5種殼聚糖/卡波姆復合水凝膠的質量鑒定及經皮滲透效果

莊遠紅, 劉靜娜, 潘裕添, 龐 杰

(1.閩南師范大學生物科學與技術學院，福建 漳州 363000； 2.閩南師范大學菌物產業工程技術中心，福建 漳州 363000；3.福建農林大學食品科學學院，福建 福州 350002)

殼聚糖是由甲殼素脫乙酰制得的一類氨基多糖，是目前自然界中唯一的堿性多糖，能溶解在某些酸性溶劑中，在體外具有抗菌、消炎、止血、止痛、防黏連、促進愈合、抑制疤痕的作用[1].卡波姆是一種由丙烯酸與烯丙基蔗糖交聯而成的高分子聚合物，是一種多用途的高分子材料和優良的藥用輔料[2]，被廣泛應用于藥品、化妝品的研制生產，已在2005年被《中國藥典》收載.卡波姆水凝膠的pH為2.5～3.0[3]，無油膩感、易于涂布、對皮膚及黏膜無刺激性、釋藥快、干后無片屑，是局部藥物轉運系統的優良基質[4].目前市面上出現了殼聚糖、羧甲基殼聚糖與其他基質復配的外用凝膠或單一的卡波姆釋藥凝膠產品，也有少量以殼聚糖、卡波姆為基質制作的釋藥凝膠[5]或緩釋片[6]，其工藝均為簡單的兩種基質直接混合，且目前所用的殼聚糖大多為羧化殼聚糖或蝦蟹殼聚糖.目前，利用殼聚糖的藥用價值制作的以卡波姆為基質的殼聚糖水凝膠少有研究，以從真菌菌絲和子實體中提取的食用菌殼聚糖為原料的研究更少，殼聚糖與卡波姆的復配工藝對水凝膠質量的影響也幾乎沒有研究.對于外用凝膠這種經皮給藥制劑，有效成分的經皮滲透量是評價功效的重要指標，目前經皮滲透通常在人體皮膚或各種動物皮模型上進行研究，但受性別、年齡、部位、取皮后期處理等的影響，試驗數據變異性高、平行性差[7].尋找經皮滲透研究動物皮模型的替代物也至關重要.本試驗主要以食用菌殼聚糖、蝦蟹殼聚糖、羧化殼聚糖為原料，以卡波姆為輔料，利用殼聚糖的聚陽離子、卡波姆凝膠的聚陰離子電解質的性質，通過兩種工藝制備5種聚電解質復合水凝膠，參照《中國藥典》(2015年版)凝膠劑的制劑通則要求[8]對復合水凝膠進行定性鑒別及外觀特征、粒度、黏度、溶脹度、穩定性、酸堿度、鉛離子含量的鑒定；并以食用菌殼聚糖/卡波姆復合水凝膠為對象，以豚鼠皮膚、0.45 μm聚合膜、Strat-MTM皮膚專用膜作為人體皮膚替代物，采用改進的Franz擴散池裝置，利用茜素紅法、鋅試劑法測定殼聚糖經皮累積滲透量，旨在為拓寬殼聚糖/卡波姆水凝膠在日化及醫療器械上的應用提供參考.

1 材料與方法

1.1 材料

供試動物為雄性豚鼠，重180～220 g，由廈門大學動物實驗中心提供.

蝦蟹殼聚糖(脫乙酰度96.21%，黏度150 mpa·s)、羧化殼聚糖(羧化度85%，黏度40 mpa·s)購自上海源聚生物有限公司；食用菌殼聚糖(脫乙酰度99.9%，黏度100 mpa·s)購自福建科人生物科技有限公司；卡波姆940(青島天力源生物科技有限公司)、三乙醇胺(西隴化工股份有限公司)、鉛(國家有色金屬及電子材料分析測試中心)、鋅試劑(上海三愛思試劑有限公司)、茜素紅(西隴化工股份有限公司)均為分析純；0.45 μm聚合膜購自北京天安聯合科技有限公司；Strat-MTM皮膚專用膜購自默克密理博中國有限公司.

