环糊精包合物超分子体系的制备与表征研究进展

姜兴粲，李 冰，张继瑜

(农业农村部兽用药物创制重点实验室/甘肃省新兽药工程重点实验室/中国农业科学院兰州畜牧与兽药研究所,甘肃兰州 730050)

环糊精(cyclodextrin,CD)是由D-吡喃葡萄糖单元通过α-1，4键连接形成的环状低聚糖，它们有一个疏水的中心空腔和一个亲水性的外表面，可以封装各种无机/有机分子，形成主客体包合物，常作为增溶剂、渗透剂，将药物分子包合使药物的物理化学性质(例如溶解度、溶出速率、稳定性和生物利用度)得到改善[1-2]，显示出巨大的配方开发潜力。

环糊精包合物制剂的表征方法主要有粉末X射线衍射技术、扫描电镜技术、核磁共振氢谱(1HNMR)技术和热分析技术。X射线是一种电磁波，通常应用于晶体结构的分析，它可以判断物质是否为晶体。比如可以通过晶体结构来判断物质变形、变性、反应程度，判断物质的晶型。扫描电子显微镜可直接对样品表面材料的物质性能进行微观成像。主要用于物质成分的非均匀性、壳芯结构、包裹结构的研究及晶粒相成分在化学环境下差异性的研究。核磁共振氢谱是一种将分子中氢-1的核磁共振效应体现于核磁共振波谱中的应用，是对包合物制剂的二元超分子体系最准确的表征技术，可以直接呈现出主客体分子的包合模式。热分析技术是在程序温度控制下研究材料的各种转变和反应，如脱水、熔融、蒸发、相变等。通过以上技术方法不仅可以进行物质鉴别与检定，还可以对超分子体系的包合模式进行深入分析，以达到对包和机制进行阐述的目的[3-5]。本文对环糊精及其衍生物与芯材超分子体系制备与表征研究进行综述，以期为新制剂的开发应用提供参考。

1 制备方法

包合物的制备方主要有共溶共沉淀法，研磨法和超声法等。用搅拌法联合冷冻干燥法制备达米巴韦特/羟丙基-β-环糊精包合物，将适量达米巴韦特溶解于乙醇中，然后以主客体分子1∶1的摩尔比将达米巴韦特加入到羟丙基-β-环糊精(hydroxypropyl-β-cyclodextrin,HP-β-CD)水溶液中，来增加两种不相容物质间的接触面积并降低两种分子间的排斥作用。再将得到的悬浮液在室温下连续搅拌4 h。在65℃，负压0.08 MPa，旋转蒸发15 min，加入10 mL蒸馏水，用0.45 μm的微孔膜过滤。将溶液冷却至室温，冷冻干燥24 h，成功得到了包合物，这种制备方法对制备以达米巴韦特类似物为芯材的包合物制剂具有重要的参考意义，即与芯材有着相似理化性质的同系物均可采用这种方法制备其包合物新制剂[6]。有研究制备了鬼臼毒素/HP-β-CD超分子体系，用乙醇和水混合溶液完全溶解了鬼臼毒素和HP-β-CD两种分子体系。考虑到鬼臼毒素水溶性差，先用乙醇溶解，室温下搅拌10 d。蒸发后从反应混合物中提取乙醇，过滤除去未包合的鬼臼毒素。滤液减压蒸发除去溶剂，真空干燥制得鬼臼毒素/HP-β-CD包合物(收率83%)。两种制备方法都是用减压蒸发技术除去有机溶剂最终得到包合物，但对于包合物的收率为83%的方法还要提高收率，降低生产成本，促进药物的广泛应用具有重要意义[7]。

