磁各向異性海藻酸鹽基水凝膠給藥系統的制備與性能分析

龔小輝，陳志濤，涂凱文，張學鋒，涂 劍，鄭冬喜

1.九江學院，江西 九江 332005；2.九江學院江西省數控技術重點實驗室，江西 九江 332005

中藥藤黃為藤黃科植物藤黃的樹干切傷后分泌的膠樹脂，呈圓柱狀或不規則狀，早在《本草綱目》《海藥本草》等書籍中就記載了其具有化毒、消腫、止血之功效[1]?，F代藥理學研究顯示，藤黃具有抗腫瘤、增強機體免疫力、抗菌、抗炎和抗病毒的作用。Wang Keming 等發現新藤黃酸能夠抑制乳腺癌MCF-7 和MDA-MB-231 細胞的增殖[2]。但是，新藤黃酸存在水溶性差、半衰期短、血管刺激性大等缺陷，極大地影響了其臨床應用價值。

海藻酸鹽基水凝膠是一種三維網狀結構，材料與人體組織相似，對血管的刺激小，具有生物相容性好、可生物降解、無毒、易制備、成本低等優點，可用于靶向給藥、組織結構、傷口愈合和細胞培養等醫療領域。借助微流體技術可以將水凝膠批量制備成微膠囊，而且設備簡單、成本低。Besanjideh 等采用微流體技術制備了海藻酸鹽水凝膠微球，研究了海藻酸鈉溶度對微球形狀和大小的影響[3]。在水凝膠中混入磁性納米顆粒（MNP）既可以靶向定位，又可以輔助熱療，能夠達到殺死癌細胞的效果。但是據筆者所知，直到現在還沒有研究人員從事采用微流體技術制備內核為新藤黃酸的海藻酸鹽基磁性水凝膠微膠囊的相關研究。

1 磁各向異性水凝膠微球的制備方法

Kihak Gwon 等采用微流體技術制備了水凝膠微膠囊，該膠囊的內核為干細胞[4]。由此可見，采用微流體技術制備內核為新藤黃酸的海藻酸鹽基磁性水凝膠微膠囊是可以實施的。本研究將新藤黃酸裝載于磁性水凝膠的微膠囊中，以減小新藤黃酸對血管的刺激，規避新藤黃酸水溶性差的缺陷。同時，微膠囊能夠實現靶向定位和可控藥物釋放，減少患者的用藥量。該微膠囊采用微流體技術制備，設備簡單且成本較低，可批量制備，以降低藥物成本。具體制備過程如圖1 所示。

圖1 Alg@MNP+NGA 微膠囊制備方案

1. 將海藻酸鈉（NaAlg）與去離子水按2∶100的質量比放入燒杯中，使用磁力攪拌器攪拌45 min，使NaAlg 充分溶解，形成海藻酸鈉溶液。

2. 選用10 納米粒徑的Fe2O3顆粒作為本專利使用的MNP 顆粒。將MNP 按5∶100 的質量比加入海藻酸鈉溶液中，使用超聲分散器將MNP 均勻分散到海藻酸鈉溶液中，在分散過程中需要將溶液的溫度控制在25 ℃以下，分散30 min，形成磁性海藻酸鈉溶液（NaAlg@MNP）。

3. 使用真空器除去磁性海藻酸鈉溶液中的氣泡，備用。

4. 將氯化鈣（CaCl2）去離子水按2∶100 的質量比放入燒杯中，使用磁力攪拌器攪拌20 min，使CaCl2充分溶解，形成氯化鈣溶液，備用。

5. 搭建實驗平臺。使用激光雕刻機在亞克力板上雕刻水凝膠微球的微通道，其尺寸參數如圖1 所示。該微通道共有6 個通道口，每個通道口用毛細管與注射器相連，通道口的具體連接安排如下。

通道口①的連接采用內外雙層毛細管，內層毛細管與裝有新藤黃酸（NGA）溶液的注射器相連，外層毛細管與裝有預制好的磁性海藻酸鈉溶液（NaAlg@MNP）的注射器相連。兩個注射器均安裝在微流體注射泵上。

