布洛芬包封于环糊精纳米海绵水凝胶中的传输特性：质子高分辨魔角旋转核磁共振波谱研究

摘要

采用脉冲场梯度自旋回波（PGSE）核磁共振技术，研究布洛芬在β-环糊精纳米海绵聚合物网络中的运动行为。本文详细描述了材料的合成、纯化、药物负载、核磁共振脉冲序列的实施以及数据分析过程，以计算药物在多个观测时间点的均方位移。

摘要

β-环糊精（β-CD）与乙二胺四乙酸二酐（EDTA）的化学交联生成了被称为环糊精纳米海绵（CDNSEDTA）的支化聚合物。文中描述了两种不同制备方法，其CD-EDTA摩尔比分别为1:4和1:8。相应的交联聚合物与0.27 M的布洛芬钠盐（IP）水溶液接触后，形成了均匀、无色、载药的水凝胶。

采用高分辨率魔角旋转（HR-MAS）核磁共振（NMR）波谱法对体系进行表征。利用脉冲梯度自旋回波（PGSE）NMR波谱法测定不同观测时间 t_d 下IP在聚合物凝胶内的均方位移（MSD）。进一步处理数据以研究MSD的时间依赖性：MSD = f(t_d)。所提出的方法可用于表征溶质在水凝胶内部可能经历的不同扩散模式，即正常扩散或反常扩散。本文报道并讨论了完整的实验方案，包括聚合物的制备与纯化、载药水凝胶的制备、NMR样品的准备、通过HR-MAS NMR波谱法测量MSD，以及最终获得MSD时间依赖性的数据处理过程。所展示的实验具有典型意义，相关数据从一种新颖方法的角度进行讨论，该方法可用于表征药物递送潜在应用中聚合物基质内包封客体分子传输特性的表征。

引言

人们对设计和构建能够通过非共价相互作用包埋具有潜在生物化学活性小分子的高分子体系日益关注。这类材料有望应用于将活性成分运输至特定靶点，并在外源性刺激（如pH变化、温度）作用下实现可控释放。 等等。 在此背景下，水凝胶因其能够实现药物的可控释放，已成为纳米医学中多功能且高效的材料¹聚合性水凝胶的形成可通过以下方式实现：i）通过氢键等物理性非共价相互作用连接大分子链；ii）通过共价交联使大分子链形成三维网络结构，该结构可在水溶液中发生溶胀；或iii）上述两种方法的结合。^2-4.

一种特别多功能的三维可溶胀聚合物，可用于包封有机和无机物质，可通过天然β-环糊精（β-CD）与适当的四羧酸活化衍生物缩合反应制备^5-8，从而得到环糊精纳米海绵（CDNS）。CDNS 的合成、表征及其应用是我们课题组长期研究的主题。近年来的研究结果表明，CDNS 具有显著的溶胀性能、对化学物质的吸附/包合作用以及小分子药物的释放能力，在药物活性成分的可控释放^9-11 和环境化学^12-14 领域具有广泛应用前景。

基于上述前提，需要解决的两个主要问题涉及活性化合物在聚合物凝胶中的高效载药，以及对溶质....

方案

1. CDNSEDTA 聚合物的合成

1. 使用前将β-环糊精（β-CD）于80 °C烘箱中干燥4小时。使用前将500 ml二甲基亚砜（DMSO）和100 ml三乙胺（Et₃N）在分子筛（4 Å）上干燥24小时。
2. 将25 ml DMSO加入50 ml单颈圆底烧瓶中。在磁力搅拌下，分小份加入5.675 g β-CD（5 mmol），以减少结块的形成。
3. 约30分钟后，用10 ml刻度移液管向均相溶液中加入6 ml Et₃N。在室温下继续搅拌15分钟。将烧瓶浸入室温水浴中。
   注意：β-CD与EDTA的反应为放热反应。因此，将烧瓶置于水浴中有利于热量交换，避免反应混合物过热。
4. 在剧烈搅拌下，加入5.124 g（20 mmol，制备CDNSEDTA 1:4）或10.248 g（40 mmol，制备CDNSEDTA 1:8）的EDTA二酸酐。
5. 反应3小时后，用刮勺将固体物质（CDNSEDTA 1:4或CDNSEDTA 1:8）从烧瓶中取出，并用研钵和研杵粗略研碎。
6. 在室温下，用丙酮（100 ml × 5次）、0.1 M盐酸（200 ml × 5次）和去离子水（200 ml × 3次）将固体物质洗涤至滤纸上。
7. 最后，将所有固体物质在室温下空气中干燥48小时，用研钵和研杵精细研磨，然后在45 °C下真空干燥（< 15 mbar）2小时。

....

结果

我们首先将该方法应用于溶于水溶液中的IP药物分子，以验证此方法的可行性。代表性结果的完整描述可参见文献21。本文重点将放在方法学层面以及数据采集与数据分析的具体操作过程。 图3 在半对数坐标系上显示归一化的实验信号衰减 I(q, t)_d)/I(0, t_d) 作为……的函数 q² （根据第2.4节）。在 表1 报告了每个扩散时间 Δ 对应的观测到的均方位移（MSD）值。以对数-对数坐标绘制的 z²与 t 对比_d (图3) 得到一条具有 R 的直线²= 0.999（依据第2.4节）。对于溶解在D中的IP，得到的标度指数α = 1₂O溶液中，在0.27 M浓度下表现出溶液中的高斯运动。只有在此情况下，自扩散系数方可相应地计算为D = 4.1×10^-10 m^2<.......

讨论

我们提出一种实验方法，用于确定小分子药物在两种典型CDNSEDTA水凝胶配方中的扩散模式。高分辨率魔角旋转脉冲梯度自旋回波核磁共振（HR-MAS PGSE NMR）技术可用于测定小分子在特定扩散时间（几毫秒至秒级）内的均方位移，从而监测微米尺度的距离变化。在所观察的时间范围（50–170毫秒）内，每个研究体系仅表现出一种类型的运动。然而需要强调的是，在更长的观测时间内，可观察到不同扩散模式之间的转变²²。因此，本文报告的结果受限于实验所用设备的硬件条件及我们现有仪器所决定的时间尺度。

针对本工作的每个步骤——聚合物合成、水凝胶负载、HR-MAS NMR 数据采集与处理，我们在此列出三个主要问题及相应的解决方案。

纯化
根据步骤1.6所述方法对材料进行纯化，可有效去除反应产物中可能残留的DMSO、Et₃N以及未反应的EDTA。特别是，使用0.1 M HCl水溶液洗涤可完全去除Et₃N。仅用丙酮洗涤材料则无法有效实现此目.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
高分辨率魔角旋转探头	BRUKER	N/A	用于半固体样品核磁共振测量的探头
核磁共振波谱仪	BRUKER	DRX 500	适用于液体和半固体状态的傅里叶变换核磁共振波谱仪
β-环糊精（β-CD）	Alfa-Aesar	J63161	试剂
乙二胺四乙酸二酸酐（EDTA 二酸酐）	Sigma-Aldrich	332046	试剂
二甲基亚砜（DMSO）	Alfa-Aesar	D0798	溶剂
三乙胺	Sigma-Aldrich	471283	碱（试剂）
布洛芬（IP）钠盐	Sigma-Aldrich	I1892	抗炎药物
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