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Effects of three kinds of cyclodextrin on in vitro corneal penetration of curcumin

3种环糊精对姜黄素角膜渗透性影响研究



全 文 :中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 46 卷 第 2 期 2015 年 1 月

·201·
3 种环糊精对姜黄素角膜渗透性影响研究
赵 雯,刘 睿*,孙 璐,王舒婷,王双双,李俊芳,赵 骏,张艳军*
天津中医药大学中药学院,天津 300193
摘 要:目的 研究 β-环糊精(β-CD)、羟丙基-β-环糊精(HP-β-CD)和磺丁基醚-β-环糊精(SBE-β-CD)对姜黄素离体角
膜渗透作用的影响。方法 采用改良 Franz 扩散池,以离体角膜扩散实验考察不同质量分数的 3 种环糊精对姜黄素角膜渗透
性的影响。结果 β-CD 质量分数为 0.02%、0.04%、0.06%、0.08%时,姜黄素的角膜表观渗透系数分别增加了 1.06、1.03、
1.00、0.95 倍,同质量分数的 HP-β-CD 分别增加了 1.16、1.19、1.17、1.12 倍,质量分数为 0.04%、0.06%时,与对照组相比
有显著差异(P<0.05);同质量分数的 SBE-β-CD 分别增加了 1.06、1.23、1.08、0.90 倍,质量分数为 0.04%时,与对照组
相比有显著差异(P<0.05)。以质量分数为 0.06%的 SBE-β-CD 作为促渗剂,姜黄素释放曲线符合零级释放方程(r=0.997 8);
角膜水化平均为 81.7%。结论 HP-β-CD 质量分数为 0.04%、0.06%,分别增加表观渗透系数 1.19、1.17 倍(P<0.05);SBE-β-CD
为 0.04%时,增加 1.23 倍(P<0.05)。SBE-β-CD 作为眼用促渗剂使药物的释放过程更加安全有效;3 种环糊精促渗剂对角
膜无刺激。
关键词:β-环糊精;羟丙基-β-环糊精;磺丁基醚-β-环糊精;姜黄素;角膜透过;促渗剂;表观渗透系数;水化;刺激性;
眼用制剂
中图分类号:R283.6 文献标志码:A 文章编号:0253 - 2670(2015)02 - 0201 - 06
DOI: 10.7501/j.issn.0253-2670.2015.02.009
Effects of three kinds of cyclodextrin on in vitro corneal penetration of curcumin
ZHAO Wen, LIU Rui, SUN Lu, WANG Shu-ting, WANG Shuang-shuang, LI Jun-fang, ZHAO Jun, ZHANG
Yan-jun
College of Chinese Materia Medica, Tianjin University of Traditional Chinese Medicine, Tianjin 300193, China
Abstract: Objective To study the effects of β-cyclodextrin (β-CD), hydroxypropyl-β-CD (HP-β-CD), and sulfobutyl-ether-β-CD
(SBE-β-CD) on in vitro corneal penetration of curcumin. Methods Improved Franz-cells were used for the corneal diffusion test and
the cumulative permeation quantity of curcumin in the corneal was determined by HPLC. Results β-CD at 0.02%, 0.04%, 0.06%, and
0.08% improved the apparent permeability coefficient as much as 1.06, 1.03, 1.00, and 0.95 times. HP-β-CD at 0.02%, 0.04%, 0.06%,
and 0.08% improved the apparent permeability coefficient as much as 1.16, 1.19, 1.17, and 1.12 times; HP-β-CD at 0.04% and 0.06%
there was a significant deference compared with the control group (P < 0.05). SBE-β-CD at 0.02%, 0.04%, 0.06%, and 0.08%
improved apparently the permeability coefficient as much as 1.06, 1.23, 1.08, and 0.90 times. SBE-β-CD at 0.04% there was a
significant deference compared with the control group (P < 0.05). SBE-β-CD at 0.06% as penetration enhancer, release curve accorded
with zero order release equation (r = 0.997 8). The average of the corneal hydration is 81.7%. Conclusion HP-β-CD at 0.04% and
0.06% could improve the apparent permeability coefficient as much as 1.19 and 1.17 times (P < 0.05). SBE-β-CD at 0.04% could
improve the apparent permeability coefficient as much as 1.23 times (P < 0.05). SBE-β-CD as corneal penetration enhancers can
release safely and effectively. As corneal penetration enhancers, those three kinds of cyclodextrin are without irritation to corneal.
Key words: β-cyclodextrin; hydroxypropyl-β-cyclodextrin; sulfobutyl-ether-β-cyclodextrin; curcumin; corneal permetration;
penetration enhancer; apparent permeability coefficient; hydration; irritation; ophthalmic preparation


