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海藻酸盐-Aloe vera 载扶他昔酸水凝胶薄膜的研制与表征

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DOI：

10.3791/67068

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2024年12月13日

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1Faculty of Pharmacy, MAHSA University, 2Radiopharmaceutical Technology Group, Medical Technology Division, Malaysia Nuclear Agency, 3Faculty of Pharmacy, Department of Pharmaceutical Sciences, Aqaba University of Technology, 4Department of Parasitology and Medical Entomology, Faculty of Medicine, Universiti Kebangsaan Malaysia, 5Department of Medical Sciences, School of Medical and Life Sciences, Sunway University, 6Department of Biology, College of Science, Princess Nourah bint Abdulrahman University, 7Department of Zoology, College of Science, King Saud University, 8Department of Medicine and Infectious Diseases, Faculty of Veterinary Medicine, Cairo University, 9Department of Pharmaceutical Sciences, Pharmacy Program, Batterjee Medical College, 10Pharmacology Department, Faculty of Veterinary Medicine, Suez Canal University, 11Faculty of Pharmacy, University College of MAIWP International

本文内容

摘要

本研究开发了一种负载夫西地酸的水凝胶薄膜制剂，并采用不同比例的Aloe vera对其进行表征。

摘要

一种新型的含夫西地酸水凝胶薄膜被制备出来 通过 使用海藻酸钠的溶剂浇铸技术 芦荟（Aloe vera）. 通过使用不同比例的海藻酸钠对水凝胶薄膜进行了优化， 芦荟（Aloe vera），以及甘油。含有10%甘油（海藻酸钠质量的百分比）的薄膜表现出最佳外观。加入 芦荟（Aloe vera） 影响了水凝胶薄膜的厚度、溶胀行为、水蒸气透过性以及药物释放曲线。较高的 芦荟（Aloe vera） 内容导致薄膜增厚（在一定比例内）、溶胀性增加、水蒸气透过性降低，并在12小时内实现长达93%的药物缓释。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析证实了关键官能团的存在以及水凝胶组分之间的相互作用。该研究表明，海藻酸钠与 芦荟（Aloe vera），且甘油可改善水凝胶薄膜的机械性能和药物释放特性，使其成为增强局部药物递送和促进伤口愈合应用的有前景选择。

引言

夫西地酸是一种从Fusidium coccineum中提取的强效甾体类抗生素。它被广泛用于治疗葡萄球菌引起的皮肤感染和脓疱病。该药物即使对耐药菌株也具有高效性，且毒性较低，因此是治疗皮肤感染的合适选择1。与其他外用抗生素不同，夫西地酸能够深入渗透皮肤，增强其抗菌效果，尤其是在皮肤保护屏障受损的区域。其分子结构赋予其良好的溶解特性，可在体内组织中广泛分布，而其钠盐形式（钠 fusidate）更具有更好的水溶性和渗透率，进一步提升了分布能力2,3。夫西地酸可通过多种途径给药，包括口服、静脉注射和外用，可根据不同的治疗需求灵活选择，适用于多种类型的感染4。

水凝胶因其高含水量和良好的生物相容性，已成为伤口治疗中抗生素递送的创新载体，能够保持湿润环境、实现药物的可控释放，并改善患者的治疗效果。水凝胶由天然或合成聚合物（如海藻酸盐）制成，其中海藻酸盐因其优异的生物相容性、成本低廉以及可形成类似天然组织细胞外基质的凝胶特性而备受青睐5。特别是基于海藻酸盐的水凝胶，可为伤口愈合提供湿润环境，不与伤口粘连，易于移除，因此非常适合用于递送生物活性物质并促进组织再生。包载抗生素的水凝胶的研发代表了伤口护理领域的重要进展，可实现药物的靶向递送和持续的治疗效果6,7。

本研究提出的含夫西地酸的海藻酸盐/芦荟水凝胶旨在克服夫西地酸溶解度差的问题，并增强其经皮渗透能力。Aloe vera 因具有对皮肤温和、保湿及抗菌等特性而著称，同时还可作为化学透皮促进剂，可能提高夫西地酸在治疗皮肤感染中的疗效8,9。该创新性制剂利用 Aloe vera 与海藻酸盐水凝胶的协同作用，创造有利于伤口愈合的微环境，优化药物递送效果，为皮肤感染的强化治疗提供了一种有前景的解决方案，从而在改善药物递送和促进愈合效果的基础上，充分发挥夫西地酸强大的抗菌活性10。

