一种载药铈纳米颗粒水凝胶及其制备方法与应用

1.本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种载药铈纳米颗粒水凝胶及其制备方法与应用。


背景技术：

2.随着科技的发展和电子设备的日益普及，眼科疾病发病率日益提高，给人们的日常生活带来很大的不便。目前，眼科用药主要是以滴眼剂进行局部给药，但这种方法也存在许多问题，例如药物流失过快，需反复给药而给患者造成不适，而且，药物在眼部的生物利用度通常低于5％。因此，急需开发新型眼部给药系统。
3.载药隐形眼镜作为替代传统点滴给药的一种新型手段，受到研究者越来越多的关注。首先，它具有传统隐形眼镜屈光矫正和眼睛保护的作用，其次，还能负载特定的药物，使药物长期稳定缓释，这些优点让载药隐形眼镜有望成为眼科患者恢复的新手段和新途径。目前常用的负载药物的方式为药物浸泡法，该方法制备而成的隐形眼镜药物负载量低且药物突释严重。因此，开发新型可缓释药物型隐形眼镜成为科研工作者的重点。
4.目前，可应用于眼部用药的负载纳米颗粒的水凝胶隐形眼镜作为替代传统点滴给药的一种新型手段，克服了传统药物在角膜上停留时间短、生物利用度低等问题，受到研究者越来越多的关注。它不仅具有传统隐形眼镜屈光矫正和眼睛保护的作用，而且还能负载特定的药物，使药物长期稳定缓释。从理论上看，纳米载体作为第一屏障可以减缓药物释放速率，因为药物在眼部表面滞留的时间延长，可以达到50％的生物利用度，而且因其可以形成封闭效果，所以可减少全身药物的不良反应。近年来，许多研究证明，负载纳米颗粒的隐形眼镜在眼科中具有广阔应用前景，且随着医疗技术的不断发展，隐形眼镜作为一种特殊的医疗器械，在眼科将会得到越来越广泛的应用。
5.铈是我国储藏含量充足的一种稀土元素，铈纳米颗粒是由面心立方萤石结构晶体构筑而成的。铈离子在 4价态时晶格结构处于非稳定状态，易于转变为 3价态，从而使铈纳米颗粒表面能够同时存在这两种价态，且价态之间的可逆性转换显示出其可再生性的活性氧(ros)清除能力，从而达到它的抗氧化防护性能。又鉴于氧化应激和炎症是引发大多数眼部疾病的主要原因，研发具有抗氧化和抗炎特性的纳米载体被认为是减缓眼部疾病进展的有效方法。且研究显示，紫外线容易导致白内障、老年性黄斑性病变等眼部疾病，需要我们在用眼过程中多加防护。而从理论上来看，铈纳米颗粒在紫外光(200-400nm)范围内有强吸收，而对可见光几乎可以100％透过，因此其在紫外防护领域具有光明前景，适合应用于隐形眼镜。因此在潜在的候选材料中，铈纳米颗粒因其出色的治疗及防护性能，包括抗氧化、抗炎和防紫外线等，显示出良好的应用前景。


技术实现要素：

6.发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种能有效负载抗菌药物并延长药物释放时间、防紫外线、且具有ros清除能力的水凝胶，并将其作为
治疗型隐形眼镜应用。
7.为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
8.一种载药铈纳米颗粒水凝胶，包括水凝胶基底，以及分散在水凝胶基底中的载药铈纳米颗粒；其中，所述的载药铈纳米颗粒为负载有氟喹诺酮类抗菌药物的空心铈纳米颗粒。
9.进一步地，本发明还提供上述载药铈纳米颗粒水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
10.(1)以单分散球形纳米颗粒作为模板，将其与铈盐溶液进行超声处理，经高温反应包裹铈壳层，从而得到核壳结构，随后将模板去除，得到空心铈纳米颗粒；
11.(2)通过吸附作用将氟喹诺酮类抗菌药物负载到步骤(1)得到的空心铈纳米颗粒上，得到载药铈纳米颗粒；
12.(3)将步骤(2)制备的载药铈纳米颗粒与水凝胶原料混合，采用原位聚合模压成型法制备即得载药铈纳米颗粒水凝胶。