在室温下将磺丁基-β-环糊精(sulfobutyl ether-β-cyclodextrin，SBE-β-CD)或羟丙基-β-环糊精(HP-β-CD)溶解在80 mL水中，并加入到含有丙酸睾酮(TP)的甲醇溶液中。将所得溶液在室温下搅拌30 min，然后在-40℃下冷冻干燥72 h。这种制备也是把目标芯材溶解到一种有机溶剂中，在室温下以搅拌法进行包合反应。所不同的是将主体分子溶液加入到客体分子溶液中[8]。肖作兵等制备包合物的方法是将10 g HP-β-CD溶于20 g去离子水中。温度保持在45℃。然后在HP-β-CD溶液中缓慢加入2 g L-薄荷醇。在45℃下连续搅拌2h ，形成L-薄荷醇/HP-β-CD包合物。在冷冻干燥机中干燥48 h，干燥温度低于-50℃，干燥压力为20×10-3kPa。然后，样品用无水乙醇洗净，再次干燥，也成功获得了L-薄荷醇/羟丙基-β-环糊精包合物。但他应用的制备方法与黄桂华等的制备方法稍有不同，肖作兵等没有先把L-薄荷醇溶解在另一种溶剂中，而是直接且缓慢加入到含有HP-β-CD的去离子水溶液中。温度保持在45℃，即增加HP-β-CD溶解量，又能最大程度上避免了L-薄荷醇的蒸发。更值得注意的是肖作兵等在包合反应结束后，样品用无水乙醇洗净，再次干燥，得到了更加纯净的包合物。而之所以采用无水乙醇洗净，说明制备得到的包合物是一种水溶性的新物质，已经与L-薄荷醇的溶解性不同。这种在包合作用前后原有物质理化性质的改变是值得关注的。与先前的试验所不同的是肖作兵把包合反应的温度由室温增加到了45℃，据报道提高温度可以增加包合反应的包合率[9]。这些制备方法简便高效，具有成本低，对环境友好的优点，适用于工业化生产，具有较强的研究成果转化可行性。

2 表征方法

2.1 粉末X射线衍射技术

粉末X射线衍射是检测粉末或结晶状态的化合物环糊精包合的有效方法。用X′Pert PRO衍射仪获取粉末X射线衍射(PXRD)图案。目标化合物ITH12674是一种油性物质，PXRD是不能测量它的。HP-β-CD是无定形物质，其衍射图显示与非结晶形态一致的宽峰。包合物制剂的结果几乎与HP-β-CD完全重叠，仅在9.60°处有一个偏移9.5°的低强度峰，而物理混合物在18.7°处有一个强度增强的峰，与包合物的交互类型的不同，表明ITH12674和HP-β-CD之间存在新的相互作用，归因于包合物的形成[10]。用D/MAX-3B衍射仪对样品进行了X射线衍射分析Cu-K-α辐射(100 mA，40 kV)，扫描速度5°/min。样品放置在玻璃样品架上，扫描范围为2θ=0.02°(2θ=3°～50°)。结晶度的缺失是包合物形成的直接证据。巴西碱在8.15°、13.03°、16.06°、16.46°、17.66°、18.34°、18.58°、19.10°、19.84°、22.03°和24.42°出现尖锐的高强度峰，说明物质结构为晶态，而HP-β-CD是无定形的。在巴西碱/HP-β-CD包合物的衍射图谱中没有表现出巴西碱的晶型，在21.0 1°～32.66°处的尖锐衍射峰部分消失，峰形加宽，峰强度明显降低，即巴西碱是以无定形结构存在于HP-β-CD中的，证明已形成巴西碱/HP-β-CD包合物[11]。对桑色素衍射试验的结果显示它具有尖锐、强烈的衍射峰，表明化合物的结晶状态。HP-β-CD的衍射结果显示只有两个宽峰，是无结晶峰的无定形状态，与其无定形性质一致。物理混合物的衍射图案显示一些桑色素结晶峰及HP-β-CD的无定形特征峰，是两种分子衍射图的叠加，说明桑色素的晶体结构没有变化并且包合物之间没有形成新的化学缔合。而桑色素/HP-β-CD包合物衍射图与HP-β-CD的无定形状态衍射结果相似，表明桑色素的结晶峰消失，桑色素被包埋在 HP-β-CD腔内。试验都通过比较客体分子与包合物衍射图谱的不同，即客体分子特征衍射峰的消失，说明成功制得了包合物制剂。在对比中发现包合物内没有新的化学键形成，说明包合物内的结合力源于范德华力、氢键或静电力[12]。