儀器與設備有OLYMPUS IX51數碼相差倒置顯微鏡(日本奧林巴斯株式會社)、HBE-50S閃式提取控制器(西安太康生物科技有限公司)、EL20K實驗室pH計(梅特勒—托利多儀器有限公司)、NDJ-9S旋轉黏度計(上海上天精密儀器有限公司)、漩渦振蕩器(廣州科橋實驗技術設備有限公司)、Forma 705型超低溫冰箱(美國Thermo公司)、SPX-250B-Z型生化培養箱(上海博迅實業有限公司醫療設備廠)、UV-3200PC型紫外可見分光光度計(上海美譜達儀器有限公司)、TK-12D型透皮擴散試驗儀(上海鍇凱科技貿易有限公司).

1.2 試驗設計

1.2.1 特殊工藝型復合水凝膠的制備 取適量超純水，均勻撒入卡波姆粉末，靜置，自然溶脹24 h，制得1.5%卡波姆溶膠Ⅰ；取蝦蟹殼聚糖粉末/食用菌殼聚糖溶于1%乙酸(料液比為1∶25)，用三乙醇胺調節pH≥7，抽濾，用超純水洗至pH<7，用5%乙酸反調至酸性(pH約為6)，得到黏稠狀膠狀物，補充適量超純水，均質使其充分混勻，得到光滑細膩的3%殼聚糖凝膠Ⅱ；將凝膠Ⅱ緩緩注入溶膠Ⅰ中充分攪拌(質量比為1∶2)，混合均勻，用三乙醇胺調至pH約為7，充分均質，得到1%殼聚糖/卡波姆復合水凝膠A1、B1(含1%卡波姆)(表1).

1.2.2 直接混合型復合水凝膠的制備 取適量超純水，均勻撒入卡波姆粉末，靜置，自然溶脹24 h，制得1%卡波姆溶膠；卡波姆溶膠與蝦蟹殼聚糖粉末/食用菌殼聚糖/片狀羧化殼聚糖混勻(質量比為99∶1)，自然溶脹24 h，充分攪拌，混合均勻，用三乙醇胺調至pH約為5.5，得到1%殼聚糖/卡波姆復合水凝膠A2、B2、C(表1).

表1 殼聚糖/卡波姆復合水凝膠的組成Table 1 Compositions of chitosan/carbomer complex hydrogel

1.3 質量鑒定

參照《中國藥典》中凝膠劑的制劑通則要求[8]對本品進行鑒定.

1.3.1 鑒別反應 鑒別反應一：取1 g殼聚糖/卡波姆復合水凝膠，加入10 mL 1%乙酸，攪拌溶解后，滴加2滴甲基橙指示劑，觀察溶液的變化.

鑒別反應二：取10 g殼聚糖/卡波姆復合水凝膠，加入50 mL去離子水攪拌后加10 mL 1 mol·L-1鹽酸，水浴煮沸加熱15 min至樣品溶解，冷卻至室溫，出現白色渾濁物，濾過，濾液滴加10 mL 1 mol·L-1氫氧化鈉，觀察現象，滴加鹽酸數滴，觀察溶液的變化.

1.3.2 外觀特性 觀察殼聚糖/卡波姆復合水凝膠的色澤、氣味、稠度、均勻度、光澤度、涂展性能.

1.3.3 粒度 取殼聚糖/卡波姆復合水凝膠，滴加少量去離子水，于漩渦振蕩器中振蕩使其正好溶解.取少量液體于載玻片上，涂成薄層，覆以蓋玻片，按照粒度測定法[8]，采用OLYMPUS IX51數碼相差倒置顯微鏡檢查，要求不得檢出大于180 μm的粒子.

