2024年3月7日发(作者：顾绿柏)
羟丙基甲基纤维素的体外自由基降解研究
李睿智;张秀明;尹永磊;简军;张政朴
【摘 要】Hydroxypropyl methyl cellulose (HPMC),a kind of cosmetic-filling
material,was degraded in vitro by Fenton-AH-H2O2 system imitating the
reactive oxygen species(ROS) in detecting the variation of
molecular weight and dynamic viscosity of HPMC,it was demonstrated
that,in the degradation process,the decrease of molecular weight of E3-HPMC and E50-HPMC was 90％,and the decrease of dynamic viscosity of
E4M-HPMC and E10M-HPMC was 75％ and 40％, was
illustrated that HPMC was degradedobviously by ROS.%通过Fenton-AH-H2O2体系模拟体内的活性氧簇自由基(ROS)条件对美容填充辅料羟丙基甲基纤维素(HPMC)进行降解,研究了降解过程中HPMC分子量与动力粘度的变化.结果发现,在降解过程中,E3-HPMC与E50-HPMC的分子量均下降了90％,E4M-HPMC的动力粘度下降了75％,E10M-HPMC的动力粘度下降了40％.表明ROS对HPMC具有显著的降解作用.
【期刊名称】《化学与生物工程》
【年(卷),期】2013(030)006
【总页数】3页(P72-74)
【关键词】羟丙基甲基纤维素;活性氧簇;自由基降解
【作 者】李睿智;张秀明;尹永磊;简军;张政朴
【作者单位】生物可降解新材料北京市工程实验室,北京100022;南开大学高分子化学研究所,天津300071;生物可降解新材料北京市工程实验室,北京100022;生物可降解新材料北京市工程实验室,北京100022;生物可降解新材料北京市工程实验室,北京100022;生物可降解新材料北京市工程实验室,北京100022;南开大学高分子化学研究所,天津300071
【正文语种】中 文
【中图分类】R944.9
羟丙基甲基纤维素（Hydroxypropyl methyl cellulose，HPMC）是天然纤维素分子上部分羟基甲基化和羟丙基化后生成的纤维素醚［1，2］，是常用的药用辅料，一般作为分散剂、增稠剂、眼科植入剂、美容填充辅料等使用［3，4］。国产羟丙基甲基纤维素－透明质酸钠溶液（逸美，EME）利用HPMC分子内的羟基与透明质酸中的羟基、羧基发生相互作用，提高了它们作为皮肤填充材料的可使用性，填补了我国生物复合材料在医疗美容领域的空白，其在体内的降解过程也因此受到研究者的广泛关注。
活性氧簇自由基（Reactive oxygen species，ROS）是体内重要的自由基，在体内发挥着重要的作用。皮肤中存在的大量紫外线（UV）色基在吸收UV光子能量后呈激发态，与皮肤中的氧分子发生光动力学反应，在还原酶或过渡金属参与下会生成ROS，大量的ROS就会引起皮肤的老化，产生皱纹、色斑等［5］。ROS主要包含超氧阴离子自由基（·）、羟基自由基（·OH）、过氧化氢（H2O2）以及单线态氧（·O2）等4种自由基，其中以·OH 的作用最强［6］。据报道［7］，HPMC可吸收体内固有的ROS。
HPMC在ROS的作用下会被降解，造成HPMC的分子量降低、粘弹性下降。作
者在此以Fenton－AHH2O2体系介导羟基自由基的生成，模拟ROS降解HPMC，并对降解过程中HPMC的分子量变化、动力粘度变化进行表征，以研究HPMC在体内的降解机制。
1 实验
1．1 材料、试剂与仪器
羟丙基甲基纤维素［级别：E3、E50、E4M、E10M，分别表示动力粘度（mPa·s）为3、50、4000、10 000的质量分数为2%的HPMC水溶液］，陶氏化学；L－抗坏血酸（AH）、pH值为3的磷酸盐缓冲溶液，天津光复精细化工厂；30%双氧水，天津化学试剂六厂。
水相凝胶渗透色谱仪，Waters公司；NDJ－1型旋转粘度计，上海森地科学仪器设备有限公司。
1．2 方法
一般地，由Haber－Weiss反应所引起的Fenton反应是体外产生·OH的主要方式：
