载5-氟尿嘧啶改性凹凸棒石的制备及缓释性能研究

(河西学院化学化工学院甘肃省河西走廊特色资源利用重点实验室，甘肃张掖，734000)

5-氟尿嘧啶(5-fluorouracil)由于其分子结构的独特性，在医学研究领域表现出了一定的抗肿瘤活性，并在控制病人肿瘤细胞复制及发展方面起到了至关重要的正面作用。鉴于此，关于5-氟尿嘧啶结构修饰及缓释等方面的研究引起了研究人员的广泛关注[1,2]。氟尿嘧啶作为抗肿瘤药物，主要是在体内转化为相应的核苷酸发挥作用。例如：在体内转变成三磷酸氟尿苷以伪代谢物的形式掺入RNA中，干扰RNA的合成等[3,4]。相关研究表明：通过静脉注射方式治疗肿瘤患者，出现血药浓度降低快，副作用大等问题。如果制成胶囊或片剂，服用后发现5-氟尿嘧啶多数在胃中被人体吸收，这将导致在肠道中的药物浓度偏低，对于肠癌患者的治疗效果欠佳，且短时间高浓度药物分子的释放会引起胃肠不适，甚至造成一定损伤[5]。为了解决上述问题，研发一些新型的肠道靶向药物缓释系统已成为当今的研究热点[6]。为了改善上述问题，研究人员提出了“药物缓释”这一概念，这种通过调节载体结构和官能团种类实现药物长效靶向释放的方式，间接解决了短时间内血药浓度过大，药物分子未充分利用等问题。

凹凸棒石作为储量丰富、分布广泛的矿物资源之一，以其特有的可修饰性、层状晶体结构、细长的棒状形态性质，已经在材料化学、矿物学和环境科学等领域显示出了优良的性能[7]。此外，凹凸棒石还是一种良好的载体材料，在催化、储能、生物抗菌、药物缓释及土壤修复等方面发挥着重要的作用，其中凹凸棒石肥料及土壤等已实现产业化生产。基于凹凸棒石的多孔结构，对重金属离子、霉菌毒素及其他污染物的吸附也凸显出一定的优势[8]。周红军课题组[9]通过Cu2+修饰的凹凸棒石负载杀虫剂型药物啶虫脒，总结分析了这种复合材料的药物缓释能力，为植物的可持续抗病虫害研究提供了思路。

本文以凹凸棒石为原料，经1M HCl酸化后，通过与三甲氧基[3-(苯氨基)丙基]硅烷进行硅烷化反应得到改性硅烷化凹凸棒石。利用浸渍法通过孔道吸附及π-π相互作用得到负载5-氟尿嘧啶的凹凸棒石材料，利用SEM、XRD等技术手段对硅烷化凹凸棒石与负载5-氟尿嘧啶的凹凸棒石材料进行表征。此外，研究了负载5-氟尿嘧啶的凹凸棒石材料在模拟胃液、肠液中的缓释性能。

1 实验部分

1.1 实验试剂与仪器

试剂：三甲氧基[3-(苯氨基)丙基硅烷(98%)、5-氟尿嘧啶(98.5%)购于上海达瑞精细化学品有限公司；甲苯、氢氧化钠、磷酸二氢钾、盐酸均为分析纯，购于利安隆博华(天津)医药化学有限公司；凹凸棒石购于江苏玖川黏土科技发展有限公司。

仪器：DHG-9123A电热恒温鼓风干燥箱 (上海齐欣科学仪器有限公司) 、BSA224S电子天平(赛多利斯科学仪器有限公司)、U-3900H紫外分光光度计(日本日立公司)、Nicolet iS50红外光谱仪(美国Thermo Scientific)、PANalytical_xPert3X射线衍射仪(荷兰帕纳科公司)、TriStar Ⅱ 3020比表面积和孔隙度分析仪(美国麦克默瑞提克仪器有限公司)、PHS-23C型pH计(上海雷磁有限公司)。

1.2 改性凹凸棒石的制备

1.2.1 凹凸棒石的酸化

将20 mL 1 mol/L的盐酸加入至装有1 g干燥凹凸棒石的100 mL烧杯中，浸泡12 h后，过滤，去离子水洗涤至中性，真空80 ℃烘干至恒重，得到酸化凹凸棒石。