1.3.4 黏度 室溫下稱取50 g殼聚糖/卡波姆復合水凝膠，使用旋轉黏度計測定黏度.

1.3.5 溶脹度 準確稱取殼聚糖/卡波姆復合水凝膠，置離心管中，先加少量去離子水，置漩渦振蕩器中振蕩，混合均勻，靜置24～48 h，若離心后不析水，則繼續往離心管中添加少量去離子水，重復以上步驟，直至靜置、離心后析出的水與最后加入的水量相同，表明溶脹已完成.濾去多余水分，用濾紙吸干表面水分，稱重.采用文獻[9]的方法計算水凝膠的飽和溶脹度(SR).

SR/%=W1-W0W0×100

式中：W0為溶脹前的水凝膠質量(g)；W1為溶脹完全后的水凝膠總質量(g).

1.3.6 穩定性 通過耐熱耐寒性檢測確定穩定性.殼聚糖/卡波姆復合水凝膠置于100 ℃高壓濕熱條件下殺菌15 min后取出，置室溫觀察外觀是否變化，水凝膠有無分層現象；再將殼聚糖/卡波姆復合水凝膠置于冰箱(-18 ℃)中放置6 h，取出解凍后，觀察外觀是否變化，水凝膠有無分層現象.

1.3.7 酸堿度 取10 g殼聚糖/卡波姆復合水凝膠，加入20 g去離子水攪拌5 min至溶解，測定pH.

1.3.8 鉛離子含量 參照《中國藥典》附錄Ⅷ的要求[8]，鉛離子含量不得超過10 μg·g-1.

1.4 經皮滲透試驗設計

去除豚鼠背部皮膚的腹毛，剪取脫毛部位的皮膚，剔除皮下組織和脂肪，用生理鹽水反復沖洗至無白色污濁物，浸于生理鹽水中，置冰箱(-70 ℃)中冷藏備用，至少在試驗前30 min解凍并浸于生理鹽水中，1周內使用.試驗前檢查鼠皮的完整性，不得有破損.

精密稱取0.2 g B1水凝膠均勻涂抹于人體皮膚替代物(0.45 μm聚合膜、Strat-MTM皮膚專用膜、豚鼠皮膚)表面，涂勻后固定在接受池上.在6.5 mL擴散池中盛滿磷酸鹽緩沖液(pH 6.5)，使溶液與皮膚替代物完全接觸.于37 ℃恒溫、300 r·min-1恒速振蕩，在一定時間內取樣，每次2 mL，同時補充等體積的緩沖液.樣品殼聚糖累積滲透量分別采用鋅試劑法[10]、茜素紅法[11]測定，參照文獻[12]的方法計算.

Qn=CnV+∑n-1i=1ViCiA

式中：Qn為累積滲透量(mg·cm-2)；Cn、Ci為第n、i次取樣點的藥物含量(mg·mL-1)；V為擴散池體積(mL)；Vi為取樣液體積(mL)；A為滲透面積(cm2).

1.5 殼聚糖含量的測定

1.5.1 鋅試劑法 取1 g食用菌殼聚糖加入100 mL 1%乙酸，磁力攪拌24 h至完全溶解后，定容至100 mL，過濾后取濾液，即為樣品溶液；配制一系列含量為0.006 25%～0.05%的食用菌殼聚糖標準溶液；測定時，取2 mL 0.2 mol·L-1NaAc-HAc緩沖溶液(pH 5.0)、1 mL樣品溶液，馬上按秒表開始計時，然后準確加入2 mL 0.833×10-4mol·L-1鋅試劑(ZCN).從加入樣品溶液開始計時到30 min時，測定465 nm波長處的光密度(D)，制作標準曲線[10].