本实验采用L－抗坏血酸与 H2O2产生·OH（AH－＋H2O2→A－＋H2O＋·OH），形成新的Fenton－AH－H2O2体系，比Fenton反应体系更温和，能够缓慢地长时间释放·OH［8，9］。
1．2．1 检测降解过程中HPMC的分子量变化
将0．5g HPMC（E3、E50）、0．125g L－抗坏血酸溶解于22．5mL pH＝3的磷酸盐缓冲溶液中，加入2．5mL质量分数为3%的H2O2，置于37℃水浴恒温振荡器中；定时取样0．08mL，加入0．02mL 0．1mol·L－1的NaOH溶液破坏自由基环境，通过水相凝胶渗透色谱仪测量溶液的分子量。
空白实验：将0．5g HPMC（E3、E50）、0．125g L－抗坏血酸溶解于25mL
pH＝3的磷酸盐缓冲溶液中；定时取样0．08mL，加入0．02mL 0．1mol·L－1的NaOH溶液，置于37℃水浴恒温振荡器中，通过水相凝胶渗透色谱仪测量溶液的分子量。
1．2．2 检测降解过程中HPMC的动力粘度变化
将2g HPMC（E4M、E10M）、0．5g L－抗坏血酸溶解于90mL pH＝3的磷酸盐缓冲溶液中，加入10 mL质量分数为3%的H2O2溶液，置于37℃恒温水浴中，用旋转粘度计检测溶液的粘度。
空白实验：将2g HPMC（E4M、E10M）、0．5g L－抗坏血酸溶解于100mL
pH＝3的磷酸盐缓冲溶液中，置于37℃恒温水浴中，用旋转粘度计检测溶液的粘度。
2 结果与讨论
2．1 HPMC分子量的变化
动 力 粘 度 较 低 的 HPMC（E3－HPMC、E50－HPMC）降解过程中的分子量变化见图1。
图1 E3－HPMC（a）和E50－HPMC（b）的GPC图谱Fig．1 GPC Spectra of
E3－HPMC（a）and E50－HPMC（b）
a 17300 27128 19403 40380 53659 1．568063 1．488478
1．977980 b 70857 101281 109956 133601 164163 1．429361
1．319119 1．620875
由图1可看出，E3－HPMC平均分子量为19．4 kDa，E50－HPMC平均分子量为110．0kDa。
E3－HPMC、E50－HPMC分子量随降解时间的变化曲线见图2。
图2 降解过程中E3－HPMC（a）与E50－HPMC（b）的分子量随时间的变化Fig．2 Time－varying molecular weight of E3－HPMC（a）and E50－HPMC
（b）in degradation process
由图2可看出，在 H2O2加入到 HPMC－AH－PBS体系中的前100min内，HPMC的分子量快速下降。这是由于，H2O2与体系中的AH快速反应，产生大量的·OH，致使HPMC被快速降解，分子量快速下降；降解反应进行到200min左右时，由于H2O2被大量消耗，体系中的·OH浓度降低，逐渐失去对HPMC的降解作用，因此在实验后期，HPMC的分子量趋于稳定。降解结束时，E3－HPMC的最终分子量稳定在1 kDa左右，较降解前下降了90%；E50－HPMC的最终分子量稳定在10kDa左右，也较降解前下降了90%。
2．2 HPMC动力粘度的变化
对于动力粘度较大的E4M－HPMC与E10MHPMC，由于分子量过大，不易以分子量作为参考来跟踪其降解过程，因而通过测量溶液的动力粘度来跟 踪其降解过程，结果见图3。
图3 降解过程中E4M－HPMC（a）和E10M－HPMC（b）的动力粘度随时间的变化Fig．3 Time－varying dynamic viscosity of E4M－HPMC（a）and
E10M－HPMC（b）in degradation process
由图3可看出，E4M－HPMC和E10M－HPMC在240min后的动力粘度均趋于稳定。降解结束时，E4M－HPMC的最终粘度为1000mPa·s左右，较降解前下降了75%；E10M－HPMC的最终粘度为6000 mPa·s左右，较降解前下降了40%。其降解过程与E3－HPMC、E50－HPMC的降解过程相似。
3 结论
通过模拟体内的活性氧簇自由基（ROS）条件，使用Fenton－AH－H2O2体系在体外环境研究了HPMC的降解过程。通过水相凝胶渗透色谱仪和旋转粘度计检测HPMC的分子量与动力粘度变化，结果表明，E3－HPMC与E50－HPMC的分子量均下降了90%，E4MHPMC的动力粘度下降了75%，E10M－HPMC的
