聚乳酸/羥基磷灰石微球的合成與性能

陸榮，張峰，丁翠翠，李蘇亞

（鹽城工學(xué)院材料工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051）

聚乳酸/羥基磷灰石微球的合成與性能

陸榮，張峰，丁翠翠，李蘇亞1

（鹽城工學(xué)院材料工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051）

以生物可降解高分子材料聚乳酸(PLA)為載體，羥基磷灰石(HA)為核心材料，采用溶劑蒸發(fā)法制備了聚乳酸/羥基磷灰石(PLA/HA)微球。在可確定因素固定下來后，在保證成球質(zhì)量的基礎(chǔ)上，分別通過調(diào)節(jié)乳化劑濃度和其它因素在一定范圍內(nèi)控制微球的平均粒徑。通過正交實驗摸索出制得粒徑大小為200μm左右PLA/HA微球的最佳工藝方案：攪拌速度為500r·min-1，PLA濃度為0.08g·mL-1，PVA濃度為0.006g·mL-1，HA添加量為0.10g。掃描電鏡(SEM)表明微球外觀基本光滑圓整，但表面有少許小孔和凹槽；觀察了PLA/HA微球在生理鹽水中的降解行為，發(fā)現(xiàn)其降解速率低于純聚乳酸；通過對微球釋藥率的研究發(fā)現(xiàn)其具有良好的緩釋性能。

PLA/HA微球；合成；性能；正交設(shè)計

聚乳酸(PLA)是一種無毒、無刺激性，具有良好生物相容性的新型高分子聚合物，是以乳酸為單體經(jīng)縮聚反應(yīng)合成的生物可降解高分子材料。它在生物體內(nèi)經(jīng)過酶分解，最終形成二氧化碳和水，因其在骨組織工程的一些實驗研究中表現(xiàn)出良好的骨修復(fù)作用，所以在醫(yī)用領(lǐng)域被認為是最有前途的可降解高分子材料。PLA在骨組織工程的一些實驗研究中表現(xiàn)出良好的骨修復(fù)作用，但同時也反映出一些不足，如強度不足，降解后的材料不利于骨細胞生長等[1]。羥基磷灰石(HA)是自然骨的主要成分，約占人體骨重量的60%左右，一直被公認是材料在硬或軟體組織連接中起關(guān)鍵作用的物質(zhì)，其晶體的結(jié)構(gòu)式為Ca10(PO4)6(OH)2[2]。合成HA在組成成分和結(jié)構(gòu)上與自然骨組織的鈣鹽一致，在生物學(xué)特性方面，它具有極好的生物活性，骨傳導(dǎo)性，能為新骨的形成提供生理支架作用，與骨組織形成直接的骨性結(jié)合；但它在張力方面表現(xiàn)出脆性，沒有足夠的強度和疲勞承受力，易斷裂，加工性能差，不適合單獨作為骨折內(nèi)固定材料使用，限制了羥基磷灰石的應(yīng)用發(fā)展[3]。研究表明，PLA/HA復(fù)合材料能很好地把兩組分各自所具有的生物可降解性和骨傳導(dǎo)性能有機地結(jié)合起來，組分中的羥基磷灰石還可為骨缺損部分提供優(yōu)質(zhì)鈣、磷來源。HA呈堿性，可抑制聚乳酸的酸催化降解，并有可能減輕或消除聚乳酸降解產(chǎn)生過量的酸性產(chǎn)物可能引起的非感染性炎癥。另外，對于有機/無機復(fù)合材料來說，可降解的無機組分還可影響到有機組分的降解速率,其溶解重沉積過程能夠阻礙或抑制材料內(nèi)部輸水孔洞的形成，從而使材料的整體降解速率下降,減緩了材料的機械強度隨降解過程的衰減[4～5]。本課題組曾以聚乳酸為原料，選擇聚乙烯醇為乳化劑，采用O/W乳化-溶劑揮發(fā)法制得形態(tài)較好的聚乳酸空白微球[6]。微球又稱微球囊或者微囊,是利用天然的或者合成的高分子材料將固體或液體藥物包裹成直徑1～500μm的微小膠球，微球外面一般呈球狀實體或呈平滑的球狀膜殼形、葡萄串形及表面平滑或折疊的不規(guī)則的結(jié)構(gòu)等各種形狀，其外形取決于微球材料的性質(zhì)和材料凝聚的方式[7]。近年來，聚乳酸載藥微球也成為醫(yī)藥材料的研究熱點[8～13]。因PLA/HA復(fù)合材料以其良好的骨傳導(dǎo)性、骨誘導(dǎo)性、生物降解性能、較高的機械性能成為研究的熱點,所以本課題組受到啟發(fā)，在合成空白微球的基礎(chǔ)上,以PLA為載體,合成出PLA/HA載藥微球,研究了微球的最佳合成工藝并且做了體外性能研究,為進一步用于生物醫(yī)用高分子材料的研究提供理論支持。