收稿日期:2014-09-01
基金项目:国家自然科学基金资助项目(81303142);高等学校博士学科点专项科研基金项目(20121210120001);天津市应用基础与前沿技
术研究计划(14JCQNJC13100)
作者简介:赵 雯(1990—),女,硕士研究生,主要从事中药新型给药系统研究。Tel: (022)59596221 E-mail: lansexueling@163.com
*通信作者 刘 睿(1980—),女,讲师,博士,主要从事中药新型给药系统研究。Tel: (022)59596221 E-mail: lr_8000@163.com
张艳军(1967—),男,教授,医学博士,主要从事中药药理研究。Tel: (022)59596221 E-mail: zyjsunye@163.com
中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 46 卷 第 2 期 2015 年 1 月

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环糊精能够在眼用处方中通过增溶作用来增加
脂溶性药物的溶解度和稳定性,从而避免通过使用
有机溶剂增加脂溶性药物在水中的溶解度,增强药
物在眼部的生物利用度和稳定性[1]。β-环糊精(β-
cyclodextrin,β-CD)直接作用于角膜上皮细胞,能
够促进黏膜通透性,有望成为眼部给药的渗透促进
剂。环糊精在水中溶解度较低(在室温下为 18.5
g/L[2]),近年来对其衍生物的研究越来越多,羟丙
基-β-环糊精(hydroxypropyl-β-CD,HP-β-CD)在
水中的溶解度较高,因此相对于 β-CD,HP-β-CD
在眼用制剂中应用更多,其通过眼组织渗透进入细
胞膜提取脂溶性物质,是一种耐受能力强、安全、
刺激性低的新型眼用吸收促进剂[3-5]。
与中性 HP-β-CD 相比,磺丁基醚-β-环糊精
(sulfobutyl-ether-β-CD,SBE-β-CD)带有负电荷,
每个分子上结合有 7 个钠离子,在水中可以完全解
离,形成较强的渗透压,能显著地提高药物的稳定
性,并明显减少药物对眼部的刺激性[6]。这 3 种环
糊精相比,SBE-β-CD 作为滴眼剂的辅料不仅显著
降低了药物对眼部的刺激性,而且能显著增加药物
稳定性,应用于眼用制剂之中表现出良好潜力,有
望成为高效且安全的渗透促进剂[7]。
姜黄素具有抗炎、抗氧化、抗纤维化、抗诱导
凋亡的眼部药理作用[8],但由于姜黄素水溶性低,
如何增加其眼部生物利用度是眼用制剂的重要任
务。因此,本研究以姜黄素为模型药物,通过离体
角膜扩散实验,研究 3 种环糊精对姜黄素角膜渗透
性的影响,从而明确作为新型渗透促进剂的 β-CD、
HP-β-CD、SBE-β-CD 是否具有良好的眼用促渗作
用,为筛选新型眼用促渗剂提供生物药剂学依据。
1 仪器与材料
YB-P6 智能透皮实验仪,天津市鑫洲科技有限
公司;SZCL-4B 智能磁力加热搅拌器,巩义市予华
仪器有限责任公司;改良 Franz 扩散池,上海锴凯
科技贸易有限公司;Waters-e2695-HPLC 系统,包
括四元梯度泵,在线真空脱气机,自动进样器,柱
温箱,2998 光电二极管阵列检测器 PDA,Empower
2 色谱工作站;BT125D 型分析天平,德国 Sartarius
公司。
姜黄素对照品,质量分数 98%以上,批号 0823-
9802,中国食品药品检定研究院。姜黄素提取物,
质量分数 95%以上,南京泽朗科技有限公司。β-CD,
广东省郁南县永光味精实业有限公司;HP-β-CD,
法国 Roquette 公司;SBE-β-CD,广东省郁南县永
光味精实业有限公司;以上 3 种环糊精质量分数均
