淀粉/PVA/木糖醇改性材料制备及其黏附性能研究

丁蕊蕊，陈志琪，冯泳婷，郑翠恩，罗科艳，冯易琴，宋佳奇，卓志宁，阳范文

（广州医科大学基础医学院生物医学工程系,广东广州511436）

口腔黏膜性疾病如口腔溃疡[1]、口腔黏膜下纤维性变[2]、口腔念珠菌病[3]、口腔粘膜白斑[4]等引起的口腔疼痛与感染严重影响人们的生活质量,其发病率高且病因复杂,延误治疗可引发肿瘤或癌变[5-7]。这种慢性疾病在病程的不同时期病损更迭交替,患者在治疗时依从性差[8]。经传统的手术治疗方式后,患者面临着吞咽障碍、言语障碍、容貌毁坏等困难,还会在生理、心理、社会交往等方面产生不良影响[9-12]。

口腔黏膜黏附给药系统是近年来发展的一种新型给药系统,是指药物经口腔粘膜吸收直接进入体循环,通过局部集中给药达到局部治疗或全身治疗的目的,避免胃肠道的酶代谢及酸降解和肝脏的首过作用,提高药物的生物利用度[13-14]。叶继锋等[3]采用聚乙烯醇(PVA)、羧甲基纤维素钠(CMC-Na)与壳聚糖为载药膜治疗口腔念珠菌病,但材料成本高昂；Tanaka等[15]采用明胶、CMC-Na与支链淀粉制备的半固体制剂用于口腔局部治疗,但明胶改性淀粉所制的半固体制剂质地粗糙,成膜性不好,不利于黏膜黏附[16-17]；还有研究者采用羟丙基甲基纤维素(HPMC)、卡波姆(934p)为黏附材料制备的口腔黏附片治疗口腔炎症[18],但黏附片无柔韧性,与黏膜接触面积小,对于一些需要快速释放的药物不能达到要求[19]。

笔者选用价格低廉的淀粉为基材,添加成膜性能优异的PVA,在此基础上加入木糖醇进行增塑,制备出一种力学性能优异、黏附能力强、柔韧性良好的黏附膜剂。有望用于口腔黏附给药,延长药物在病变部位的滞留时间,在不降低患者生活质量水平的同时,减少给药次数,提高了患者用药的顺应性,具有良好的应用前景。

1 实验部分

1.1 原材料

淀粉,市售；聚乙烯醇(PVA),上海阿拉丁生化科技股份有限公司；木糖醇,润友化学有限公司；去离子水,睿希化工水处理厂。

1.2 实验仪器

控温磁力搅拌器：ZNCL-DB230,上海霄汉实业发展有限公司；电子天平：AUW220型,SHIMADZU公司；气动冲片机：CPJQ-25型,上海化工机械四厂；电子拉力实验机：UTM2203型,深圳三思试验仪器有限公司；指针式邵氏硬度计：LX-A-1型,温州一鼎仪器制造有限公司。

1.3 改性材料制备方法

按照表1配方准确称取各原材料并混合均匀。采用控温磁力搅拌器加热搅拌制备改性材料,温度设定为96 ℃,转速1500r/min、保温时间20min。然后将加热搅拌完成后的溶液铺展在聚四氟乙烯膜上,自然风干24h。

表1 木糖醇含量不同的材料配方设计Table 1 Formula design of different xylitol content materials

1.4 性能测试

（1）力学性能测试

试样放置24h后,利用冲片机制备标准力学样条,采用电子拉力试验机按GB/T 1040.1-2018所述方法测试拉伸强度和断后伸长率,拉伸速率为500mm/min；按GB/T 529-2008所述方法测试材料的撕裂强度,拉伸速率为100mm/min。

（2）黏附性能测试

在材料中剪取符合手指表面大小、厚度较为均一的矩形样条,置于润湿的手指上,秒表记录试样从刚接触手指到试样与手指完全贴合所需时间。以上操作重复三次,取平均值。试样与手指完全贴合后,让手指悬空,观察试样的黏附情况并拍照记录。

（3）硬度测试

按GB/T 531-1999所述方法,手持硬度计,平压于试样上,直至硬度计底面与试样完全接触时立即读数,这时指针所显示刻度即试样的硬度值,每次测定时在不同的位置选测三点,取其平均值。

（4）柔性测试

将试样夹在食指与中指之间,观察试样在悬空状态下的弯曲程度并拍照记录。

2 结果与讨论

2.1 改性材料的力学性能

2.1.1 木糖醇含量对材料拉伸性能的影响

木糖醇含量对拉伸强度、断后伸长率的影响如图1所示。随着木糖醇含量增加,材料的拉伸强度呈逐渐下降而后略有增加的变化趋势,断后伸长率总体呈现先增大后降低的变化趋势。当木糖醇含量从0%增加到5%时,拉伸强度从29.1MPa下降到7.5MPa,断后伸长率先有轻微的下降后骤然升高,从18.8%升高并达到最大值到141.1%。