1.2.2 凹凸棒石的改性

在氮气氛围中，向烧瓶中分别加入1.0 g的酸化凹凸棒石和30 mL干燥甲苯(5A分子筛浸泡48小时)，回流状态下在0.5小时内滴加1.5 g三甲氧基[3-(苯氨基)丙基]硅烷，持续搅拌回流24小时后冷却至室温，滤得固体产物，并用甲苯(3 × 5mL)洗去表面未反应硅烷化合物，烘干后得到紫色粉末状固体，即为硅烷化凹凸棒石。

1.2.3 负载5-氟尿嘧啶改性凹凸棒石的制备

室温下，向烧瓶中分别加入0.2 g的5-氟尿嘧啶和30 mL等体积甲醇与去离子水的混合溶液，搅拌至5-氟尿嘧啶完全溶解，加入0.15 g改性凹凸棒石，继续搅拌12 小时后，过滤，洗涤，真空60 ℃烘干，得负载5-氟尿嘧啶改性凹凸棒石材料。

1.3 载5-氟尿嘧啶凹凸棒石的缓释实验

1.3.1 磷酸盐缓冲溶液(模拟肠液)的配制

将39 mL 0.10 mol/L的NaOH溶液和25 mL 0.20 mol/L的KH2PO4溶液在37 ℃下混合均匀，利用pH计将上述溶液混合配制pH值=7.4，得到磷酸盐缓冲溶液(PBS)。

1.3.2 pH值 = 2的盐酸溶液(模拟胃液)的配制

取100 mL 去离子水于500 mL 烧杯中，缓慢滴加浓盐酸并不断用玻璃棒搅拌，在37 ℃下用pH计测定pH 值= 2，得到模拟胃液。

1.3.3 标准曲线的绘制

以磷酸盐缓冲溶液为溶剂，分别配制0.02、0.04、0.06、0.08、0.10 mg/mL的5-氟尿嘧啶标准溶液并测定其吸光度，绘制标准曲线。通过线性拟合，得标准曲线方程为A=29.793C-0.263。根据上述方式，得到pH值=2的盐酸溶液中5-氟尿嘧啶标准曲线为A=53.856C-0.33。同理，可以得到甲醇与水混合溶液中5-氟尿嘧啶的标准曲线为A=58.154C-0.277。

1.3.4 5-氟尿嘧啶的缓释分析

分别量取一定体积的磷酸盐缓冲溶液和pH值=2的盐酸溶液于两个烧杯中，分别加入一定质量的载5-氟尿嘧啶凹凸棒石，恒温振荡，每隔一段时间进行离心, 利用紫外分光光度计测溶液的吸光度，根据上述标准曲线，计算得出5-氟尿嘧啶的释放率。

2 结果与讨论

2.1 改性凹凸棒石与载5-氟尿嘧啶改性凹凸棒石的表征

2.1.1 扫描电镜(SEM)

如图1所示，通过扫描电镜分析了两种材料的表面结构信息，上图单位尺寸为1 um，下图单位尺寸为4 um。通过上图可以看到改性凹凸棒石呈现棒状且有一定的粘连现象。而下图显示了小于1 um的5-氟尿嘧啶分子颗粒负载在改性凹凸棒石的上面，且分布得相对密集。间接证明5-氟尿嘧啶药物分子成功负载于改性凹凸棒石。

图1 改性凹凸棒石(上)与载5-氟尿嘧啶改性凹凸棒石(下)的SEM图像

2.1.2 粉末X射线衍射分析(XRD)

由图2a所示，在8.2°、20.8°和26.6°出现了明显的凹凸棒石特征峰。从图2b可以看到，载5-氟尿嘧啶凹凸棒石同样在8.2°、12.7°、20.8°、26.5°和35.1°处出现了特征峰，与改性凹凸棒石的XRD谱图仅存在峰强弱的差别，说明负载5-氟尿嘧啶以后没有破坏凹凸棒石的原有结构。