方案

本研究中所用试剂与设备的详细信息列于材料表中。

1. 夫西地酸水凝胶薄膜的制备

  1. 配制海藻酸钠（2.0% w/v）溶液 芦荟 (1.0% w/v)，通过将其溶解于蒸馏水中制备。
  2. 将200 mg夫西地酸加入海藻酸钠溶液中，搅拌1小时。
  3. 将甘油以10%、12%和14%（w/w，基于海藻酸钠质量）的浓度加入海藻酸钠溶液中。
  4. 将海藻酸盐和 芦荟 溶液以达到最终的藻酸盐/芦荟 体积比（v/v）分别为100:0、90:10、80:20和75:25。
  5. 将每种混合物各25 mL倒入玻璃培养皿（100 mm × 20 mm）中，于室温下静置干燥（25 °C) 并在50%的受控湿度下放置2天。
  6. 将干燥的薄膜浸入氯化钙（CaCl₂）溶液中2) 水溶液（5.0% w/v）中浸泡5分钟，以获得水凝胶薄膜。
  7. 用蒸馏水清洗所得薄膜，并在使用前于室温下干燥。

2. 测定薄膜厚度

  1. 使用数字千分尺测量薄膜的厚度11。
  2. 在薄膜上的五个不同位置进行测量。
  3. 记录每个位置测得的数值。
  4. 根据所测得的数据计算薄膜的平均厚度。

3. 测定溶胀指数

  1. 使用实验刀将薄膜样品切成 2 cm × 2 cm 的正方形。
  2. 准确称量每份样品。
  3. 将样品在室温下浸泡于 PBS 缓冲液（pH 6.8）中 24 小时。
  4. 用滤纸吸去薄膜表面多余的水分。
  5. 再次称量样品。
  6. 在不同时间点称量薄膜样品。使用以下公式计算溶胀能力：
    溶胀率公式 Sw(%)=(Wh-Wd)/Wd x 100，用于材料分析。
    注意：Wh 表示样品的水合重量，Wd 表示样品的干重。

4. 水蒸气渗透性或封闭性测试

  1. 用滤纸覆盖装有 50 mL 水的玻璃烧杯的开口11。
  2. 将成膜溶液涂布于其中一张滤纸上，并使其形成薄膜。
  3. 将烧杯置于室温及环境湿度下保存。
  4. 根据烧杯内水的质量减少情况，评估薄膜对水的透过性。
  5. 为测定所制备的水凝胶薄膜的水蒸气透过率，使用以下公式：
    静态平衡公式 F=((A-B)X100)/A；数学方程；用于教学。
    注：闭塞性因子 F 用于衡量薄膜的透过性，通过计算未涂膜的滤纸覆盖烧杯与涂膜滤纸覆盖烧杯之间水质量差值来确定。闭塞性因子数值越小，表明薄膜的透过性越高。

5. 傅里叶变换红外光谱法（FTIR）

  1. 将水凝胶样品置于傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）的ATR晶体上。
  2. 设置波数范围为4000–400 cm−1。
  3. 设置扫描速率为每样品60次扫描。
  4. 设置分辨率为4 cm−1。
  5. 每次样品测试前记录空气背景。
  6. 对每个水凝胶样品分别进行分析。
  7. 分析每个水凝胶样品的FTIR谱图，以确认官能团并考察各组分之间的相互作用12。
  8. 分别对原始 Aloe vera、海藻酸钠、甘油和夫西地酸进行相同的分析。

6. 差示扫描量热法（DSC）

  1. 使用市售的热分析仪器获取热谱图。
  2. 从聚合物薄膜上切割出多个圆形样品片，制备测量样品。
  3. 研究温度范围为 25–230 °C。
  4. 设定升/降温速率为 20 °C/min。
  5. 使用标准铟样品配合相应软件进行温度和焓值校准。

7. 药物释放测试

  1. 配制 50 mL 磷酸盐缓冲液（PBS，pH = 7.4）作为溶出介质。
  2. 将水凝胶薄膜浸入 PBS 中，在 37 °C 下以 50 rpm 的速度搅拌 24 小时。
  3. 在预定时间点，收集 2 mL 样品。
  4. 使用注射器滤器对收集的样品进行稀释和过滤。
  5. 立即补充等体积的 PBS。
  6. 采用紫外分光光度计测定释放的夫西地酸浓度，在 285 nm 处测量吸光度。
  7. 使用零级、一级、Higuchi 和 Korsmeyer-Peppas 模型评估夫西地酸的释放动力学4。

