环糊精-地衣素包合物：合成、表征及热稳定性研究——以提高包封性能

《Journal of Molecular Structure》：Cyclodextrins-Digitonin Inclusion Complexes: Synthesis, Characterization, and Thermal Stability for Enhanced Encapsulation Performance

本研究通过共沉淀法制备了环糊精（α, β, γ-CD）与digitonin的包合物，利用SEM、XRD、FT-IR、TGA和1H-NMR表征发现β-CD和γ-CD与DIG相互作用更强，包合物热稳定性提高，证实了包合物的形成及结构特征。

　　

Bashar Aljawrneh | Khaled Shawakfeh | Heba Haddad | Nathir Al-Rawashdeh | Lona Shawakfeh

约旦科技大学纳米技术研究所，邮政信箱3030，伊尔比德，22110，约旦

摘要

采用共沉淀法合成了环糊精-洋地黄毒苷（CDs-DIG）包合物。扫描电子显微镜（SEM）观察发现，β-CD/DIG和γ-CD/DIG包合物的形态破坏比α-CD/DIG更为明显，这与互补分析得出的更强宿主-客体相互作用结果一致。X射线衍射（XRD）证实了宿主-客体复合物的形成。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）验证了成功包封以及它们独特官能团的保留。热重分析（TGA）表明，与所有类型的CD结合后，DIG的热稳定性得到提高。1H-NMR显示β-CD的H-3和H-5位置发生了显著的化学位移变化，表明它们对DIG分子具有很强的亲和力。相溶性分析表明β-CD和γ-CD表现出非线性曲线，支持包合物的形成。此外，Job图也证实了包合物的形成，其中β-CD/DIG在所有研究的复合物中表现出最理想的宿主-客体相互作用。

引言

洋地黄毒苷（C??H??O??，DIG）是一种天然存在的苷类化合物，属于皂苷类，存在于多种海洋生物和植物中。DIG可从毛地黄植物（digitalis purpurea）中提取[[1], [2], [3]]。DIG常用于溶解和渗透细胞膜中的成分。此外，DIG还能与膜胆固醇相互作用，包括促进孔洞的形成。值得注意的是，在没有胆固醇的情况下，DIG不会穿透或影响膜。在含有胆固醇的膜中，DIG还能增加空气-水界面上脂质单层的表面张力，从而促进孔洞的形成[4,5]。 环糊精（CDs）是一类由α-(1,4)-连接的葡萄糖吡喃环单元组成的环状寡糖。它们具有截锥形结构，外部亲水，内部相对疏水，这使得它们能够与多种疏水性客体分子形成包合物[7,8]。最常见的环糊精有α-CD、β-CD和γ-CD（分别由六个、七个和八个葡萄糖单元组成，如图2所示[9,10]）。α-CD的内腔宽度（4.7–5.3 ?）明显小于β-CD或γ-CD，其内腔体积大约是β-CD的41%，是γ-CD的66%[11]。此外，α-CD的每个葡萄糖单元还含有三个羟基，这使得α-CD可以进行修饰；其中C6位置的羟基（-OH）是最基本且最易修饰的[7]。 需要强调的是，客体分子能否在环糊精的内腔中几何匹配对于包合物的形成至关重要[6,7]。因此，客体分子的物理和化学性质可能会发生显著变化，尤其是其水溶性[8,9]。这些性质包括提高极难溶解客体的溶解度、稳定易氧化或热分解的化合物、防止光降解等。环糊精还可以用于控制挥发性和升华、物理分离不相容的物质、色谱分离、掩盖异味以改变味道，以及在受控条件下释放药物和风味[10]。在分子层面，范德华相互作用通常被认为是环糊精与客体分子形成包合物的主要机制[11]。 虽然内腔大小是包合物形成的重要前提，但已知CD与客体的亲和力还受其他物理化学因素的影响，包括客体与CD内腔之间的疏水互补性、CD通道处的非共价相互作用，以及包合物形成时高能水分子的重新排列[10,11]。最近的实验和计算机模拟研究表明，环糊精包合物的稳定性是由这些因素共同作用的结果，而不仅仅是内腔大小。对于DIG而言，其庞大的疏水甾体结构以及多个极性糖基的存在预计会使其与β-CD和γ-CD的相互作用更强，而α-CD的立体限制可能限制了有效的宿主-客体结合[[12], [13], [14]]。这些因素为本文观察到的β-CD/DIG和γ-CD/DIG包合物的优异性能提供了合理的解释。 多种计算机模拟方法（如分子对接、量子力学计算和分子动力学）已被用于研究环糊精-客体包合物系统。这些方法成功用于揭示优选的结合模式、评估水环境中的包合物稳定性，并解释与化学计量比、内腔兼容性和溶解度增强相关的实验现象。最近的一些研究结合实验表征和计算机模拟表明，计算分析可以为环糊精包合物行为提供有价值的分子级解释，特别是对于大分子或两亲性客体分子。本研究重点关注洋地黄毒苷-环糊精包合物的实验物理化学特性[[13], [14], [15]]。 多年来，已有许多关于X-CD与低极性、难溶于水的有机分子之间包合物形成的研究[16]。在环糊精化学中，包合物的形成是通过分子间的宿主-客体相互作用实现的，导致客体部分或完全渗透到环糊精内腔[17]。水通常是包合物形成的首选溶剂，无论是在晶体状态还是溶液状态下[10]。 许多研究探讨了不同溶解度、稳定性和分子结构的客体分子的包封[18,19]。光谱技术常用于确定环糊精包合物的结构特性。例如，在研究儿茶素/β-环糊精包合物（CAT/β-CD）时，XRD谱图显示CAT/β-CD包合物中出现了新的衍射峰，表明包合物成功形成并存在新的晶体相[20]。而在异鼠李素/γ-CD包合物（IQC-γ-CD）的研究中，FT-IR表明范德华力和疏水宿主-客体相互作用使得异鼠李素分子能够进入γ-CD内腔[21]。 在本研究中，通过共沉淀法成功合成了洋地黄毒苷（DIG）与X-CD的包合物。采用了一系列表征技术（包括SEM、XRD、FT-IR、TGA和NMR）来研究它们的物理化学和结构特性，并确认了宿主-客体包合物的形成。此外，还基于UV-Vis分析绘制了Job图以确定包合物中DIG和CD的化学计量比。通过相溶性测试评估了包合物形成的溶解度增强效果。