通道口②③均采用毛細管與裝有50CPS 硅油的注射器相連，注射器安裝在微流體注射泵上。

通道口④⑤均采用毛細管與裝有預制好的氯化鈣（CaCl2）溶液的注射器相連，注射器安裝在微流體注射泵上。

通道口⑥通過軟管將基本成型的水凝膠微膠囊導向裝有氯化鈣（CaCl2）溶液的燒杯中。

設定亥姆霍茲線圈產生的磁場強度為10 mT。

2 磁各向異性水凝膠的性能分析

為了進一步測試磁各向異性水凝膠的制備效果，研究磁各向異性對磁性水凝膠磁熱性能的影響，本文制備了磁性水凝膠薄片，在制備過程中使用靜態磁場對水凝膠中的MNP 進行排序。具體操作步驟如下。

1. 首先使用激光雕刻機在亞克力板上雕刻矩形槽作為水凝膠薄片的模具。

2. 然后配置質量百分比為2%的海藻酸鈉溶液，然后在海藻酸鈉溶液中按5%的質量百分比加入MNP，使用超聲分散儀使MNP 均勻分散，形成磁性海藻酸鈉溶液。

3. 把0.05 mL 磁性海藻酸鈉溶液滴入模具中攤平，并將模具置于亥姆霍茲線圈中央，矩形的長邊對齊線圈的軸線。

4. 按2%的質量百分比配置氯化鈣溶液，將0.05mL 氯化鈣溶液滴入裝有磁性海藻酸鈉的槽中。

5. 打開亥姆霍茲線圈電源，產生10 mT 的靜態磁場，對水凝膠中的MNP 進行排序，持續時間為10 min。

同時，制備一些磁性海藻酸鈣水凝膠薄片，制備過程中未使用磁場對水凝膠中的MNP 進行排序。采用電子顯微鏡對兩種磁性水凝膠中MNP 的分布狀態進行觀察，結果如圖2 所示。

圖2 磁性水凝膠內部MNP 分布圖

從圖2 可以看出，在制備過程中沒有使用靜態磁場對MNP 進行排序的磁性水凝膠內部的MNP 呈均勻分布狀態，如圖2（a）所示；而在制備過程中使用靜態磁場對MNP 進行排序的磁性水凝膠中的MNP 呈線性排列，如圖2（b）所示。這說明在制備過程中可以通過外部靜態磁場來控制水凝膠內部MNP 的排序。

本文通過實驗驗證了MNP 排序對改善磁性水凝膠磁熱性能的作用。在室溫下，分別將未經排序的磁性水凝膠薄片和經過排序的磁性水凝膠薄片放置在交變磁場的線圈中，其中使經過排序的水凝膠薄片的線性方向與交變磁場發生線圈的軸線平行，即矩形水凝膠薄片的長邊與線圈的軸線平行，打開交變磁場線圈的電源，持續5 min，使用紅外溫度測量儀測量兩種線圈的溫度，如圖3 所示。從圖3 可以看出，MNP 未經外部磁場排序的磁性水凝膠薄片在交變磁場的作用下的最高溫度僅有27.5 ℃；而MNP經過外部磁場排序的磁性水凝膠薄片在交變磁場的作用下的最高溫度可達43.8 ℃。這說明通過調整MNP 的分布狀態能夠改善磁性水凝膠薄片的磁熱性能。同時MNP 經過外部磁場排序的磁性水凝膠薄片在交變磁場的作用下溫度達到43.8 ℃，這一結果為磁性水凝膠用于藥物遞送、可控釋放及輔助磁熱療奠定了堅實的基礎。

圖3 在交變磁場作用下磁性水凝膠薄片的溫度

3 應用前景

國家癌癥中心的陳萬青教授團隊的最新研究表明，2022年中國和美國分別有約4 820 000 和2 370 000 例新發癌癥病例，以及3 210 000 和640 000 例癌癥死亡病例。已有的研究發現新藤黃酸具有多靶點治療特點，特別是對乳腺癌、肺癌、肝癌等常見多發癌癥具有抑制腫瘤細胞增殖、促進腫瘤細胞凋亡的作用。因此，新藤黃酸在治療癌癥方面具有廣闊的市場前景。

但是，由于新藤黃酸存在水溶性差、對血管刺激大的缺點，其在臨床中的應用受到很大阻礙。本文采用微流體技術制備磁性水凝膠微膠囊包裹新藤黃酸可以有效克服新藤黃酸的這些缺點，有助于提升療效，降低用藥成本，增強藥物的競爭力。