结果

海藻酸钠/Aloe vera 水凝胶薄膜的制备
采用不同比例的海藻酸钠、Aloe vera 和甘油制备水凝胶薄膜配方。最终的配方制备与评价仅使用10%甘油（w/w，相对于海藻酸钠）。图1展示了不同Aloe vera比例的水凝胶薄膜。选择该条件的原因是其他甘油比例无法提供必要的黏附性和柔韧性，导致薄膜成形不良。薄膜良好的黏附性和弹性归因于海藻酸钠和甘油的存在。添加Aloe vera并未改变薄膜外观，但在制备过程中影响了溶液的黏度。

厚度
厚度结果如表1所示。仅含海藻酸钠的对照样品A厚度为0.11 mm。随着样品B和C中Aloe vera比例的增加，薄膜厚度分别增至0.13 mm和0.12 mm。然而，Aloe vera比例最高的样品D，其薄膜最薄，为0.09 mm。根据这些结果，添加Aloe vera可能在一定程度上对薄膜厚度产生影响。

溶胀指数
评估水凝胶吸收各种液体的能力是本研究的关键方面，重点在于理解聚合物在不同条件下发生溶胀的能力。如图2所示，随时间变化的溶胀指数结果揭示了不同浓度的Aloe vera对海藻酸盐基薄膜吸水能力的影响。含有0% Aloe vera的薄膜（A）在24小时后表现出最低的溶胀指数（364.8%）。相比之下，随着Aloe vera含量的增加，样品的溶胀指数逐步升高，其中25:75薄膜（D）达到最高值，约为549%。这些结果表明，Aloe vera的亲水特性在增强薄膜溶胀行为方面发挥了重要作用。图3展示了水凝胶薄膜在溶胀前后的状态。

水蒸气渗透性或闭塞性能测试
通过比较有膜和无膜条件下烧杯中水分的差异，评估薄膜的水蒸气渗透性。根据表2所示结果，不含Aloe vera的对照样品未表现出闭塞效应，而其他样品在添加Aloe vera后闭塞因子均有所增加。B样品的闭塞因子为13.2，而C和D样品的闭塞因子最高，达到20。这表明添加Aloe vera有助于降低海藻酸盐薄膜的水蒸气渗透性（WVP）。

傅里叶变换红外光谱（FTIR）结构分析
图4 展示了含有夫西地酸的水凝胶配方的傅里叶变换红外光谱（FTIR），以及各原料的光谱，包括海藻酸钠、Aloe vera、甘油和夫西地酸。水凝胶配方的光谱在约3200–3400 cm−1处显示一个宽的吸收带，在约1636 cm−1处出现一个吸收峰，分别对应于海藻酸钠、Aloe vera和甘油中O-H基团的伸缩振动，以及海藻酸钠中COO基团的不对称伸缩振动13。此外，在约1330–1340 cm−1处的吸收峰反映了C-H基团的弯曲振动，而1171 cm−1处的峰则与海藻酸钠中C-O键的伸缩振动相关。

差示扫描量热法（DSC）
差示扫描量热法（DSC）用于分析海藻酸钠、芦荟、纯夫西地酸及载药水凝胶薄膜的热行为。海藻酸钠的热图谱显示在约 132 °C （如所示在 图5）。另一方面， 芦荟 热谱图显示出多个峰。纯夫西地酸的DSC分析显示在 184.5 °C对于载药水凝胶薄膜，仅在之间检测到一个宽峰 103 °C 和 170 °C，各组分或药物均无熔融峰。

药物释放
的 体外 在 pH 7.4 的 PBS 溶液中，对所有样品在 24 小时内进行了药物释放检测。薄膜样品表现出药物的缓慢释放，可能是由于致密的水凝胶结构所致。含有 芦荟 在12小时内释放了89.7%至93%的夫西地酸，而无夫西地酸的对照膜 芦荟 在12 h后完全释放了所有药物，如图所示 图6. 对夫西地酸的不同释放动力学模型进行了评估，结果如下所示 表3. 药物释放结果与零级释放模型的拟合度最佳，该模型具有最高的R2 值。

聚合物薄膜形成、组分比例图像，100:0 至 75:25，材料性能研究。
图1：载有夫西地酸的水凝胶薄膜的物理外观。在不同比例下，载有夫西地酸的海藻酸钠/Aloe vera 水凝胶薄膜的照片：（A）100:0，（B）90:10，（C）80:20，以及（D）75:25，在4倍放大下观察。 请点击此处查看该图的高清版本。

溶胀指数% 图表；聚合物比例与时间的关系；材料溶胀行为的数据分析。
图 2：水凝胶薄膜的溶胀指数。不同比例的含夫西地酸海藻酸钠/Aloe vera 水凝胶薄膜的溶胀指数百分比：（A）100:0，（B）90:10，（C）80:20，以及（D）75:25。误差线表示标准差（SD），n = 3。请点击此处查看此图的放大版本。