2.2 扫描电镜技术

有研究用双面胶带将样品分布在金属短柱上，将样品进行金溅射涂覆使它们导电，减压获得显微照片。扫描电镜分析可知，多胺-β-环糊精(NH2-β-CD)为小块状的不规则晶体，而芒果苷分子是不规则的三维晶体。物理混合物显示出芒果苷和NH2-β-CD 共同的形态特征。而MGF/NH2-βCD包合物颗粒的形状和形态发生了巨大变化，具有固态的强耦合特征[13]。另一研究的扫描电镜图像显示漆树酸A与β-CD的物理混合物，漆树酸A与Me-β-CD物理混合物，漆树酸A与HP-β-CD物理混合物，β-CD，Me-β-CD，HP-β-CD的微观形貌均为小块分散的圆珠体，漆树酸A/β-CD包合物，漆树酸A/Me-β-CD包合物，漆树酸A/HP-β-CD包合物则为较大的层状聚集体，表明存在一种新的固相。另外，对两种环糊精的衍生物进行表征，发现衍生物与原始化合物在分别形成包合物后具有相似的新固相[14]。 有研究扫描电镜结果显示鸟苷分子是棒状晶体，与β-CD形态不同。β-CD/鸟苷包合物为较大的晶体嵌段，与鸟苷和β-CD分子的晶体有些相似。纯HP-β-CD和SBE-β-CD为球形。鸟苷和HP-β-CD的形态相似，发现鸟苷晶体粘附在HP-β-CD的光滑表面上，表明晶体和非晶态成分相似。在SBE-β-CD/鸟苷包合物样品中，检测到粒径减小和结晶度降低的新固相，显示鸟苷失去了原有的晶体形状，表明药物与环糊精存在包合作用[15]。也有扫描电镜成像结果显示β-环糊精的表面形态为不规则的结晶颗粒，呈矩形。图像显示物理混合物和包合物的结构和形状不同，包合物为小颗粒或针状晶体，物理混合物形态则与β-环糊精颗粒相似。包合物的图像呈致密且均匀的板状结构，表明香芹酚和β-环糊精在固态下的强相互作用[16]。通过比较客体分子、主体分子、物理混合物和包合物间不同的形貌，证明包合物是一种新的物态，即成功得到了包合物新制剂。

2.3 核磁共振氢谱

1H NMR光谱通常用于获取包合物的结合模式。主体和客体分子的化学位移为包合物的形成提供直接证据，因为在游离态和结合状态之间会出现微环境的显著变化。以氘代水(D2O)中的β-CD溶液的氢谱(1H NMR)作为参考。H-3和H-5质子位于β-CD空腔内部，H-1、H-2和H-4位于β-CD外部。对比包合物的谱图，可以看到H-1、H-2、H-3和H-4的孤立峰，而H-5和H-6有重叠现象。若形成包合物，位于腔内或附近的质子将受到很大影响或被强烈屏蔽。如果客体分子的结合发生在分子的外部，那么对应的质子将受到强烈影响。通过各个质子的峰位移可以说明包合现象的存在，即H-3和H-5明显的化学位移证明了包合物的形成[17]。以四甲基硅烷作内标，化学位移以(δ=0 mg/L)表示，使用氘化水(D2O)振荡后进行NMR试验。试验表明HP-β-CD腔中的内质子(H-3和H-5)和β-CD分子内侧的质子(H-6)都有低场位移。腔外部质子H-1，H-2和H-4显示出高场移位，说明H-3和H-5质子受客体分子的影响更大，H-3质子的化学位移变化量最大，说明最接近被包含在腔内的客体分子，表明百里醌包含在HP-β-CD分子的宽边缘(疏水侧)内，即成功获得了百里醌/HP-β-CD包合物。另外，作者还进行了2D NMR光谱(COSY)和核Overhauser效应光谱(NOESY)试验，在百里醌分子的芳香环和HP-β-CD质子(H-1～H-6)的质子之间没有观察到相关性，表明芳环仍然是游离的并且与这些质子之间没有相互作用，即芳环位于HP-β-CD分子腔外。而在化学位移1.14 mg/L处共振的百里醌侧链中的甲基(CH3)的质子与HP-β-CD内的质子之间存在交叉关联峰，表示甲基质子直接连接到HP-β-CD分子的H-3上。同时，2D NMR NOESY光谱显示百里醌烃基侧链与环糊精的H-3和H-5内部质子之间存在明显的相互作用交叉峰。在百里醌的甲基和HP-β-CD腔的H-6质子之间也观察到相互作用，表明尾部侧链包合到HP-β-CD腔中。有研究通过2D NMR相关光谱准确证明处客体分子的部分基团被包裹在主体分子的空腔中，成功阐明了主客体超分子体系的包合机制[18]。在形成包合物的过程中，1HNMR化学位移会受到影响，因此化学位移变化可以作为大黄素和HP-β-CD之间形成包合物的直接证据。大黄素质子的化学位移在δ6.5 mg/L～7.2 mg/L，而HP-β-CD的化学位移带出现在δ1.0 mg/L～5.5 mg/L处。化学位移的变化公式为Δδ=δ(包合态)-δ(游离态)。包合作用后H-2和H-6的Δδ值分别为0.003 mg/L和0.007 mg/L。而H-3和H-5的Δδ值呈现显著变化，分别为0.010 mg/L和0.025 mg/L。由于H-2、H-6位于HP-β-CD的外表面，而H-3、H-5位于CD腔的内表面，表明部分大黄素已经包埋在CD腔中[19]。多个试验都通过主体分子中H-3和H-5的化学位移直接且准确的证明了包合物的形成。

