.009~0.036 g范围内时，随CTAB用量增加，Z均粒径明显下降。由TEM结果可知，当CTAB用量在0.009~0.027 g范围内时，所得产品均呈现胶囊形态，而且壳壁完整，说明上述体系能制得壳壁稳定性优异的SiO2纳米胶囊 （图1、2b和2c）。需指出的是，当CTAB进一步增加至0.036 g时，尽管粒子的形貌仍是胶囊，但是TEM图片中出现了一定数量的不完整的胶囊（图2d）。TEM在干燥且高真空条件下观察样品，因此SiO2纳米胶囊在干燥过程中，可能由于溶剂的挥发而破碎。因此TEM结果不能完全反映SiO2纳米胶囊在水分散液中的状态，但是上述结果说明该乳化剂用量下SiO2纳米胶囊的壳壁稳定性变差。

（2）TEOS 质量分率

在SiO2纳米胶囊的制备过程中，TEOS既是形成SiO2壳壁的前驱物，又与异辛烷一起作为形成胶囊结构的模板，因此油相中TEOS的含量对于粒子的尺寸及形貌均会产生影响。由图3a可知，随油相中TEOS含量的增加，SiO2纳米胶囊的Z均粒径呈下降趋势，这是因为随油相中TEOS含量的增加，油水界面张力下降，油相更易分散所致。由TEM结果可知，TEOS含量较低的体系制得的SiO2粒子虽然呈胶囊形态，但是壳壁稳定性较差，产品的电镜图中有较多破碎的粒子（图3b和c）。这是因为这两个体系中，TEOS含量低，形成的SiO2壳壁薄，其在干燥过程中难以抵抗粒子收缩的力而破碎。当油相中TEOS含量增加至70.8 wt%以上后，各体系合成得到的产品仍呈胶囊形态，而且壳壁的稳定性有了极大的提高，TEM图中的粒子均为形态完整的SiO2纳米胶囊（图1、3d 和 3e）。

2.3 SiO2纳米胶囊的孔结构

图3 不同TEOS质量分率条件下制得的SiO2纳米胶囊的粒径（a）和TEM图（b~e）（CTAB的用量为 0.018 g）Figure 2 Particle sizes （a） and TEM images （b~e） of the silica nanocapsules synthesized in the miniemulsion systemswith various TEOS contents （the amountof CTAB was 0.018 g）

对CTAB用量为0.018 g，TEOS质量分率为70.8 wt%的体系制得的SiO2纳米胶囊进行了氮气吸脱附实验，结果见图4。SiO2纳米胶囊的氮气吸脱附曲线为典型的IV型曲线（图4a），说明该材料具有典型的中孔结构，比表面积为270m2·g-1，孔径呈双峰分布，主要集中在8 nm左右。高比表面积有利于药物的富集，壳壁上的孔道则有利于实现药物在胶囊内外的传递。

图4 SiO2纳米胶囊的氮气等温吸脱附曲线（a）和孔径分布图（b）（TEOS的质量分率为70.8 wt%；CTAB的用量为0.018 g）Figure 4 Isotherm （a） and pore size distribution （b） of silica nanocapsules （The weight content of TEOS was 70.8 wt%；the amount of CTAB was 0.018 g）

2.4 姜黄素的装载和释放

图5 姜黄素、SiO2纳米胶囊和装载姜黄素的SiO2纳米粒子的红外谱图（a）；装载姜黄素前后SiO2纳米粒子的热失重曲线（b）；装载姜黄素的SiO2纳米粒子的姜黄素缓释曲线（c）Figure 5 FTIR spectra of curcumin，silica nanocapsules，and curcumin-loaded silica nanoparticles （a）；TGA curves of silica nanocapsules and curcumin-loaded silica nanoparticles （b）； curcumin release curve of the curcumin-loaded silica nanoparticles （c）

姜黄素溶解实验发现，姜黄素在THF中有较好的溶解能力，因此姜黄素的装载实验在姜黄素的THF溶液中完成。以CTAB用量为0.018 g，TEOS质量分率为70.8 wt%的体系制得的SiO2纳米胶囊为例，用实验部分描述的方法装载姜黄素。图5a是姜黄素（曲线I）、SiO2纳米胶囊（曲线II）和装载姜黄素的SiO2粒子（曲线III）的红外谱图，由图可知，装载了姜黄素的SiO2粒子同时出现了SiO2在1090 cm-1和姜黄素在1510 cm-1的特征峰，说明SiO2胶囊已成功装载姜黄素。姜黄素的装载量用热失重表征，结果见图5b。由图可知，装载姜黄素SiO2粒子中姜黄素的含量为6.5 wt%。将装载姜黄素的SiO2粒子分散于PBS/乙醇缓释介质中，研究其姜黄素的释放行为。由图5 c可知，姜黄素的释放可分三个阶段，在第I阶段（0~10 h），姜黄素以相对较快的速度释放；当释放量达到60%后，进入释放的第II阶段（10~16 h），姜黄素的释放速率变慢；在释放的第III阶段（16~48 h），姜黄素的累积释放量有所下降。第III阶段姜黄素的累积释放量下降主要是由于姜黄素的降解所致。

3 结论

在细乳液反应体系中，以阳离子乳化剂稳定的油滴为软模板，通过TEOS的水解－缩合反应能高效地制备SiO2纳米胶囊。胶囊的尺寸及壳壁稳定性能通过CTAB用量和TEOS的质量分率调控。CTAB用量在0.009~0.027 g范围内、TEOS质量分率高于70.8 wt%时，能制得壳壁稳定性较好的SiO2纳米胶囊。氮气吸附实验结果显示SiO2粒子的壳壁具有介孔结构，比表面积高达270m2·g-1。SiO2纳米胶囊能用于姜黄素的装载，姜黄素的释放动力学可分为三个阶段，在16 h时，姜黄素的累积释放量可达68%。本文的研究结果对于SiO2纳米胶囊的结构调控及其在药物缓控释放领域的应用有一定的借鉴意义。

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Abstract：Silica nanocapsuleswere successfully prepared through an interfacial hydrolysis－condensation reaction inminiemulsionsby using cationic surfactantstabilized oil droplets as soft templates.The particle size and morphology of silica nanocapsules were characterized by transmission electron microscopy and dynamic lightscattering.The resultspointed out that the particle size andmorphology could be conveniently tuned by the amount of cetyltrimethylammonium bromide and the weight content of TEOS in oil phase.The nitrogen sorption analysis showed that the silica shell had amesoporous structure.The Fourier transform infrared spectra and thermogravimetric analyses indicated that curcumin was successfully loaded by silica nanocapsules.The loaded curcumin could be released from silica nanoparticles，displaying a sustained release behavior.

Keywords：silica nanocapsules； miniemulsion； hydrolysis-condensation reaction； curcumin

Preparation of Silica Nanocapsules in M iniemulsions and Their Application as Curcum in Nanocarriers

CUIQin-m in，YAO Ying，SHIQi-yuan，DUWen-ting
（School of Pharmacy，Hangzhou Medical College，Hangzhou，Zhejiang 310053，China）

1006-4184（2017）9-0045-06

2017-05-02

浙江医学高等专科学校科技计划项目（2008XZA02）。

崔勤敏（1979－），副教授，主要从事纳米药物载体的制备及其性能优化、药物质量分析等研究。E-mail:xxcuicn@163.com。