生物聚合物薄膜比较实验，展示样品A和B的结构差异。
图3：水凝胶薄膜在溶胀前后的对比。水凝胶薄膜在溶胀前（A）和溶胀后（B）的比较，展示由于溶胀过程引起的物理外观变化。请点击此处查看该图的放大版本。

FTIR 光谱图；波数与透射率关系。分子振动数据分析。
图 4：FTIR 光谱分析。 不同组分和配方的 FTIR 光谱：(A) 腐殖酸，(B) 海藻酸钠，(C) Aloe vera，(D) 甘油，(E) 配方 100:0，(F) 配方 90:10，(G) 配方 80:20，以及 (H) 配方 75:25。请点击此处查看此图的放大版本。

差示扫描量热法图谱；热流分析，水凝胶，夫西地酸，芦荟，海藻酸盐。
图 5：水凝胶制剂的 DSC 热谱图。 水凝胶制剂、夫西地酸、海藻酸盐和 Aloe vera 的差示扫描量热法（DSC）热谱图，显示其热学性质与相变特征。请点击此处查看该图的放大版本。

累积药物释放曲线，% 与时间的关系，显示四种制剂的趋势。
图 6：水凝胶薄膜的累积药物释放。 不同比例的含梭链霉素酸的海藻酸钠/Aloe vera 水凝胶薄膜的累积药物释放情况：（A）100:0，（B）90:10，（C）80:20，以及（D）75:25。误差线表示标准差（SD），n = 3。请点击此处查看此图的放大版本。

薄膜样品厚度 (mm)
A (100:0)0.11 ± 0.01
B (90:10)0.13 ± 0.01
C (80:20)0.12 ± 0.01
D (75:25)0.09 ± 0.01

表1：水凝胶薄膜配方的厚度。 不同海藻酸钠/Aloe vera 水凝胶薄膜配方厚度的测量结果，n = 3。

样本水体积减少量（mL）封闭性因子
对照2.50 ± 0.00-
A (100:0)2.50 ± 0.410
B (90:10)2.17 ± 0.2413.2 ± 0.5
C (80:20)2.00 ± 0.1120.0 ± 0.3*
D (75:25)2.00 ± 0.0220.0 ± 0.21*

表2：水分减少量与闭塞性因子。 藻酸盐/Aloe vera 水凝胶薄膜配方在水分减少量（mL）和闭塞性因子方面的数据，n = 3。*p≤ 0.005。

零级一级科斯梅耶-佩帕斯希古奇
F1 (100:0)R20.9950.66070.99250.9142
F2 (90:10)R20.9950.6670.99170.9141
F3 (80:20)R20.9950.66740.99170.9141
F4 (75:25)R20.9950.66740.99170.9141

表3：夫西地酸的释放动力学。 夫西地酸从水凝胶制剂中的释放动力学及相关系数，展示了分析中所采用的数学模型。

讨论

将夫西地酸以不同比例掺入含有Aloe vera和甘油的海藻酸盐水凝胶薄膜中。Aloe vera的存在不影响薄膜外观，但在制备过程中，含Aloe vera的溶液黏度有所降低。厚度测试结果表明，Aloe vera的加入可能在一定程度上影响薄膜厚度，但该影响并不显著。总体而言，并不存在适用于所有应用的单一理想厚度。然而研究表明，薄膜的黏附性和机械性能受厚度影响，较薄的薄膜可能促进更快的水蒸气透过速率，更有利于维持伤口愈合所需的湿润环境14。

水凝胶溶胀性能的研究是当前科研的重点，旨在评估聚合物吸收不同液体的能力。研究结果表明，芦荟的亲水特性显著改善了薄膜的溶胀行为。溶胀指数的升高表明，芦荟促进了更多的水分吸收，可能是通过保持水分并在薄膜基质内形成水合凝胶样结构所致15。所观察到的水凝胶薄膜的溶胀行为可能与芦荟中的多糖含量有关。在低浓度时，多糖可能阻碍海藻酸盐链之间的连接，导致结构较为疏松，初始溶胀程度可能较低；然而在较高浓度下，这些多糖有助于交联作用，形成更致密的网络结构，从而能够保留更多水分并提高溶胀指数16。