1 實驗部分

1.1 主要試劑和儀器

聚乳酸(PLA，分子量 8萬，A級)，聚乙烯醇(PVA，分析純)，三氯甲烷(CHCl3，分析純)，羥基磷灰石(HA，分析純)。多功能攪拌器D-8401，激光粒度分析儀BT-9300S，掃描電子顯微鏡S-570，高效液相色譜儀P680。

1.2 實驗方法

將 PVA水溶液加入三口燒瓶中在一定速度下攪拌，保持攪拌速度不變，取一定量的PLA/HA三氯甲烷溶液，以固定滴加速度滴加到三口燒瓶中，此時溶液釋出形成兩相，攪拌槳的剪切作用使有機相分散成小球形成乳狀液。在固定的攪拌速度下，連續(xù)攪拌數(shù)小時后水浴加熱揮發(fā)三氯甲烷，待其揮發(fā)完畢，將產(chǎn)品洗滌、過濾、真空干燥后再檢測。成品微球用激光粒度分析儀測平均粒徑，通過SEM觀察分析微球表面形貌，通過對其在模擬人體液環(huán)境的磷酸鹽緩沖液中的pH 值變化研究其體外降解情況，并對微球的釋藥性能進行研究。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實驗優(yōu)化工藝

從課題組前期研究聚乳酸空白微球合成的過程可知，對于載藥微球成球性影響較大的單因素為：PLA濃度、PVA濃度、攪拌速度及HA添加量。為了優(yōu)化工藝,選擇以上4個因素作為考察對象,每個因素選擇3個水平列于表1，即進行正交實驗。正交實驗方案及其極差分析見表2。從表2可知，影響微球粒徑的主次順序依次為：攪拌速度、PLA濃度、PVA濃度、HA添加量。制備粒徑約為200μm的聚乳酸微球,最佳的工藝條件組合為:攪拌速度為500r·min-1,PLA 濃 度 為 0.08g·mL-1,PVA 濃 度 為0.006g·mL-1,HA添加量為0.10g。

表1 正交設(shè)計因素水平表Tab.1 Factor-level in orthogonal-designed experiments

表2 試驗方案及試驗結(jié)果Tab.2 Projects and analyses of orthogonal-designed experiments

2.2 粒徑分布

圖1是不同攪拌速度(400、500、600、700、800r·min-1)下所對應(yīng)的微球粒徑區(qū)間質(zhì)量分數(shù)，由圖可知，攪拌速度越快，所得到的微球粒徑越小，其分布也越均勻。由此要得到所需大小的微球時可以根據(jù)此粒徑分布規(guī)律選擇相應(yīng)的攪拌速度，以便能更迅速、便捷地完成實驗。在500r·min-1的轉(zhuǎn)速下得到平均粒徑為200μm的微球，與正交實驗結(jié)果相符，大部分微球粒徑處于190～230μm區(qū)間內(nèi)，微球粒徑分布均勻，從而有利于制造結(jié)構(gòu)均一的組織材料。