动力粘度下降了40%。说明ROS对HPMC具有显著的降解效果，同时也表明HPMC可以吸收体内自由基，并降低自由基在体内的含量。
参考文献：
［1］Davaran S，Rashidi M R，Khani A．Synthesis of chemically
crosslinked hydroxypropyl methyl cellulose hydrogels and their application
in controlled release of 5－amino salicylic acid［J］．Drug Dev Ind Pharm，2007，33（8）：881－887．
［2］邵自强，徐雅青，王文俊，等．羟丙基甲基纤维素酞酸酯的制备与性能测定［J］．华西药学杂志，2008，23（2）：183－184．
［3］罗西友，董亚南，夏毅然，等．羟丙基甲基纤维素（HPMC）在医用润滑液中增稠作用的研究［J］．生物医学工程研究，2007，26（1）：71－73，77．
［4］张政朴．天然高分子材料透明质酸及羟丙基甲基纤维素介绍［J］．中国美容整形外科杂志，2010，21（3）：159－160．
［5］杨斌，郝飞．皮肤光老化、活性氧簇与抗氧化剂［J］．中国美容医学，2005，14（5）：637－639．
［6］雍刘军，张星宇．膝关节滑膜形态学特征及病变后的观察临床意义［J］．中国组织工程研究与临床康复，2009，13（33）：6461－6464．
［7］Ye J，Zhang H N，Wu H，et al．Cytoprotective effect of hyaluronic
acid and hydroxypropyl methylcellulose against DNA damage induced by
thimerosal in Chang conjunctival cells［J］．Graefe′s Arch Clin Exp
Ophthalmol，2012，250（10）：1459－1466．
［8］Anthonyj N，Emily V．Hydroxyl radical production by ascorbate and
hydrogen peroxide［J］．Neurotoxicity Research，2000，2（4）：343－355．
［9］Henrotin Y E，Bruckner P，Pujol J P L．The role of reactive oxygen
species in homeostasis and degradation of cartilage［J］．Osteoarthritis
Cartilage，2003，11（10）：747－755．
2024年3月7日发(作者：顾绿柏)
羟丙基甲基纤维素的体外自由基降解研究
李睿智;张秀明;尹永磊;简军;张政朴
【摘 要】Hydroxypropyl methyl cellulose (HPMC),a kind of cosmetic-filling
material,was degraded in vitro by Fenton-AH-H2O2 system imitating the
reactive oxygen species(ROS) in detecting the variation of
molecular weight and dynamic viscosity of HPMC,it was demonstrated
that,in the degradation process,the decrease of molecular weight of E3-HPMC and E50-HPMC was 90％,and the decrease of dynamic viscosity of
E4M-HPMC and E10M-HPMC was 75％ and 40％, was
illustrated that HPMC was degradedobviously by ROS.%通过Fenton-AH-H2O2体系模拟体内的活性氧簇自由基(ROS)条件对美容填充辅料羟丙基甲基纤维素(HPMC)进行降解,研究了降解过程中HPMC分子量与动力粘度的变化.结果发现,在降解过程中,E3-HPMC与E50-HPMC的分子量均下降了90％,E4M-HPMC的动力粘度下降了75％,E10M-HPMC的动力粘度下降了40％.表明ROS对HPMC具有显著的降解作用.