13.具体地，步骤(1)中，将单分散球形纳米颗粒作为模板，分散在醇类溶剂中，超声使其分散后，加入硝酸铈溶液，油浴加热反应一定时间后，冷却离心分离，然后将产物进行刻蚀，离心洗涤3～5次，得到空心铈纳米颗粒(hce nps)。
14.优选地，所述的单分散球形纳米颗粒为单分散二氧化硅球(sio
2 nps)或聚苯乙烯球(ps nps)；单分散球形纳米颗粒与醇类溶剂投放质量比为1：10～1：1000；油浴反应温度为100～200℃，反应时间为2～24h；刻蚀方法为采用化学腐蚀法或高温煅烧法去除球型模板。
15.具体地，步骤(2)中，称取空心铈纳米颗粒加入到氟喹诺酮类抗菌药物溶液中，在摇床中孵育2～24h，洗涤并离心，然后超声分散得到载药氧化铈纳米颗粒。
16.优选地，所述氟喹诺酮类抗菌药物包括但不限于诺氟沙星、环丙沙星、氧氟沙星、左氧氟沙星、洛美沙星、培氟沙星、依诺沙星、氟罗沙星、司帕沙星中的任意一种；氟喹诺酮类抗菌药物溶液浓度为10～1000μg/ml。
17.优选地，所述氟喹诺酮类抗菌药物与空心铈纳米颗粒的负载质量比为1：1～1：100。
18.具体地，步骤(3)中，称取适量的主单体、第二单体、交联剂、引发剂、载药铈纳米颗粒，充分混合并超声直至溶液混合均匀，然后将其注入模具中进行聚合反应，反应结束后脱模，即得。
19.优选地，所述的主单体为2-羟基乙基甲基丙烯酸酯(hema)；
20.所述的第二单体为n-乙烯基吡咯烷酮(nvp)；
21.所述交联剂包括但不限于二甲基丙烯酸乙二醇酯(egdma)、二甲基丙烯酸二缩乙二醇酯、二甲基丙烯酸三缩乙二醇酯、二丙烯酸乙二醇酯、二丙烯酸二缩乙二醇酯、二丙烯酸聚乙二醇酯、三甲基丙烯酸甘油酯、三丙烯酸甘油酯、二甲基丙烯酸甘油酯、二丙烯酸甘油酯中的任意一种；
22.所述引发剂为光引发剂或热引发剂，其中，热引发剂包括但不限于偶氮二异丙腈、偶氮二异丁腈(aibn)、偶氮二异庚腈、过氧化二苯甲酰(bpo)中的任意一种；光引发剂包括但不限于2-羟基-4
’‑
(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(2959)、2-羟基-2-甲基-1
‑ꢀ
苯基甲酮(1173)、1-羟基-环己基苯基甲酮(184)、4-苯基二苯甲酮(pbz)、邻苯甲酰苯甲酸甲酯
(ombb)中的任意一种；
23.所述第二单体的质量占主单体质量的1～40％，优选10～20％；
24.所述交联剂的质量占主单体质量的0.1～10％，优选0.1～3％；
25.所述引发剂的质量占主单体质量的0.01～5％，优选0.1～2％；
26.所述载药铈纳米颗粒的质量占主单体质量的0.1～20％，优选0.5～5％。
27.更进一步地，上述载药铈纳米颗粒水凝胶用于制备隐形眼镜的应用也在本发明的保护范围中。
28.有益效果：
29.(1)本发明所制备的hce nps不仅具有防紫外线能力，而且拥有抗氧化、抗炎、抗菌等作用。并且，其空心结构有利于提高药物的负载量。
30.(2)本发明所采用的药物属于氟喹诺酮类抗菌药物，是使用频次较高的典型眼科药物，能治疗眼睑炎、泪囊炎、角膜炎等眼部疾病。
31.(3)本发明将药物负载到hce nps中，提供了第一层释药屏障，再载入隐形眼镜，由水凝胶的网状结构提供第二层释药屏障，相较于已有传统隐形眼镜载药方式，例如药物浸泡法等，能有效延长药物释放时间，提高生物利用度，降低药物全身副作用。
32.(4)本发明提供的药物缓释型多功能水凝胶隐形眼镜具有适宜的含水量，良好的透光性能、溶胀性能、保湿性能，优良的力学性能，能有效负载氟喹诺酮类抗菌药物，并能延长药物的释放时间。而铈纳米颗粒载体的引入可以起到防紫外线的作用，并且具有可再生性ros清除能力，作为治疗型隐形眼镜具有广阔的市场应用前景。制备方法简洁、高效且环保，对设备无特殊要求，对环境友好，易于产业化。