1.5.2 茜素紅法 采用“1.5.1”的方法配制食用菌殼聚糖的標準溶液.測定時，取1 mL 0.2 mol·L-1NaAc-HAc緩沖溶液(pH 5.0)、2 mL超純水、1 mL 0.2 mol·L-1磷酸鹽緩沖溶液(pH 6.5)、1 mL茜素紅操作液、1 mL樣品溶液，從加入樣品溶液開始計時到30 min時，測定519 nm波長處的D，制作標準曲線[11].

2 結果與分析

2.1 鑒別反應結果

從表2可以看出，在甲基橙的作用下，以水為溶劑的殼聚糖/卡波姆復合水凝膠液呈橙黃色，有少量渾濁物(C水凝膠除外)，以1%乙酸為溶劑的水凝膠液呈橙紅色，有大量絮狀沉淀.表明水凝膠中有殼聚糖、卡波姆的存在，這是因為殼聚糖/卡波姆復合水凝膠中的卡波姆在一定的酸性條件下會產生絮凝沉淀，殼聚糖的離子強度也會改變水凝膠對pH的敏感性[13-14].顏色深淺除了與殼聚糖/卡波姆復合水凝膠的pH有關外，還與水凝膠本身的色澤有關.

表2 5種殼聚糖/卡波姆復合水凝膠的鑒別反應一結果Table 2 Identification of 5 kinds of chitosan/carbomer complex hydrogels by method 1

在鑒別反應二中，將水凝膠溶解于鹽酸中，過濾掉白色渾濁物(卡波姆).從表3可以看出，殼聚糖在堿性條件下出現渾濁物或沉淀，這是殼聚糖在堿性條件下無法溶解的結果，酸性條件下有少量絮凝物沉淀，這與鑒別反應一的結果相似.而食用菌殼聚糖在堿性條件下出現少量沉淀，在酸性條件下出現少量絮狀物，說明食用菌殼聚糖與卡波姆(B1、B2)的交聯效果比蝦蟹殼聚糖(A1、A2)好.

表3 5種殼聚糖/卡波姆復合水凝膠的鑒別反應二結果Table 3 Identification of 5 kinds of chitosan/carbomer complex hydrogels by method 2

2.2 質量鑒定結果

研究表明，卡波姆制得的水凝膠涂抹在皮膚上有特別的細膩滑爽感，與皮膚的藕合效果極佳[15].卡波姆遇水溶脹形成酸性黏稠狀液體，而殼聚糖只溶解在某些酸性介質中形成膠體黏稠物質，因此二者交聯可獲得較好的水凝膠.從圖1、表4可以看出，除A2水凝膠涂抹后有顆粒感外，其他4種水凝膠均細膩有光澤，易于涂抹，有清涼感.可見：食用菌殼聚糖不管是通過特殊工藝還是通過直接混合型工藝制備水凝膠，都能與卡波姆很好地交聯；蝦蟹殼聚糖只有通過特殊工藝制備卡波姆水凝膠才具有較好的交聯性能，若直接混合，則不能完全與卡波姆交聯；而羧化殼聚糖本身是水溶性的，與卡波姆的混合效果好.

從圖2、表5可以看出，5種殼聚糖/卡波姆復合水凝膠的最大粒徑均小于《中國藥典》規定的180 μm限量[8].顯微鏡下發現A2水凝膠分散不均勻，顆粒絮凝感強，結合感官評定結果可以推測蝦蟹殼聚糖在該水凝膠制備的過程中并未完全溶解.由表5還可以看出，5種水凝膠的黏度均大于105mPa·s.黏度較大，涂抹在皮膚或黏膜表面具有較好的附著性，可以提高藥物的滯留時間，促進皮膚對藥物的吸收，增強藥物的作用[16].5種水凝膠飽和溶脹度的大小為：B2>A2>C>B1>A1，說明直接混合型水凝膠的溶脹度比特殊工藝型的大；而羧化殼聚糖水凝膠的溶脹度居中，可能是在特殊工藝型水凝膠制備的過程中，殼聚糖經過多次的水洗、抽濾，其溶脹性能降低了.表5還顯示，食用菌殼聚糖水凝膠的溶脹度大于蝦蟹殼聚糖水凝膠，表明食用菌殼聚糖與卡波姆的交聯結構更穩定.耐熱耐寒性檢測的結果表明，5種水凝膠的外觀無明顯變化，水凝膠無分層現象，說明以卡波姆作為基質的外用型殼聚糖/卡波姆復合水凝膠具有較好的復配穩定性.5種水凝膠鉛離子含量的檢測結果均不超過10 μg·g-1，符合《中國藥典》的要求[8]；pH呈中性或微酸性，適合人體皮膚使用，符合制作要求.