在 98%以上。聚山梨酯 80,天津博迪化工股份有限
公司;葡萄糖,北京索莱宝科技有限公司;氧化谷
胱甘肽,北京索莱宝科技有限公司;氯化钠、氯化
钾、磷酸二氢钠、碳酸氢钠、氯化钙、氯化镁,天
津市化学试剂批发公司;其他试剂均为分析纯。
2 方法及结果
2.1 溶液的配制
2.1.1 对照品溶液的配制 精密称取姜黄素对照
品 2.00 mg,置 20 mL 量瓶中,加甲醇溶解并稀释
至刻度,得质量浓度为 100 μg/mL 的对照品储备液,
稀释至 10 μg/mL 置 4 ℃冰箱中保存备用。
2.1.2 扩散介质的配制 2%聚山梨酯 80-谷胱甘
肽-碳酸氢钠林格溶液(GBR),此溶液由 2 部分溶
液组成:I 部分含有 12.40 g/L 氯化钠、0.72 g/L 氯
化钾、0.21 g/L 磷酸二氢钠及 4.91 g/L 碳酸氢钠;II
部分含有 0.23 g/L 氯化钙、0.32 g/L 氯化镁、1.80 g/L
葡萄糖及 0.18 g/L 氧化谷胱甘肽。上述 2 部分溶液
均置于 4℃冷藏保存,使用前等量混合。
2.1.3 样品溶液 姜黄素角膜透过实验接收池中
所得的接收液。
2.1.4 空白对照溶液 角膜透过实验供给池为空
白液时接收池中所得的溶液。
2.2 姜黄素的 HPLC 测定条件及专属性考察
色谱柱 Diamonsil C18(2)(200 mm×4.6 mm,
5 μm),流动相为 0.05%甲酸水溶液-甲醇(20∶80),
体积流量 1 mL/min,检测波长 425 nm,进样量 10
μL,柱温 30 ℃。对照品、样品和空白对照的色谱
图见图 1。
2.3 姜黄素表观油水分配系数的测定
药物的亲脂性是影响角膜透过性的一个重要因
素。测定药物亲脂性常用的方法是测定其表观油水
分配系数(P),其公式为 P=(Cw1-Cw2)/Cw2,其中,
Cw1 为水相中原有药物质量浓度,Cw2为分配达平衡
后水相中药物质量浓度。
实验采用经典的摇瓶法测定姜黄素的 P,以正
辛醇作为油相。精密量取用水饱和 24 h 后的正辛醇
溶液 2 mL 置于西林瓶中,同时加入 2 mL 姜黄素饱
和水溶液,置于 37 ℃恒温水浴中持续振荡,48 h
平衡后取样。将西林瓶中的混悬液置于离心管中,
4 000 r/min 保温离心 10 min,取水层适量,稀释,
通过 0.45 μm 微孔滤膜,进样 HPLC 测定,计算 P
中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 46 卷 第 2 期 2015 年 1 月

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图 1 姜黄素对照品 (A)、样品 (B) 和空白对照 (C) 的 HPLC 图
Fig. 1 HPLC of curcumin reference substance (A), sample (B), and blank control (C)

值。角膜吸收理想药物的 P 值为 100~1 000,即 lgP
为 2.0~3.0 的药物角膜透过性最好[9]。由实验结果
(表 1)可知,姜黄素的 P 为 436.000±0.111,lgP
为 2.638±0.019(n=3),由于姜黄素的水溶性很差,
脂溶性较强,因此需要加入渗透促进剂增加药物溶
解度,提高角膜透过性。

表 1 P 值测定结果
Table 1 Analysis results of P value
质量浓度/(μg·mL−1) 次数
正辛醇层 水层
P lgP lgP 均值
1 204.1 0.52 389.0 2.590
2 199.6 0.46 433.3 2.637 2.638±0.019
3 199.2 0.41 485.7 2.686