可食用膜的水蒸气透过率（WVP）取决于膜中亲水基团与非亲水基团的比例。该比例在膜基质与水分子相互作用的过程中起着重要作用17。添加Aloe vera降低了海藻酸盐膜的WVP。在另一项研究中，探讨了壳聚糖和Aloe vera提取物浓度对壳聚糖生物膜理化性质的影响，同样观察到加入Aloe vera后水蒸气透过率降低的现象18。WVP的降低可能是由于Aloe vera中大分子量的多糖与海藻酸盐之间发生相互作用，从而减少了水分子可移动的分子间空间总量19。因此，尽管效果不显著，但含有Aloe vera的水凝胶膜相较于对照膜表现出更强的闭塞性能。这可在伤口部位形成一个温暖且湿润的环境，可能通过减少组织坏死并促进细胞间通讯来辅助伤口愈合20。

所有水凝胶薄膜样品均表现出药物的缓释行为，这可能归因于水凝胶致密的结构21。结果表明，随着Aloe vera含量的增加，药物释放速度略有减缓，从而促进了更持久的药物释放效果。这与Mahmood等人的研究结果一致，表明利用基于Aloe vera的聚合物网络是实现持续药物递送的有效方法22。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析对于快速高效地鉴定包封的化学分子至关重要，尤其适用于检测聚合物内部的化学变化，例如因药物掺入引起的伸缩或弯曲振动峰的变化23。在所有负载了夫西地酸的水凝胶中均未检测到与夫西地酸相关的特征峰，表明夫西地酸已成功掺入水凝胶基质中。根据图4所示结果，负载夫西地酸的水凝胶薄膜在103 °C至170 °C之间呈现一个宽泛的峰，未观察到明显的组分或药物熔融峰。这表明药物与各组分在分子水平上均匀分布，说明水凝胶体系已成功形成，且各成分已良好地整合至水凝胶交联的刚性聚合物网络中22。夫西地酸的释放动力学通过最高决定系数（R2）值确定23。R2值的结果表明，零级释放模型最能准确描述该聚合物体系中夫西地酸的释放行为，提示药物释放速率恒定，不受剩余药量影响。这一结果与零级动力学在修饰释放系统（如透皮贴剂）中的已知应用一致，其中药物以恒定速率通过聚合物膜扩散。零级药物递送系统有望提高患者的依从性，并减少因频繁给药引起的不良反应24,25。已有报道指出，使用0.5 M CaCl2交联的海藻酸钠/壳聚糖水凝胶薄膜此前即表现出零级释放动力学；而降低CaCl2交联程度则会导致释放模型由零级转变为Korsmeyer-Peppas模型26。

局限性
尽管溶剂浇铸法结合 CaCl2 交联为水凝胶薄膜的制备提供了一种简便的方法，但该方法仍存在局限性。CaCl2 浓度、海藻酸钠组成以及浇铸条件等因素均可能影响交联过程，而实现精确控制较为困难。据报道，CaCl2 过度交联会导致薄膜变脆，易于开裂或断裂。薄膜的力学性能（强度、弹性）可能因交联程度不同而变化，从而导致性能不一致27,28。总之，尽管海藻酸钠与 Aloe vera 的溶剂浇铸法具有生物相容性和潜在生物活性等优势，但其在力学强度、对水的敏感性、均匀性、加工条件、粘附性、阻隔性能以及环境影响等方面仍存在若干局限性，需根据薄膜的预期用途进行仔细评估。此外，溶剂浇铸法因其操作简便，适用于实验室规模的制备。因此，为确保在更大表面积上实现适当的溶剂蒸发和成膜，放大生产时可能需要特定设备和工艺调整。

披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本研究得到了沙特阿拉伯利雅得公主诺拉·宾特·阿卜杜勒拉赫曼大学研究人员支持项目（PNURSP2024R30）的资助，该项目由公主诺拉·宾特·阿卜杜勒拉赫曼大学提供支持。本研究还由沙特阿拉伯利雅得国王沙特大学研究人员支持项目（RSPD2024R811）资助。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
Aloe vera本地供应商，马来西亚吉隆坡使用未经处理的芦荟树皮，并在本实验室中进行材料制备
氯化钙R&M Chemicals
差示扫描量热法Netzsch-GruppeDSC 300 Caliris
傅里叶变换红外光谱法Perkin Elmer107914
夫西地酸Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USAPHR2810认证标准物质，药物二级标准品
甘油 Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USAPHR1020美国药典（USP）标准品
千分尺Blomker Industries, 马来西亚
NETZSCH Proteus 软件 Netzsch-GruppeDSC 300 Caliris
磷酸盐缓冲液Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USAP4417片剂
海藻酸钠Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USAW201502
热分析仪 NETZSCH DSC Caliris
紫外-分光光度计 / UV LINE-9400 SECOMAM/ 8512047

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