【期刊名称】《化学与生物工程》
【年(卷),期】2013(030)006
【总页数】3页(P72-74)
【关键词】羟丙基甲基纤维素;活性氧簇;自由基降解
【作 者】李睿智;张秀明;尹永磊;简军;张政朴
【作者单位】生物可降解新材料北京市工程实验室,北京100022;南开大学高分子化学研究所,天津300071;生物可降解新材料北京市工程实验室,北京100022;生物可降解新材料北京市工程实验室,北京100022;生物可降解新材料北京市工程实验室,北京100022;生物可降解新材料北京市工程实验室,北京100022;南开大学高分子化学研究所,天津300071
【正文语种】中 文
【中图分类】R944.9
羟丙基甲基纤维素（Hydroxypropyl methyl cellulose，HPMC）是天然纤维素分子上部分羟基甲基化和羟丙基化后生成的纤维素醚［1，2］，是常用的药用辅料，一般作为分散剂、增稠剂、眼科植入剂、美容填充辅料等使用［3，4］。国产羟丙基甲基纤维素－透明质酸钠溶液（逸美，EME）利用HPMC分子内的羟基与透明质酸中的羟基、羧基发生相互作用，提高了它们作为皮肤填充材料的可使用性，填补了我国生物复合材料在医疗美容领域的空白，其在体内的降解过程也因此受到研究者的广泛关注。
活性氧簇自由基（Reactive oxygen species，ROS）是体内重要的自由基，在体内发挥着重要的作用。皮肤中存在的大量紫外线（UV）色基在吸收UV光子能量后呈激发态，与皮肤中的氧分子发生光动力学反应，在还原酶或过渡金属参与下会生成ROS，大量的ROS就会引起皮肤的老化，产生皱纹、色斑等［5］。ROS主要包含超氧阴离子自由基（·）、羟基自由基（·OH）、过氧化氢（H2O2）以及单线态氧（·O2）等4种自由基，其中以·OH 的作用最强［6］。据报道［7］，HPMC可吸收体内固有的ROS。
HPMC在ROS的作用下会被降解，造成HPMC的分子量降低、粘弹性下降。作
者在此以Fenton－AHH2O2体系介导羟基自由基的生成，模拟ROS降解HPMC，并对降解过程中HPMC的分子量变化、动力粘度变化进行表征，以研究HPMC在体内的降解机制。
1 实验
1．1 材料、试剂与仪器
羟丙基甲基纤维素［级别：E3、E50、E4M、E10M，分别表示动力粘度（mPa·s）为3、50、4000、10 000的质量分数为2%的HPMC水溶液］，陶氏化学；L－抗坏血酸（AH）、pH值为3的磷酸盐缓冲溶液，天津光复精细化工厂；30%双氧水，天津化学试剂六厂。
水相凝胶渗透色谱仪，Waters公司；NDJ－1型旋转粘度计，上海森地科学仪器设备有限公司。
1．2 方法
一般地，由Haber－Weiss反应所引起的Fenton反应是体外产生·OH的主要方式：
本实验采用L－抗坏血酸与 H2O2产生·OH（AH－＋H2O2→A－＋H2O＋·OH），形成新的Fenton－AH－H2O2体系，比Fenton反应体系更温和，能够缓慢地长时间释放·OH［8，9］。
1．2．1 检测降解过程中HPMC的分子量变化
将0．5g HPMC（E3、E50）、0．125g L－抗坏血酸溶解于22．5mL pH＝3的磷酸盐缓冲溶液中，加入2．5mL质量分数为3%的H2O2，置于37℃水浴恒温振荡器中；定时取样0．08mL，加入0．02mL 0．1mol·L－1的NaOH溶液破坏自由基环境，通过水相凝胶渗透色谱仪测量溶液的分子量。
空白实验：将0．5g HPMC（E3、E50）、0．125g L－抗坏血酸溶解于25mL
pH＝3的磷酸盐缓冲溶液中；定时取样0．08mL，加入0．02mL 0．1mol·L－1的NaOH溶液，置于37℃水浴恒温振荡器中，通过水相凝胶渗透色谱仪测量溶液的分子量。
1．2．2 检测降解过程中HPMC的动力粘度变化
将2g HPMC（E4M、E10M）、0．5g L－抗坏血酸溶解于90mL pH＝3的磷酸盐缓冲溶液中，加入10 mL质量分数为3%的H2O2溶液，置于37℃恒温水浴中，用旋转粘度计检测溶液的粘度。
空白实验：将2g HPMC（E4M、E10M）、0．5g L－抗坏血酸溶解于100mL
pH＝3的磷酸盐缓冲溶液中，置于37℃恒温水浴中，用旋转粘度计检测溶液的粘度。
2 结果与讨论
2．1 HPMC分子量的变化
动 力 粘 度 较 低 的 HPMC（E3－HPMC、E50－HPMC）降解过程中的分子量变化见图1。
图1 E3－HPMC（a）和E50－HPMC（b）的GPC图谱Fig．1 GPC Spectra of
E3－HPMC（a）and E50－HPMC（b）
a 17300 27128 19403 40380 53659 1．568063 1．488478
1．977980 b 70857 101281 109956 133601 164163 1．429361
1．319119 1．620875
由图1可看出，E3－HPMC平均分子量为19．4 kDa，E50－HPMC平均分子量为110．0kDa。