附图说明
33.下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/ 或其他方面的优点将会变得更加清楚。
34.图1为本发明实施例1中制备的hce nps的x-射线衍射(xrd)图谱。
35.图2为本发明实施例2中制备的hce nps粒径分布图。
36.图3为本发明实施例3中左氧氟沙星负载hce nps和实施例4中诺氟沙星负载hcenps后的电位表征。
37.图4为本发明实施例4中hce nps对诺氟沙星的吸附性能研究。
38.图5为本发明实施例5、6、7、8中制备的隐型眼镜的透光率。
39.图6为本发明实施例5、6、7、8中制备的隐型眼镜的防紫外性能。
40.图7为本发明实施例7中制备的隐型眼镜的ros清除性能。
41.图8为本发明实施例7中制备的隐型眼镜的药物释放性能。
42.图9为本发明实施例7中制备的隐型眼镜的抑菌性能。
具体实施方式
43.根据下述实施例，可以更好地理解本发明。
44.实施例1
45.以sio
2 nps为模板制备hce nps：
46.步骤1：sio
2 nps模板的制备
47.将100ml圆底烧瓶中加入6ml超纯水、40ml乙醇、适量氨水。30℃恒温搅拌 30min，记作a溶液；在50ml离心管中加入2.8ml硅酸四乙酯，以16ml乙醇超声分散均匀，记作b溶液；迅速将b混入a中，保持恒温反应2h后，反复离心清洗取沉淀，干燥，即产物sio
2 nps。
48.步骤2：hce nps的制备
49.称取步骤1中100mg sio
2 nps分散在乙二醇(20ml)中；在100ml圆底烧瓶中加入1.5ml硝酸铈溶液(称取0.65g六水合硝酸铈于1.5ml蒸馏水中)，超声10min，油浴130℃，放入反应6h，以获得核壳结构sio2@ce nps。冷却至室温后，离心(15000 rpm，10min)分离sio2@ce nps，后用乙醇清洗2-3次，放置一天；在室温下将sio2@cenps分散在5m氢氧化钠蚀刻剂溶液中2天，去除二氧化硅核(其中1天后离心替换新鲜的蚀刻溶液，超声分散)。通过连续离心(10000rpm，10min)去除蚀刻溶液实现制得hce nps，先用去离子水和乙醇分别清洗2-3次，并在空气中放置1-2天；离心去除溶液，再用水清洗2-3次。
50.通过xrd对hce nps的结构进行表征，如图1所示。对比立方相氧化铈的标准卡片(hcpds 34-0394)，可以看出，所制得的hce nps的特征峰2θ分别为28.47
°
、33.11
°
、 47.48
°
、56.30
°
、59.07
°
和76.56
°
时，分别与标准面心立方萤石结构ceo2晶体的(111)、 (200)、(220)、(311)、(222)和(331)的晶面反射峰相对应，与标准卡片高度吻合，并且明显在图中没有sio2典型的x射线衍射图谱以及其它多余的衍射峰，说明所制备的样品的纯度比较高，在腐蚀过程中sio2完全脱落，进一步证明了空心结构形成，即hce nps 形成。
51.实施例2
52.以ps为模板制备hce nps
53.步骤1：ps模板的制备
54.采用无皂乳液聚合法，在室温下，将80ml水、20ml苯乙烯、2ml二乙烯基苯和1ml甲基丙烯酸加入配备机械搅拌器和冷凝器的250ml烧瓶中。以约300rpm转速剧烈搅拌混合物约30min，形成均匀水溶液后，在油浴中逐渐将烧瓶加热至125℃，持续5min。然后，加入0.5g kps(溶于20ml水中)以引发聚合。最后保持聚合2h 后，将乳状液冷却至室温停止聚合。
55.步骤2：hce nps的制备