2.4 姜黄素角膜透过实验
2.4.1 实验装置 实验所用装置为改进的 Franz 立
式扩散池,由 2 个等内径的供给池和接收池组成,
有效扩散面积为 0.50 cm2,容积 4.5 mL。
2.4.2 扩散介质 以 2%聚山梨酯 80-谷胱甘肽-碳
酸氢钠林格溶液(GBR)(35.0±0.5)℃为扩散介
质,配制方法同“2.1.2”项,文献报道该生理溶液
可保存离体角膜达 6 h[10]。
2.4.3 角膜渗透参数的计算 离体角膜渗透参数由
以下公式求得。
Qn=V0(Cn+V / V0)
1
1
n
i

=
∑ Ci / A=(V0Cn+V 1
1
n
i

=
∑ Ci) / A
Paap=ΔQ/(60ΔtC0A)
Jss=C0Paap
Qn 为单位面积累积透过量,Cn 为 t 时刻药物的质量浓度,
Ci为 t 时刻前的质量浓度,V0为接收池中溶液体积(4.5 mL),
V 为取样体积(4.5 mL),Papp为表观渗透系数,C0为供给池
初始药物质量浓度(1 mg/mL),A 为有效扩散面积(0.5 cm2),
ΔQ/Δt 可由累积透过量-时间曲线稳态部分的斜率求得,Jss
为稳态渗透速率
2.4.4 3 种环糊精对姜黄素角膜透过率的影响 取
家兔,雌雄兼用,体质量在 2~3 kg,自由饮食。实
验时选用健康无眼疾的家兔,耳缘静脉注射空气致
死,在死后 20 min 内用眼科剪刀和眼科镊子小心分
离出角膜,除去巩膜、虹膜、睫状体等多余组织,
用蒸馏水冲洗,吸干附着的水分。将新鲜离体角膜
小心固定在渗透装置的供给池和接收池之间,在接
收池中注满新鲜配制的 2%聚山梨酯 80-GBR 溶液,
在供给池中加入姜黄素质量浓度为 1 mg/mL的不同
质量分数的环糊精溶液 0.5 mL,温度控制在(35±
1)℃,同时供给池和接收池需密封,防止蒸发。实
验开始后分别在 40、80、120、160、200、240、280
min 从接收池中取全量接收液,同时补充全量同温
的 2%聚山梨酯 80-GBR 溶液。用 HPLC 测定,采
用 SPSS 19.0 软件对数据进行独立样本 t 检验,结
果以 ±x s 表示。不同质量分数的 3 种环糊精对姜黄
素角膜渗透参数的影响见表 2,趋势图见图 2。
结果表明当 β-CD 质量分数小于 0.02%时,姜

表 2 3 种环糊精对姜黄素角膜渗透参数影响 ( x ±s, n = 3)
Table 2 Effects of three kinds of cyclodextrin on corneal
permeability parameters of curcumin ( x ±s, n = 3)
组别 质量分数/%
Papp/(×107
cm·s−1)
Jss/(×104
μg·s−1·cm−2)
对照 - 21.33±1.17 21.33±1.17
β-CD 0.02 22.67±1.26 22.67±1.26
0.04 22.00±1.64 22.00±1.64
0.06 21.40±0.41 21.40±0.41
0.08 20.30±0.30 20.30±0.30
0.02 24.77±1.10 24.77±1.10
0.04 25.43±0.94* 25.43±0.94*
0.06 25.13±1.29* 25.13±1.29*
HP-β-CD
0.08 23.93±1.36 23.93±1.36
0.02 22.62±0.31 22.62±0.31
0.04 26.31±0.42* 26.31±0.42*
0.06 23.07±0.27 23.07±0.27
SBE-β-CD
0.08 19.34±1.24 19.34±1.24
与对照组比较:*P<0.05
*P < 0.05 vs control group
姜黄素
姜黄素
A CB
0 3 6 0 3 6 0 3 6
t/min
中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 46 卷 第 2 期 2015 年 1 月

