矿物药炉甘石成分分析及其纳米形态的抑菌活性研究.pdf

矿物药炉甘石成分分析及其 纳米形态的抑菌活性研究 郭义明,赵敬哲,于开锋,刘艳华,王子忱,张恒彬 吉林大学化学学院,长春130023 摘要 用差示热重等方法分析了矿物中药炉甘石的成分,合成纳米碱式碳酸锌和纳米氧化锌,制备了纳米 炉甘石.用激光粒度分析仪测定了炉甘石及其成分的粒径分布,用透射电镜观察纳米氧化锌的形貌.采用杯 碟法,以四环素为对照品,测试纳米炉甘石及其成分的抑菌活性.结果显示,氧化锌的含量与粒径大小决定 了炉甘石的抑菌活性,纳米炉甘石抑菌活性显著提高. 关键词 纳米炉甘石;碱式碳酸锌;氧化锌;抑菌活性 中图分类号 O614 文献标识码 A 文章编号 02512079020050220209204 收稿日期 2004201205. 基金项目吉林省科学技术发展计划项目批准号 20020659资助. 联系人简介王子忱1953年出生 , 男,博士,教授,博士生导师,从事功能材料物理化学研究. E2mail wangzcmail . jlu. edu. cn 纳米中药是指应用纳米技术制造的、粒径小于100 nm的中药有效成分、有效部位、原药及其复方 制剂.药物的药理效应不仅取决于化学组成,还与其物理状态密切相关,改变药物的物理状态对药物 的临床效应起决定性作用.矿物中药是中药的重要成分,纳米矿物中药的基础理论研究是中药现代化 的重要内容.纳米矿物中药可以很好地改善矿物中药的溶解性和分散性,提高表面活性和生物利用 率,增强疗效,从而扩大矿物中药的应用范围,推动纳米中药的发展[1, 2]. 炉甘石Calam ine为碳酸盐类矿物方解石族菱锌矿,主要成分为碱式碳酸锌,有收敛、防腐、生肌 与保护作用.采用传统的 “明煅”和 “水飞” 方法炮制后,炉甘石中的部分碱式碳酸锌可分解为氧化锌, 用于治疗皮肤方面的疾病[3].氧化锌用途广泛,在材料和医药方面具有广泛的应用价值[4 ～8]. 用传统方 法制备的炉甘石粒径均在微米级,并且组成不确定,比表面积小,人体皮肤吸收差,对皮肤敏感部位 有刺激性,抑菌活性不理想.本文分析了炉甘石的活性成分,并用纳米技术制备了纳米炉甘石[9],以 四环素为对照品,检验其抑菌活性,探讨了纳米形态炉甘石药理作用. 1 实验部分 1. 1 试剂与仪器 天然炉甘石吉林市药材公司 , 药用炉甘石上海京华化工厂 , 四环素标准品,中国药品生物制 品检定所 , 其余试剂均为分析纯. SK2型砂磨机 , LXT2˚ 型离心机, JY922˚ 型超声细胞粉碎机, Zetasizer 3000HSA 型激光粒度分 析仪M alvern公司 , TGA SDTA 851e型差示热重分析仪M etller Toledo公司, H2800EM型透射电 镜H itachi公司 . 1. 2 实验方法 1. 2. 1 焙烧炉甘石及纳米形态碱式碳酸锌、氧化锌和炉甘石的制备 将天然炉甘石置于砂磨机中粉 碎至粒径为1 000 nm左右后,放在马弗炉中,于300, 400, 500和600℃分别焙烧0. 5, 1, 2和3 h 后,制得焙烧炉甘石. 取20 g碳酸氢铵及14 g硫酸锌分别加入400 mL蒸馏水中,取适量聚乙二醇2 400 PEG2 400 作为 表面活性剂.于搅拌下将碳酸氢铵溶液缓慢滴入到硫酸锌溶液中,滴完后生成的溶胶以4 000 rm in转 Vol . 26高 等 学 校 化 学 学 报 No. 2 2 0 0 5年2月 CHEM ICAL JOURNAL OF CH I NESE UN I VERSIT IES 209～212 速离心15 m in,将沉淀用乙醇在超声下洗涤3次,抽滤,将滤出物于真空中干燥,得到纳米碱式碳酸 锌.将纳米碱式碳酸锌置于马弗炉中,于500℃焙烧1 h,得到纳米氧化锌.将纳米碱式碳酸锌与纳米 氧化锌按摩尔比6∶4混合,充分研磨后活化,得到纳米炉甘石. 1. 2. 2 成分分析与表征 将粉碎后的天然炉甘石于105℃下干燥1 h,按文献[10, 11]中的方法测定 其碱式碳酸锌和氧化锌含量,并用差示热重分析仪进行分析测定.同法测定焙烧炉甘石和药用炉甘 石.用激光粒度分析仪测量药用炉甘石、焙烧炉甘石、纳米碱式碳酸锌和纳米氧化锌的粒径分布,用 透射电镜观察纳米氧化锌的形貌及粒径. 1. 2. 3 抑菌活性实验 参考文献[12, 13]方法,以0. 05ΛgmL四环素为对照品,金黄色葡萄球菌、 大肠埃希菌、铜绿假单胞菌和沙门氏菌作为实验菌种,用杯碟法[11]测试纳米氧化锌的最低抑菌浓度 M IC及药用炉甘石、焙烧炉甘石、纳米炉甘石、纳米碱式碳酸锌和纳米氧化锌的抑菌活性. 2 结果与讨论 2. 1 焙烧温度与时间对粒径的影响 粉碎后的天然炉甘石焙烧实验表明,在300或400℃时,大部分的炉甘石粒径变小,但不均匀, 于500℃焙烧1 h可获得粒径小,且分布均匀的炉甘石,其碱式碳酸锌分解为平均粒径为500 nm左右 的氧化锌.