56.将4ml ps胶体分散于100ml水中，超声振荡约10min，然后加入1.009g六水合硝酸铈(溶于50ml水中)和1.629g hmt(溶于50ml水中)。所得混合物最初通过超声分散15min，形成均匀混悬液。所得水悬液在磁力搅拌下75℃反应2h，得到 ceo2包覆的ps(ps@ceo2)复合微球。离心分离所得复合微粒沉淀物，用水和乙醇清洗，然后在80℃空气中干燥2h。最后将复合微球在空气中600℃煅烧2h，经这些处理后，形成产物hce nps。
57.通过动态光散射(dls)对制备所得hce nps的粒径进行表征，结果如图2所示。空心铈纳米颗粒粒径为138nm，粒径分布窄，并呈现单分散状态。
58.实施例3
59.左氧氟沙星负载hce nps的制备
60.步骤1、步骤2同实施例1中步骤。
61.步骤3：取2.4mg步骤2中hce nps，加入10ml左氧氟沙星溶液(100μg/ml)。夹置于水浴恒温摇床中(120rpm，25℃)孵育8h。反复离心(9000rpm，6min)超声。将负载左氧氟沙星的纳米颗粒在蒸馏水中分散均匀后，冻干，得到负载左氧氟沙星的氧化铈纳米颗粒。载药量为
23.2％，包封率是72.4％。负载后微球的电位为-18.8
±
0.69mv，如图3所示。
62.实施例4
63.诺氟沙星负载hce nps的制备与吸附性能研究
64.步骤1、步骤2同实施例2中步骤。
65.步骤3：取2.0mg步骤2中hce nps，加入8ml诺氟沙星溶液(200μg/ml)。夹置于水浴恒温摇床中(120rpm，25℃)孵育10h。反复离心(10000rpm，5min)超声，将负载诺氟沙星的纳米颗粒在蒸馏水中分散均匀后，冻干，得到负载诺氟沙星的氧化铈纳米颗粒。负载后微球的电位为-20.0
±
1.30mv，如图3所示。
66.步骤4：取等量实施例2中所得的hce nps及市售氧化铈(＜100nm，99％，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)，分别在两个试管中加入10ml的诺氟沙星药物溶液 (100μg/ml)，并计时，立即放入摇床，开始吸附。在规定时间取样，离心后将上层清液通过紫外分光光度计测量其吸光度，按序记录数据备用。制备的hce nps对药物诺氟沙星的吸附过程如图4所示，最终吸附率能达到64.88％，与市售氧化铈最终的16.3％形成鲜明对比，从而证明hce nps吸附性能优于市售氧化铈纳米颗粒。
67.实施例5
68.载药氧化铈纳米颗粒嵌入隐形眼镜1的制备
69.步骤1、步骤2、步骤3同实施例3中步骤。
70.步骤4：依次称量850mg hema、150mg nvp、15mg egdma和10mg光引发剂2959、5mg步骤3中所制备的载药氧化铈纳米颗粒进行充分混合，然后超声分散均匀。用移液枪吸取70μl混合溶液，注射到隐形眼镜的模具里，置于40℃紫外线烘箱 30min。取出浸入含乙醇的水溶液(水70％)中，直至能够脱模，即得载药隐形眼镜1。
71.实施例6
72.载药氧化铈纳米颗粒嵌入隐形眼镜2的制备
73.步骤1、步骤2、步骤3同实施例3中步骤。
74.步骤4：依次称量850mg hema、150mg nvp、15mg egdma和10mg光引发剂2959、10mg步骤3中所制备的载药氧化铈纳米颗粒进行充分混合，然后超声分散均匀。用移液枪吸取70μl混合溶液，注射到隐形眼镜的模具里，置于40℃紫外线烘箱30min。取出浸入含乙醇的水溶液(水70％)中，直至能够脱模，即得载药隐形眼镜2。
75.实施例7
76.载药氧化铈纳米颗粒嵌入隐形眼镜3的制备
77.步骤1、步骤2、步骤3同实施例3中步骤。
78.步骤4：依次称量850mg hema、150mg nvp、15mg egdma和10mg热引发剂aibn、20mg步骤3中所制备的载药氧化铈纳米颗粒进行充分混合，然后超声分散均匀。用移液枪吸取70μl混合溶液，注射到隐形眼镜的模具里，置于烘箱中，以70℃高温聚合5～6h，取出浸入含乙醇的水溶液(水70％)中，直至能够脱模，即得载药隐形眼镜3。