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图 2 3 种环糊精对姜黄素离体角膜透过率的影响
Fig. 2 Effect of three kinds of cyclodextrin on in vitro
corneal permeability of curcumin
黄素的 Papp 随着质量分数的升高而增大。当 β-CD
的质量分数大于 0.02%时,姜黄素的 Papp 随着质量
分数的升高而减小,姜黄素的角膜 Papp分别增加了
1.06、1.03、1.00、0.95 倍,与对照组比较无显著性
差异(P>0.05)。β-CD 分子在水中溶解度较低,因
此增加药物角膜 Papp 并不明显。
当 HP-β-CD 质量分数小于 0.04%时,姜黄素的
Papp 随着 HP-β-CD 质量分数的升高而增大。HP-β-
CD 质量分数为 0.04%和 0.06%时,姜黄素的 Papp
分别增加了 1.19 和 1.17 倍,与对照组相比均具有显
著性差异(P<0.05),而质量分数为 0.02%和 0.08%
时,姜黄素的角膜 Papp增加 1.16、1.12 倍,与对照
组相比无显著性差异(P>0.05)。HP-β-CD 水溶性
很高(室温下溶解度可达到 80%以上[11]),在醇水
溶液中溶解无结晶,在体内外环境中可以促使药物
迅速释放[12],所以相比 β-CD,HP-β-CD 的促渗效
果更加显著。
姜黄素的 Papp 随着 SBE-β-CD 质量分数的升高
先增大后减小,SBE-β-CD 质量分数为 0.04%时,姜
黄素的 Papp增加了 1.23 倍,与对照组相比具有显著
性差异(P<0.05),而质量分数为 0.02%、0.06%、
0.08%时,姜黄素的角膜 Papp增加 1.06、1.08、0.90
倍,与对照组相比无显著性差异(P>0.05)。SBE-
β-CD 的药物角膜 Papp 增加倍数比 HP-β-CD 高。
2.4.5 角膜透过释药曲线 以 3 种环糊精为渗透促
进剂的姜黄素溶液角膜透过释药数据可用以下几种
常用的数学模型进行拟合。
零级方程:Y=Kt
一级方程:ln(1-Y)=−Kt
Higuchi 方程:Y=Kt1/2
Ritger-Peppas 方程:lnY=Klnt+C
Weibull 方程:lnln[1/(1-Y)]=Klnt−C
Y 为 t 时间的累积释放率,t 为取样时间,K 为释药常数,C
为释放速率常数
采用上述 5 种数学模型对姜黄素溶液角膜透过
释放度进行拟合,结果见表 3。
由释放曲线和数学拟合可知,以 β-CD、HP-β-
表 3 数学模型方程拟合表
Table 3 Mathematical model equation fitting
方程 β-CD HP-β-CD SBE-β-CD
零级方程 Y=0.064 t-1.751(r=0.995 4) Y=0.075 t-2.571(r=0.997 5) Y=0.069 t-1.868(r=0.997 8)
一级方程 ln(1-Y)=−0.002 9 t(r=0.998 3) ln(1-Y)=−0.000 3 t(r=0.998 0) ln(1-Y)=−0.002 7 t(r=0.996 6)
Higuchi 方程 Y=1.470 t1/2-9.386(r=0.975 7) Y=1.741 t1/2-8.575(r=0.986 9) Y=1.586 t1/2-10.13(r=0.979 8)
Ritger-Peppas 方程 lnY=1.886 lnt+6.100(r=0.998 0) lnY=1.649 lnt+4.733(r=0.997 8) lnY=1.947 lnt+6.416(r=0.996 2)
Weibull 方程 lnln[1/(1-Y)]=0.759 lnt+6.516
(r=0.997 1)
lnln[1/(1-Y)]=1.017 lnt+6.955
(r=0.997 5)
lnln[1/(1-Y)]=0.735 lnt+6.474
(r=0.997 4)

CD 作为眼用渗透促进剂时,姜黄素溶液释放曲线
符合一级释放方程(r=0.998 3、0.998 0),以 SBE-
β-CD 作为眼用渗透促进剂时,姜黄素溶液释放曲线
符合零级释放方程(r=0.997 8),药物零级释放即
恒速释放。
β-CD 通过增溶作用来增加水溶性差的药物在
水中的溶解度,增强药物的生物利用度和稳定性,
从而达到渗透促进的作用。HP-β-CD 是 β-CD 的羟
烷基化衍生物,优于 β-CD 的是 HP-β-CD 通过延长
药物滞留时间促进药物渗透[9]。SBE-β-CD 是 β-CD
葡萄糖单元的 2、3、6 位碳羰基以及 1, 4-丁烷磺内
酯发生取代反应的产物。SBE-β-CD 的分子结构中
含有 7 个负离子和 7 个磺酸钠阳基团,水溶性极好,
溶解形成的高浓度药液能够提高药物溶解度,从而
促进药物释放[13]。有研究表明,SBE-β-CD 作为眼
用促渗剂不仅对眼部刺激性低,有良好的生物相容
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21