继续升高焙烧温度或延长焙烧时间,氧化锌颗粒可发生团聚,且随着焙烧温度的升高和时 间的延长,团聚加剧,颗粒开始长大且粒径分布不均匀. 2. 2 合成反应 合成反应体系如下 NH4CO3 ZnSO4Zn5 CO 32OH6 CO2 NH 42SO4 H2O1 Zn5 CO 32OH6ZnO CO2 H2O2 反应体系1的热力学趋势显示,反应主要生成了无定形态的碱式碳酸锌[Zn5CO32OH6][14], 与天然炉甘石的成分一致.碱式碳酸锌经焙烧后可分解为氧化锌. 2. 3 成分分析 含量测定结果显示,天然炉甘石成分是碱式碳酸锌;焙烧炉甘石成分是氧化锌;药用炉甘石含质 量分数为40的氧化锌及60的碱式碳酸锌. 热重分析表明,天然炉甘石经加热后,其成分碱式碳酸锌可分解为氧化锌.药用炉甘石中质量分 数为60的物质发生热分解,热分解曲线与天然炉甘石相同,说明发生热分解的物质是碱式碳酸锌. 焙烧炉甘石可发生无热分解,说明其不含碱式碳酸锌.热重分析结果与含量测定结果相符.文献[11] 中有关炉甘石的质量标准规定,药用炉甘石中氧化锌含量不得少于40.上述结果表明,制备的纳米 炉甘石符合药用炉甘石标准和纳米中药标准.天然炉甘石的热重2差热TG2DTA曲线如图1所示. Fig. 1 TG-DTA curves of the thermal decomposition reaction of natural calam ine Fig. 2 TE M of nanosized zinc oxide 2. 4 表 征 粒径分布测定结果如下焙烧炉甘石粒径为450～500 nm ,碱式碳酸锌粒径为70～95 nm ,氧化锌 粒径为50～80 nm.纳米炉甘石由碱式碳酸锌和氧化锌按一定摩尔比混合而成,粒径小于100 nm.图 012 高 等 学 校 化 学 学 报Vol . 26 2是纳米氧化锌的透射电镜TEM的微观形貌,氧化锌呈球形,粒径为50～80 nm. 2. 5 最低抑菌浓度M I C 氧化锌能与细菌细胞膜的膜蛋白结合,当其与细菌接触时,锌离子可缓慢释放出来,破坏了细菌 的结构,并进入其细胞中破坏电子传递系统的酶,同时与DNA反应,起到杀菌作用.在杀灭细菌后, 锌离子从细胞内游离出来.重复上述杀菌过程发现,氧化锌具有持久的抑菌活性. 表1列出了以四环素S为对照品,不同浓度纳米氧化锌对金黄色葡萄球菌A、大肠埃希菌B、 铜绿假单胞菌C和沙门氏菌D的抑菌情况.Θ为氧化锌的质量浓度,其中 Θ1 01001 gmL ,Θ2 0105 gmL ,Θ3 0101 gmL ,Θ4 011 gmL ,抑菌圈直径大小表示抑菌活性的强弱. Table 1 Antibacterial activities of nanosized zinc oxiden 63 BacteriaDosageL- 1 Antibacterial ring diametermm SΘ1Θ2Θ3Θ4 A5. 210720. 00016. 817. 4 B5. 510714. 30014. 915. 2 C5. 010712. 90012. 612. 8 D2. 010800017. 417. 6 3S refers to tetracycline; mass concentration of nanosized zinc oxidegmL- 1 Θ1 0. 001;Θ2 0. 05;Θ3 0. 01;Θ4 0. 1. 由表1可知,质量浓度为0. 001和0. 05 gmL的纳米氧化锌无抑菌活性,当氧化锌的质量浓度为 0. 01和0. 1 gmL时,抑菌活性基本相同,无显著差异,表明随着氧化锌质量浓度的增加,其抑菌活 性达到一个稳定值,纳米氧化锌最低抑菌浓度M IC为0. 01 gmL. 2. 6 抑菌活性 质量浓度为0. 01 gmL的药用炉甘石1、焙烧炉甘石2、纳米炉甘石3、纳米碱式碳酸锌4 和纳米氧化锌5对4种细菌的抑菌活性列于表2. Table 2 Antibacterial activities of calam ine1, baked calam ine2, nanosized calam ine3, nanosized zinc carbonate alkali4and nanosized zinc oxide5 n 6 BacteriaDosageL- 1 Antibacterial ring diametermm S12345 A5. 210720. 008. 316. 8016. 8 B5. 510714. 306. 714. 9015. 3 C5. 010712. 905. 512. 6012. 7 D2. 010809. 311. 117. 4017. 5 由表2可知,纳米炉甘石和纳米氧化锌的抑菌活性明显较高,与药用炉甘石和焙烧炉甘石相比有 显著差异,表现出较强的抑菌活性.焙烧炉甘石比药用炉甘石的抑菌活性强,比纳米炉甘石的抑菌活 性弱.碱式碳酸锌无抑菌活性. 