A1、A2、B1、B2、C為殼聚糖/卡波姆復合水凝膠的編號.圖1 5種殼聚糖/卡波姆復合水凝膠的表觀狀態Fig.1 Appearance states of 5 kinds of chitosan/carbomer complex hydrogels

表4 5種殼聚糖/卡波姆復合水凝膠的外觀特性Table 4 Appearance characteristics of 5 kinds of chitosan/carbomer complex hydrogels

A1、A2、B1、B2、C為殼聚糖/卡波姆復合水凝膠的編號.圖2 5種殼聚糖/卡波姆復合水凝膠的粒徑Fig.2 Particle sizes of 5 kinds of chitosan/carbomer complex hydrogels

表5 5種殼聚糖/卡波姆復合水凝膠的質量鑒定結果Table 5 Quality identification of 5 kinds of chitosan/carbomer complex hydrogels

2.3 食用菌殼聚糖/卡波姆復合水凝膠的經皮滲透效果

2.3.1 測定方法對水凝膠殼聚糖累積滲透量的影響 以B1水凝膠為對象，以Strat-MTM皮膚專用膜為皮膚替代物，采用鋅試劑法、茜素紅法測定殼聚糖累積滲透量.從圖3可以看出，茜素紅法與鋅試劑法的測定數據相當，說明兩種方法均適用于水凝膠殼聚糖累積滲透量的測定.此外，隨著透皮時間的增加，殼聚糖累積滲透量逐漸升高，說明食用菌殼聚糖/卡波姆復合水凝膠中的殼聚糖釋放效果持久.

2.3.2 不同皮膚替代物對水凝膠殼聚糖累積滲透量的影響 采用茜素紅法測定B1水凝膠在豚鼠皮膚、0.45 μm聚合膜、Strat-MTM皮膚專用膜的累積滲透量.從圖4可以看出，豚鼠皮膚的殼聚糖累積滲透量較低，24 h的累積滲透量僅為0.45 mg·cm-2.這可能是豚鼠皮膚組織中的某些成分改變了反應體系的pH，而殼聚糖含量的測定對體系的pH要求很高，從而影響測定結果；且豚鼠皮膚模型常因部位、個體差異，數據變異性高、平行性差.0.45 μm聚合膜、Strat-MTM皮膚專用膜具有較高的殼聚糖累積滲透量，兩者的測定數據相當，均隨著透皮時間的增加，累積滲透量逐漸增大，24 h的累積滲透量達到1.2 mg·cm-2左右，約為豚鼠皮膚滲透量的3倍.Strat-MTM皮膚專用膜是一種合成超濾膜，其多層結構設計是模擬人體皮膚的構造，由緊密的表層、中間的多孔滲透層、最下層的無紡纖維層構成，這種新型膜產品在多層結構形式、厚度、多孔滲透性等方面都與人體皮膚極為相似，在經皮滲透研究中具有批次穩定性好、操作簡便、容易獲得等優點，是專業的透皮給藥檢測模型.在0.45 μm聚合膜上進行殼聚糖累積滲透研究的結果與Strat-MTM皮膚專用膜相近，可以作為廉價的殼聚糖透皮給藥檢測模型.