有研究表明位于HP-β-CD腔内表面的H-3和H-5质子与其他质子相比有着较大的高场位移。而位于腔外的H-2和H-4质子的高场位移则很小。在包合物形成后，H-5的化学位移变化大于H-3，H-3质子靠近腔的宽侧，H-5质子靠近窄侧。说明瑞格列奈从狭窄的一侧进入HP-β-CD腔。我们也比较了不存在和存在HP-β-CD的情况下瑞格列奈的1H NMR光谱，以探索瑞格列奈/HP-β-CD的可能包含模式。瑞格列奈的质子化学位移值为△δ=δ(包合物)-δ(游离)。发现HP-β-CD掩盖了2.7 mg/L～5.0 mg/L区域内瑞格列奈质子的一些化学位移值。在7.0 mg/L～7.5 mg/L的芳环质子区域中观察到峰形的显着变化，表明瑞格列奈分子的芳环包含在空腔中。基于最大的低场位移值，瑞格列奈分子的芳香环(强疏水基团)与HP-β-CD的疏水腔显示出最强的相互作用(△δ：0.194 mg/L～0.286 mg/L)。以上结果表明瑞格列奈分子的苯基进入HP-β-CD的内腔中。另外，通过增加游离态瑞格列奈分子的光谱数据，准确证明瑞格列奈分子的苯基进入HP-β-CD的内腔中的包合机制[20]。

2.4 热分析技术

客体分子的熔点、沸点或升华点温度发生不同程度的转移，甚至消失，可以用来鉴别不同的物质。研究发现氯硝柳胺230℃时表现出强烈的吸热峰，反映了它的结晶性质。在物理混合物中，230℃时观察到较小的吸热转变，与氯硝柳胺的结晶性质相同。而在两种包合物制剂(1∶1和1∶2)的热分析图中，无对应氯硝柳胺的230℃吸热峰，说明氯硝柳胺与HP-β-CD间存在相互作用[21]。也有结果表明酮康唑(KET)在149.8℃呈现出明显的吸热峰，归因于药物结晶的熔化。在320℃左右药物开始分解。L-脯氨酸和β-CD分别在25℃至100℃的温度下失水(分别为Δm=5%和7.5%)。分解反应发生在200℃(L-脯氨酸)和300℃(β-CD)以上，分别对应于TG曲线中的质量损失。包合物的TG曲线有三个失重阶段，一是脱水阶段，第二阶段与L-脯氨酸的分解相关，第三阶段对应于300℃以上发生的药物和β-环糊精分解。在包合物的DSC曲线中，可以观察到对应药物的吸热峰在较低的温度(142.2℃)，并伴有熔融焓的降低，表明该体系部分药物发生了非晶化，这与包合作用有关。试验不仅检测到样品的吸热峰，也给出了样品质量的损失量，使包合物的检定结果更准确[22]。用差示扫描量热法(DSC)和热重(TG)试验研究二乙酰基甜菜碱/α-CD包合物的热性质。二乙酰基甜菜碱/α-CD包合物，α-CD和物理混合物的水吸热峰分别出现在104.1、93.5、104.2℃。二乙酰基甜菜碱在221.9℃时有强烈吸热峰，表明药物开始分解。在包合物的DSC热分析图中，DALY的吸热峰消失，说明包合物以无定形态存在。在热分析图中α-CD吸热峰为297.2℃，而在包合物中移至277.8℃，表明α-CD和二乙酰基甜菜碱之间存在相互作用，即二乙酰基甜菜碱被封装到α-CD纳米腔中。此外，物理混合物的DSC曲线与包合物不同。二乙酰基甜菜碱原药，二乙酰基甜菜碱/α-CD包合物和α-CD分别在223.5、270.1、291.8℃下分解，表明二乙酰基甜菜碱的固有热性能在包合作用后发生了变化，二乙酰基甜菜碱/α-CD包合物具有较高的分解温度，从热力学角度来看，包合物比游离二乙酰基甜菜碱具有更高的热稳定性[23]。HP-β-CD的失重有两个温度范围，即50℃～100℃和330℃～380℃。与DSC曲线相对应，前者与HP-β-CD的失水有关，后者与HP-β-CD的分解有关。在辣椒素的DSC热分析图中，在60℃时观察到一个强吸热峰，对应于辣椒素的熔点。在323℃下观察到放热，表明该化合物分解。物理混合物呈现出游离辣椒素和HP-β-CD的吸热峰的简单叠加，表明主体分子未与客体分子产生相互作用。辣椒素/HP-β-CD包合物的DSC谱图与物理混合物以及游离辣椒素的DSC谱图有明显差异。观察到对应于水蒸发的宽吸热带。同时该谱带的峰移动了4.52℃到较低的温度。形成包合物后，在游离辣椒素和物理混合物中均观察到了辣椒素的熔融峰(60℃)。包合物中辣椒素的重量损失发生在328℃，而物理混合物中辣椒碱的重量损失发生在262℃。辣椒素的在包合物中的重量损失温度明显增大，说明辣椒素的热稳定性得到提高。试验均证明包合物的热稳定性高于游离态的药物[24]。