79.实施例8
80.载药氧化铈纳米颗粒嵌入隐形眼镜4的制备
81.步骤1、步骤2、步骤3同实施例4中步骤。
82.步骤4：依次称量800mg hema、200mg nvp、20mg二丙烯酸二缩乙二醇酯和 8mg光引
发剂1173、20mg步骤4中所制备的载药氧化铈纳米颗粒进行充分混合，然后超声分散均匀。用移液枪吸取70μl混合溶液，注射到隐形眼镜的模具里，置于紫外线烘箱30min。取出浸入含乙醇的水溶液(水70％)中，直至能够脱模，即得载铈隐形眼镜4。
83.实施例9
84.隐形眼镜的透过率及防紫外性能
85.采用紫外分光光度计分别在400-800nm以及200-400nm内测定隐形眼镜的透光率。图5所示是实施例5到实施例8中药物负载隐形眼镜的透过率，其中其他条件都保持不变，仅仅改变载药纳米颗粒的投入量，可以看出，没有加入载药纳米颗粒的隐形眼镜在650nm处的透过率为99％。实施例5-8中制备的载药隐形眼镜透过率虽然随着铈纳米颗粒加入量的增加略有降低，但仍保持在90％以上，不会对视觉带来影响。图6 是仅负载了空心铈纳米颗粒的隐形眼镜在200-400nm范围内的透过率。显然随hce nps 投入量的增加，其所载入隐形眼镜对紫外波段的透光率逐渐下降，证明载铈隐形眼镜能够有效防紫外线。
86.实施例10
87.可再生性ros清除能力
88.通过反复添加h2o2的方法探讨hce nps可再生性的ros清除能力。采用实施例2 中制备的hce nps，如图7所示，h2o2(浓度3％)添加后，hce nps水溶液的颜色由淡白色变为淡黄色，表明ce
4
离子(黄色)的生成。保持室温在暗箱中静置15天，其溶液又从黄色逐渐恢复为白色，提示ce
4
还原为ce
3
离子。随后再次添加h2o2，hce nps 水溶液出现和初次处理时同样的颜色变化，证明了hce nps具有可再生性催化分解 h2o2的能力。这种可再生性清除ros活性的能力可以有效减少细胞凋亡且有助于在一定程度上降低药物用量和用药频率。
89.实施例11
90.隐形眼镜药物缓释性能研究
91.采用实施例7中制备的载药铈纳米颗粒嵌入隐形眼镜，并以直接采用浸泡法制备的载药隐形眼镜为参比，研究其药物释放性能。将载药隐形眼镜放置于模拟泪液中，间隔一定时间取出镜片，通过紫外分光光度计测定溶液中的药物浓度，并根据标准曲线计算药物累积释放量。结果如图8所示。跟参比浸泡法制备的载药隐形眼镜相比，载药铈纳米颗粒嵌入隐形眼镜能够显著延长药物的释放时间，延缓药物释放速率。
92.实施例12
93.载药铈纳米颗粒嵌入隐形眼镜的抗菌性能
94.取12ml细菌培养管，加入3ml lb液体培养基，从金黄色葡萄球菌固体培养基上挑取单菌落加入液体培养基中，放于恒温振荡器(37℃,200rpm)振荡培养过夜 (15h)。将实施例7中制备的隐形眼镜样品采用打孔器制样后，样品放于一次性小皿中，于紫外灯下两面各照射灭菌30min，备用。用无菌pbs溶液将金黄色葡萄球菌菌液稀释至106cfu/ml，备用。取100μl稀释液均匀涂布于lb固体培养基上，然后用无菌镊子按照分组将用样品贴至培养基表面，并轻轻按压，以使样品与培养基充分接触，将培养皿放在37℃恒温培养箱中培养24h，取出拍照并用游标卡尺测量抑菌圈直径，结果如图9所示。可以看出，载药铈纳米颗粒嵌入隐形眼镜对金黄色葡萄球菌有明显的抑菌效果，抑菌圈直径为32mm。
95.本发明提供了一种载药铈纳米颗粒水凝胶及其制备方法与应用的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对
于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。