图1 木糖醇含量对材料拉伸性能的影响Fig.1 Effect of xylitol content on tensile properties of materials

产生上述现象的原因是木糖醇渗入到淀粉的分子链中,其羟基与淀粉分子上的羟基形成氢键,削弱了淀粉分子间的氢键作用,起到了增塑作用。当木糖醇含量较低时,木糖醇分子渗透到淀粉分子间的数量较少,其与淀粉分子间的结合的氢键数目较少,增塑效果不明显,故断后伸长率没有增大；当木糖醇含量达到5%时,木糖醇分子与淀粉分子间形成的氢键作用增强,提高了淀粉分子链的活动性,抵抗外力的能力变差,拉伸强度随降低,断后伸长率会增大；当木糖醇含量继续增大,过多的木糖醇分子在材料产生类似的缺陷,故断后伸长率逐渐减小。

2.1.2 木糖醇含量对材料撕裂强度的影响

木糖醇含量对撕裂强度的影响如图2所示。随着木糖醇含量增加,材料的撕裂强度呈现先增加然后减小的变化趋势。当木糖醇含量从0%增加到5%时,撕裂强度从4.1N/mm上升到最大值7.6N/mm；随着木糖醇含量继续增多,撕裂强度下降。其变化原因与木糖醇改变了淀粉的结晶结构有关,随着木糖醇含量的增多,其与淀粉分子形成氢键,产生了良好的增塑效应,故撕裂强度增大；当木糖醇含量过多时,过多的增塑剂降低了淀粉分子链作用力,抵抗外力能力变差,撕裂强度反而降低。

图2 木糖醇含量对撕裂强度的影响图Fig. 2 Effect of xylitol content on the tear strength

2.2 改性材料硬度和柔性

木糖醇含量对材料的硬度影响如图3所示,其柔性变化规律如图4所示。

图3 木糖醇含量与材料硬度的关系Fig. 3 Relationship between xylitol content and hardness of the material

图4 木糖醇含量对材料柔软程度的影响Fig. 4 Influence of xylitol content on softness of the material

从图3可知,随着木糖醇含量增加,材料的硬度呈现持续下降的变化趋势。当木糖醇含量从0%增加到5%时,试样的硬度从20.7HA迅速下降到17.2HA；当木糖醇含量超过该值时,硬度缓慢下降,木糖醇含量继续增加到10%时,材料的硬度为16.2HA。

从图4中可以看出,当木糖醇的含量在5%时,试样的弯曲程度明显增大,表明试样的柔软程度显著提高。

产生上述现象的原因是木糖醇含有5个羟基,与淀粉糖苷羟基数目接近,因此其与淀粉形成氢键的能力较强,可使淀粉分子链紧凑,膜结构不易松弛,脆性减弱；且木糖醇具有吸湿性,加入木糖醇后能使材料质地细腻均匀；糖醇类物质能对材料的性状赋予筋道,使其具有更高的弹性。

2.3 改性材料的黏附性能

木糖醇含量对材料的黏附性能影响如图5和图6所示。

图5 木糖醇含量与黏附所需时间的关系Fig. 5 Relationship between xylitol content and adhesion time

图6 木糖醇含量对材料黏附性能的影响Fig. 6 Effects of xylitol content on adhesion properties of the materials

从图5可知,随着木糖醇含量增加,黏附所需时间总体呈现先降低然后增加的变化趋势。当木糖醇含量从0%增加到5%时,试样完全贴合于手指所需的时间逐渐缩短并达到最小值1.1s；当其含量进一步增加,黏附所需的时间随之增大。

从图6可知,当木糖醇含量从0%增加到5%时,试样与手指的贴合度逐渐增大；随着木糖醇含量继续增加,试样与手指贴合容易发生卷曲,这增加了其黏附所需的时间。

产生上述现象的原因是添加木糖醇后,淀粉的黏度随着木糖醇含量的增加而增大；但当木糖醇超过一定值时,在一定范围内有利于淀粉的回生,即糊化的淀粉,分子链由无序状态重新平行取向,靠氢键结合在一起,形成不溶于水的晶体结构,故而黏度下降。

3 结 论

（1）随着木糖醇含量的增加,材料的拉伸强度呈现先下降、然后缓慢上升的变化趋势,断后伸长率和撕裂强度总体呈现先增加然后减小的变化趋势。

（2）改性材料力学性能最优的配方为：75%的去离子水、15%的淀粉、5%的PVA,5%的木糖醇；其拉伸强度为7.5MPa,断后伸长率为141.1%,撕裂强度为7.6N/mm。

（3）随着木糖醇含量增加,材料硬度逐步下降,柔韧性逐步增加,木糖醇含量为5%时硬度为17.2HA,柔性良好。

（4）当木糖醇含量在5%时,黏附所需时间短且贴合度最高,黏附所需时间为1.1s。