对百里酚/环糊精样品的热稳定性研究结果显示纯HP-β-CD、Me-β-CD和HP-γ-CD在100℃和300℃ 以上有两个重量损失阶段，分别对应于CD的失水和热分解。纯百里酚在50℃开始蒸发并在140℃左右完全蒸发。百里酚/环糊精包合物热分析图有三个失重阶段，分别对应水分蒸发(低于100℃)，百里酚蒸发和环糊精分解(300℃以上)。对于百里酚/HP-β-CD和百里酚/HP-γ-CD包合物，百里酚的蒸发温度分别为85℃～255℃和100℃～265℃。在百里酚/环糊精包合物中百里酚热性质变化是环糊精(HP-β-CD和HP-γ-CD)与百里酚之间相互作用的直接证据。百里酚/Me-β-CD包合物在90℃～185℃和225℃～310℃范围内有两次失重，这种特有的百里酚蒸发规律与另外两种环糊精(HP-β-CD和HP-γ-CD)不同，是Me-β-CD和百里酚之间分子包合作用的证据。与HP-β-CD和HP-γ-CD系统的热性质相比，包合物中百里酚的蒸发温度更大，说明百里酚/Me-β-CD包合物的分子间作用力更强，可归因于Me-β-CD的甲基和百里酚之间潜在的非极性相互作用。纯环糊精样品的水含量为4.8%～5.8%，而百里酚/环糊精包合物样品，水含量降低到0.9%～1.4%，环糊精空腔中活性化合物取代水分子使环糊精含水量降低，这是包合物形成的另一证据。此试验用空腔中水含量的变化间接证明客体分子进入到环糊精空腔中，使表征试验数据更加充分[25]。

3 展望

粉末X射线衍射技术、扫描电镜技术、1H NMR技术和热分析技术具有准确、直观、高效的特点，可以满足生产与应用需要。环糊精是药品制剂开发过程中用来提高化学稳定性和药物溶解性的辅料，它们能够提高生物利用度和药效，意味着在减少药物使用剂量的情况下，依然可以发挥出相同的疗效，避免因药物过量使用产生的副作用。在抗生素的使用方面，把众多抗生素制备成环糊精包合物新剂型后，既可以提高抗生素的溶解度，也利于抗生素减量化应用的推广，可以明显减缓耐药性的产生。总之，包合物新剂型的成功制备提高了客体药物的溶出效率和渗透性，对难溶性药物的改良和新制剂的开发具有重要的指导意义。