18
P a
pp
/(×
10
7 c
m
·s−
1 )

β-CD
HP-β-CD
SBE-β-CD
0 0.02 0.04 0.06 0.08
质量分数/%
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性[14],还能够使药物的释放过程更持久、更稳定、
更安全。
2.5 3 种环糊精对角膜水化值的影响
角膜水化值(hydration level,HL)是体外评价
物质对该组织刺激性的重要指标,本实验以此来考
察该实验条件下对角膜是否有损伤。离体角膜透过
实验结束后,将暴露于扩散介质的角膜区域剪下,
称定质量(Ww);60 ℃干燥 12 h 后,再次称定质
量(Wd)。角膜 HL 按下式计算。
HL=1-Wd/Ww
实验中几个实验组的角膜 HL 与新剥离角膜的
HL 比较略有升高,但均未超过 83%的限度,不同
质量分数的 3 种环糊精对角膜 HL 没有显著影响,
表明实验过程中没有对角膜上皮细胞和内皮细胞造
成损伤,实验组的样品均对角膜无明显刺激性,结
果见表 4。

表 4 3 种环糊精对角膜 HL 的影响 ( x ±s, n = 3)
Table 4 Effects of three kinds of cyclodextrin on corneal HL
( x ±s, n = 3)
组别 质量分数/% HL/%
空白 - 81.47±0.87
0.02 79.79±1.17
0.04 80.92±0.60
0.06 81.14±1.30
β-CD
0.08 81.78±0.54
0.02 81.12±0.78
0.04 80.56±0.92
0.06 81.73±1.28
HP-β-CD
0.08 80.69±0.72
0.02 78.79±1.07
0.04 81.74±1.18
0.06 79.23±1.06
SBE-β-CD
0.08 81.26±0.93

3 讨论
环糊精是直链淀粉在由芽孢杆菌产生的环糊精
葡萄糖基转移酶作用下生成的一系列环状低聚糖,
通过增加难溶性药物的溶解度来促进药物的渗透,
因此环糊精应用于眼用制剂安全无刺激,具有良好
前景[15]。HP-β-CD 是 β-CD 的一种羟烷基化衍生物,
基本上保留了 β-CD 特性,增强药物的生物利用度,
延长药物滞留时间来维持药物的释放[9,16]。此外,
还具有表面活性低,溶血活性低,水溶性很高,在
醇水溶液中不结晶,在生物体内可以促使药物迅速
释放等优点,适合用于眼部给药系统。目前,SBE-β-
CD 在注射药、口服药、鼻腔用药等方面已有较好
的应用[17]。本实验通过 3 种环糊精的筛选,发现
SBE-β-CD 应用于眼部不仅有良好的增溶作用,还
具有优良的生物相容性 [7,18],研究结果显示,
SBE-β-CD 作为眼用促渗剂不仅无眼部刺激性,而
且按零级速率恒速释放,其疗效更为稳定。相比这
3 种环糊精,SBE-β-CD 应用于眼用制剂之中表现出
良好潜力,能够作为高效且安全的新型眼部促渗剂。
角膜水化程度对药物渗透作用有很大的影响,
新鲜家兔角膜水化程度应维持在 75%~80%为目标
范围,但进行体外实验时并不能人为控制角膜 HL
在固定范围内,即使接受液为等渗缓冲液,随着时
间的累积角膜的水化程度仍然会增加,随着水化程
度和角膜厚度的增加,通过角膜扩散的药物量会随
之减少[18]。采用 GBR 作为接受液可以使角膜维持
在一个固定厚度,延长其生理能力,从而保证离子
转运系统的正常运作。在体外评价中,角膜 HL 是
物质对该组织刺激性的重要指标,超过 83%即可判
定角膜受到一定程度的损伤[19]。本实验中,渗透过
的角膜水化平均值为 81.7%,属于正常安全范围,
表明制剂对角膜无明显刺激性,可作为新型的药物
载体制剂对眼病发挥作用。
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