圖3 測定方法對殼聚糖累積滲透量的影響Fig.3 Effect of assay method on the cumulative permeability of chitosan

圖4 皮膚替代物對殼聚糖累積滲透量的影響Fig.4 Effect of skin substitute on the cumulative permeability of chitosan

3 討論與結論

目前市面上的殼聚糖產品大多以羧化殼聚糖或蝦蟹殼聚糖為原料，蝦蟹殼聚糖的缺點是灰分、蛋白含量高，脫乙酰度低，性質較不穩定，抑菌效果較差，對蝦蟹過敏者有副作用等[3,17]；而食用菌殼聚糖脫乙酰度高，性質穩定，灰分含量少，抑菌性能優良，不會對使用者產生副作用[3].由于單一的殼聚糖凝膠力學性能差、透氣性欠佳，使用性能不好[18]，且只溶解在某些酸性介質中，與其他輔料物理交聯困難，容易絮凝成坨，這些因素影響了殼聚糖的應用.卡波姆水凝膠的pH為2.5～3.0，是一種酸性藥用輔料，可以溶解殼聚糖形成水溶膠，再加入三乙醇胺與卡波姆中的羧基中和，形成穩定的高分子水凝膠結構，達到增稠和保濕的應用效果.但卡波姆溶膠對殼聚糖的溶解性能有限，本試驗中，蝦蟹殼聚糖與卡波姆直接混合制得的A2水凝膠中的殼聚糖并沒有完全溶解，有顆粒感，限制了殼聚糖效能的釋放.而特殊工藝采用一定的方法先將殼聚糖制成中性凝膠，再與卡波姆溶膠混合，三乙醇胺中和，通過閃式破碎技術、乳化均質技術實現食用菌與卡波姆的物理交聯，作者前期研究表明，這種方法制備的殼聚糖/卡波姆復合水凝膠穩定性高，抑菌效果好[3].比較兩種方法制備的殼聚糖/卡波姆水凝膠及3種來源殼聚糖制備的水凝膠在品質上是否存在差異，是否達到《中國藥典》凝膠劑的制劑通則要求[8]，是本試驗研究的初衷.本試驗結果顯示：5種殼聚糖/卡波姆復合水凝膠的粒徑均小于180 μm，黏度大于105mPa·s，具有較高的耐熱耐寒性，pH呈中性或微酸性，鉛離子含量小于10 μg·g-1，符合《中國藥典》的要求[8]，適合人體皮膚使用；除A2水凝膠涂抹有顆粒感外，其他4種均具有稠度適宜、細膩有光澤、易于涂抹、有清涼感、穩定性好、黏滯性好、使用安全等優點；食用菌殼聚糖與卡波姆的交聯性好于其他4種水凝膠.經皮滲透試驗常用來評價經皮給藥制劑藥物有效成分的透皮性能，殼聚糖的經皮滲透量一般采用茜素紅法、鋅試劑法進行檢測，利用茜素紅或鋅試劑與殼聚糖在一定條件下的特異性顯色反應，D的變化與殼聚糖含量呈線性關系的特點來測定微量殼聚糖含量，但殼聚糖含量的測定對體系pH要求很高，動物皮膚組織中的某些成分可能會改變反應體系的pH，影響殼聚糖含量的測定結果.采用特殊工藝型制備的食用菌殼聚糖/卡波姆復合水凝膠的經皮滲透試驗結果表明：茜素紅法和鋅試劑法均適用于復合水凝膠中殼聚糖含量的測定；豚鼠皮膚殼聚糖的累積滲透量較低；Strat-MTM皮膚專用膜具有較高的殼聚糖累積滲透量，24 h的累積滲透量為1.22 mg·cm-2，約為豚鼠皮膚滲透量的3倍；0.45 μm聚合膜的殼聚糖累積滲透量與專業的透皮給藥檢測模型Strat-MTM皮膚專用膜相當，因此可以替代Strat-MTM皮膚專用膜，作為廉價的殼聚糖透皮給藥檢測模型.