E3－HPMC、E50－HPMC分子量随降解时间的变化曲线见图2。
图2 降解过程中E3－HPMC（a）与E50－HPMC（b）的分子量随时间的变化Fig．2 Time－varying molecular weight of E3－HPMC（a）and E50－HPMC
（b）in degradation process
由图2可看出，在 H2O2加入到 HPMC－AH－PBS体系中的前100min内，HPMC的分子量快速下降。这是由于，H2O2与体系中的AH快速反应，产生大量的·OH，致使HPMC被快速降解，分子量快速下降；降解反应进行到200min左右时，由于H2O2被大量消耗，体系中的·OH浓度降低，逐渐失去对HPMC的降解作用，因此在实验后期，HPMC的分子量趋于稳定。降解结束时，E3－HPMC的最终分子量稳定在1 kDa左右，较降解前下降了90%；E50－HPMC的最终分子量稳定在10kDa左右，也较降解前下降了90%。
2．2 HPMC动力粘度的变化
对于动力粘度较大的E4M－HPMC与E10MHPMC，由于分子量过大，不易以分子量作为参考来跟踪其降解过程，因而通过测量溶液的动力粘度来跟 踪其降解过程，结果见图3。
图3 降解过程中E4M－HPMC（a）和E10M－HPMC（b）的动力粘度随时间的变化Fig．3 Time－varying dynamic viscosity of E4M－HPMC（a）and
E10M－HPMC（b）in degradation process
由图3可看出，E4M－HPMC和E10M－HPMC在240min后的动力粘度均趋于稳定。降解结束时，E4M－HPMC的最终粘度为1000mPa·s左右，较降解前下降了75%；E10M－HPMC的最终粘度为6000 mPa·s左右，较降解前下降了40%。其降解过程与E3－HPMC、E50－HPMC的降解过程相似。
3 结论
通过模拟体内的活性氧簇自由基（ROS）条件，使用Fenton－AH－H2O2体系在体外环境研究了HPMC的降解过程。通过水相凝胶渗透色谱仪和旋转粘度计检测HPMC的分子量与动力粘度变化，结果表明，E3－HPMC与E50－HPMC的分子量均下降了90%，E4MHPMC的动力粘度下降了75%，E10M－HPMC的
动力粘度下降了40%。说明ROS对HPMC具有显著的降解效果，同时也表明HPMC可以吸收体内自由基，并降低自由基在体内的含量。
参考文献：
［1］Davaran S，Rashidi M R，Khani A．Synthesis of chemically
crosslinked hydroxypropyl methyl cellulose hydrogels and their application
in controlled release of 5－amino salicylic acid［J］．Drug Dev Ind Pharm，2007，33（8）：881－887．
［2］邵自强，徐雅青，王文俊，等．羟丙基甲基纤维素酞酸酯的制备与性能测定［J］．华西药学杂志，2008，23（2）：183－184．
［3］罗西友，董亚南，夏毅然，等．羟丙基甲基纤维素（HPMC）在医用润滑液中增稠作用的研究［J］．生物医学工程研究，2007，26（1）：71－73，77．
［4］张政朴．天然高分子材料透明质酸及羟丙基甲基纤维素介绍［J］．中国美容整形外科杂志，2010，21（3）：159－160．
［5］杨斌，郝飞．皮肤光老化、活性氧簇与抗氧化剂［J］．中国美容医学，2005，14（5）：637－639．
［6］雍刘军，张星宇．膝关节滑膜形态学特征及病变后的观察临床意义［J］．中国组织工程研究与临床康复，2009，13（33）：6461－6464．
［7］Ye J，Zhang H N，Wu H，et al．Cytoprotective effect of hyaluronic
acid and hydroxypropyl methylcellulose against DNA damage induced by
thimerosal in Chang conjunctival cells［J］．Graefe′s Arch Clin Exp
Ophthalmol，2012，250（10）：1459－1466．
［8］Anthonyj N，Emily V．Hydroxyl radical production by ascorbate and
hydrogen peroxide［J］．Neurotoxicity Research，2000，2（4）：343－355．
［9］Henrotin Y E，Bruckner P，Pujol J P L．The role of reactive oxygen
species in homeostasis and degradation of cartilage［J］．Osteoarthritis
Cartilage，2003，11（10）：747－755．