综上所述,氧化锌含量和粒径对炉甘石的抑菌活性有直接影响,当炉甘石经焙烧后,碱式碳酸锌 可分解为粒径较大的氧化锌,使其含量增加,因此焙烧炉甘石抑菌活性比药用炉甘石强,但活性强度 不如纳米炉甘石.纳米粒子具有独特的表面效应和小尺寸效应,用量小且利用率高,纳米炉甘石具备 药用炉甘石和纳米中药的性质,表现出炉甘石和纳米粒子的活性效应,抑菌活性较强,与药用炉甘石 相比有显著差异.碱式碳酸锌对4种细菌均无抑制作用,符合炉甘石高温制备后入药的科学性. 参 考 文 献 [ 1 ] YANG Xiang2L iang杨祥良, XU Hui2Bi徐辉碧, WU Ji2Zhou吴继洲et al. . J. HuazhongU niv. Sci . Supplement 130131 [12] L I Yi2Kui李仪奎, WANG Q in2M ao王钦茂. Experi mentM ethod of TraditionalChineseM edicine Pharmacology中药药理实验 方法学 [M ], Shanghai Shanghai Science Technique Press, 1991 286292 [13] GU IBing2Dong桂炳东, SUN Jing孙 敬, XU Jian2M in徐建民. A ssayM anualofBacteriaDrug Susceptibility细菌药物敏感 性试验测定手册 [M ], Nanchang Jiangxi Science Technique Press, 2001 171179 [14] L I NG Yuan2Bing凌远兵, L I Jin2L in李晋林, HUANG Shu2Lan黄淑兰et al. .Inorganic Salt Industry无机盐工业 [J ], 1997, 2 35 Components Analysis and Antibacteri al Activity of Calam i ne GUO Yi2M ing, ZHAO Jing2Zhe, YU Kai2Feng, L I U Yan2Hua, WAN G Zi2Chen3, ZHAN G Heng2Bin College of Chem istry,J ilin U niversity,Changchun130023,China Abstract The components of traditional Chinese medicine calam ine were determ ined w ith thermo2 gravi metric analysis and otherw ise. N anosized zinc carbonate alkali and nanosized zinc oxide were synthesized, and nanosized calam inewasprepared. The particle size and morphology of calam ine, zinc car2 bonate alkali and zinc oxide were determ ined by laser size analysis device and transm ission electron m icro2 scopeTEM . The antibacterial activity of calam ine and its componentswere determ ined by using beaker disc .The result show s that the antibacterial activity of calam ine was decided by the content and particle size of zinc oxide, and the antibacterial activity of nanosized calam ine was better than that of calam ine.N anosized calam ine possesses the characters of calam ine and nanosized traditional Chinese medicine, and it has the double activitiesof calam ine and nanoparticles . Zinc carbonate alkali and nanosized zinc carbonate alkali have not antibacterial activity for the four bacteria in this paper. Keywords N anosized calam ine; Zinc carbonate alkali; Zinc oxide; A ntibacterial activity Ed. A , G 212 高 等 学 校 化 学 学 报Vol . 26