材料

洋地黄毒苷（DIG）购自德国达姆施塔特的E. MERCK公司，目录编号为D5628-1G。α-CD、β-CD和γ-CD衍生物分别购自德国Sigma-Aldrich公司，目录编号为C4642、C4767和C4892。二甲基亚砜（DMSO）购自Tedia Company Inc.，目录编号为DS1461-065。醋酸（CH?COOH）购自GIANLAND Chemical Company，目录编号为A6283。去离子水（DI）来自Direct-Q? 5 UV远程水净化系统。

扫描电子显微镜（SEM）

SEM图像用于观察单个环糊精及其相应洋地黄毒苷包合物在包合前后的表面形态和颗粒/晶体尺寸[33]。制备好的样品的SEM显微图见图4。原始洋地黄毒苷呈聚集的球形颗粒，平均粒径约为$41.65$μm。α-CD显示出相对紧凑且均匀的结构，由紧密排列的晶体颗粒组成。

结论

本研究通过共沉淀法成功将洋地黄毒苷（DIG）包封到α-CD、β-CD和γ-CD中。SEM、XRD和FT-IR分析证实了包合物的形成。H1-NMR分析显示，β-CD和γ-CD由于其内腔特性而与DIG具有更高的兼容性。TGA分析结果表明，包封后DIG的热稳定性得到提高。

致谢

本研究得到了约旦科技大学的支持，项目编号为835-2022。

CRediT作者贡献声明

Bashar Aljawrneh：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、项目规划、方法设计、实验研究、数据分析、概念构思。 Khaled Shawakfeh：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、项目规划、方法设计、实验研究、资金筹集、数据分析、概念构思。 Heba Haddad：初稿撰写、可视化。

利益冲突声明

以所有作者的名义声明，他们与任何组织或实体均无财务关联或利益关系（如酬金、教育资助、演讲机构参与、会员资格、雇佣关系、持股或其他股权利益；以及专家证词或专利许可安排），也没有非财务利益（如个人或专业关系、隶属关系、知识或信仰）与本研究主题相关。