图2 改性凹凸棒石(a)和载5-氟尿嘧啶改性凹凸棒石(b)的XRD谱图

2.1.3 比表面积及孔径分析

如图3所示，负载5-氟尿嘧啶改性凹凸棒石(a)和改性凹凸棒石(b)的N2吸附-脱附等温线及孔径分布曲线。分析结果表明，N2吸附-脱附等温线均呈典型的IUPAC III型吸附特征，具有明显的滞后环，得到产物为介孔材料，曲线的形状基本属于第III类等温线。改性凹凸棒石的比表面积为30.7887 m2· g-1，而负载5-氟尿嘧啶凹凸棒石的比表面积为13.7979m2· g-1，主要是由于5-氟尿嘧啶负载在凹凸棒石上，占据了多余的孔道，使比表面积减小。此外，两种材料的孔径主要分布在5.1 ～ 46.8Å之间，有利于有机物在材料表面的吸附与传质。

图3 负载5-氟尿嘧啶改性凹凸棒石(a)与改性凹凸棒石(b)的BET测试图

2.1.4 热重分析

如图4所示，可以看到在25— 700℃之间负载5-氟尿嘧啶改性凹凸棒石失重约68.35%，而单纯改性凹凸棒石的失重约为24.69%，这主要是由于负载5-氟尿嘧啶改性凹凸棒石中的5-氟尿嘧啶占据了一部分失重比例，间接证实5-氟尿嘧啶成功负载于改性凹凸棒石。

图4 负载5-氟尿嘧啶改性凹凸棒石与改性凹凸棒石的BET测试图

2.2 缓释性能分析

2.2.1在pH值=2的盐酸溶液(模拟胃液)中5-氟尿嘧啶缓释紫外吸收分析图

如图5a所示，载5-氟尿嘧啶改性凹凸棒石在3.5小时内释放率约为7.35%，而未改性载5-氟尿嘧啶凹凸棒石在相同的时间内释放率约为3.95%(图5b)，说明改性凹凸棒石可以在相同条件下释放更多的药物，由于药物在胃部停留的时间大约为2.5小时，故未进行更长时间的缓释研究。

图5 载5-氟尿嘧啶改性凹凸棒石(a)与未改性凹凸棒石(b)在模拟胃液中的缓释性能

2.2.2在磷酸盐缓冲溶液(模拟肠液)中5-氟尿嘧啶缓释紫外吸收分析图

如图6a所示，载5-氟尿嘧啶改性凹凸棒石在510分钟内释放率约为6.45%，而未改性载5-氟尿嘧啶凹凸棒石在390分钟内释放率约为5.1%(图6b)，相同时间内比改性凹凸棒石低0.5%，说明改性凹凸棒石可以在相同条件下释放更多的药物，有利于血药浓度的维持。

图6 载5-氟尿嘧啶改性凹凸棒石(a)与未改性凹凸棒石(b)在模拟肠液中的缓释性能

2.2.3 吸附机制

通过浸渍法及载药量 =[(投入药物质量-游离药物质量)/载体质量]× 100%公式，可以计算出改性凹凸棒石的载药量为70.75%，而未改性凹凸棒石的载药量为53.8%。如图7所示，可以看到硅烷化改性凹凸棒石可以与5-氟尿嘧啶分子中的双键形成π-π相互作用体系，通过这种作用关系可以增加5-氟尿嘧啶的负载量，提高负载量即可间接提高药物在体内的释放率，实现稳定血药浓度。

图7 硅烷化改性凹凸棒石负载5-氟尿嘧啶机制

3 结论

(1)以酸化凹凸棒石与三甲氧基[3-(苯氨基)丙基]硅烷为基本原料，制备得到改性凹凸棒石及载5-氟尿嘧啶改性凹凸棒石，通过XRD、SEM等手段进行了表征，证明5-氟尿嘧啶成功负载于改性凹凸棒，且负载前后凹凸棒石的结构未发生变化。

(2)通过紫外可见分光光度计探讨了在模拟胃液及肠液中缓释5-氟尿嘧嘧啶的性能，通过计算可知改性凹凸棒石的载药量高于未改性的16.95%。载5-氟尿嘧啶改性凹凸棒石在pH值 = 2的模拟胃液中5-氟尿嘧啶释放率为7.35%，而在模拟肠液中释放率为6.45%，均高于5-氟尿嘧啶未改性凹凸棒石的释放率。这种通过π-π相互作用的负载机制为药物的持续性释放和血液中的药性延长提供了一定的理论参考价值。