圖1 粒徑分布Fig.1 The distribution of particle size

2.3 SEM表征

以掃描電子顯微鏡觀察微球的整體形態(tài)和單個微球的表面狀況，結(jié)果見圖2、3。

圖2 PLA 微球的SEM圖(A)Fig.2 SEM of PLA microsphers (A)

圖3 PLA 微球的SEM圖(B)Fig.3 SEM of PLA microsphers (B)

從SEM照片(圖2)中可以看出，制備的PLA微球呈均勻圓球狀，表面光滑，無粘連現(xiàn)象；但粒徑不太均一，原因可能是機械攪拌器很難長時間完全保持高速穩(wěn)定造成的。從圖3可以看出，放大到一定倍數(shù)的PLA微球表面并不是完全光滑，也存在凹凸不平，原因可能是在微球制備過程中微球的表面已硬化而微球的內(nèi)部沒有完全硬化，內(nèi)部硬化時外部塌陷所形成的皮芯結(jié)構(gòu)。一些不透光的陰影應(yīng)是添加的HA的結(jié)晶。部分微球表面有小孔或凹槽，這可能是合成過程中CHCl3的揮發(fā)所致，這也將成為HA向微球外溶液擴散的通道。

2.4 降解行為研究

聚乳酸類聚合物的水解主要包括吸水、酯鍵的斷裂、可溶性齊聚物的擴散和碎片的溶解等4個過程。具體的說，當(dāng)把聚乳酸材料進行體外植入或體內(nèi)降解時，首先是材料吸水，從擴散的角度看，很快就會在材料的外部和內(nèi)部出現(xiàn)水吸收不一致的情況，但由于水的擴散比酯鍵的水解要快得多，因此，可以認為酯鍵的水解在開始階段是均勻的。隨著降解的繼續(xù)，就會出現(xiàn)材料在內(nèi)部的降解要比在表面的降解快的現(xiàn)象。這種內(nèi)部和外部降解不一致的現(xiàn)象被認為是由以下原因造成的，即酯鍵的斷裂形成的可溶性低聚物在表面比在內(nèi)部更容易擴散到外部媒介中，內(nèi)部還來不及擴散的酸性小分子積累造成局部酸濃度過大，它們又會加速材料的降解，發(fā)生自催化效應(yīng)。

圖4 緩沖液pH值變化Fig.4 pH value change of buffer solution

將一定量的平均粒徑為 200μm 的載藥微球放在 37℃，pH值為 7.4，0.1mol·L-1的磷酸鹽緩沖液中(模擬人體液環(huán)境)，進行體外降解性能研究，pH值變化曲線見圖 4。復(fù)合微球中的聚乳酸降解速度低于純聚乳酸是因為HA有減緩PLA降解的作用。HA對PLA降解的抑制作用是由于HA的堿性中和了PLA降解過程中產(chǎn)生的酸性產(chǎn)物的酸性，減緩了酸對PLA的催化降解作用的結(jié)果。

另外研究發(fā)現(xiàn)，投入緩沖液中微球初始重量為0.1710g，降解試驗進行20d后，重量為0.1660g。表面看來PLA/HA微球材料在整個降解過程中的重量并未發(fā)生明顯改變。但可能因為PLA材料的內(nèi)部在降解過程中會出現(xiàn)大量的微孔，根據(jù)毛細管效應(yīng)，處于微孔內(nèi)的水分很難被徹底抽干，因此材料的實際重量可能要小于測量值。

2.5 釋藥行為研究

國內(nèi)對綠色高分子材料－聚乳酸的關(guān)注目前暫限應(yīng)用于醫(yī)用藥物方面，也就是聚乳酸載藥微球的研究，研究發(fā)現(xiàn)，聚乳酸載藥微球能延緩藥物的釋放，降低藥物的毒副作用；它具有靶向性，無免疫原性；另外載藥微球可經(jīng)多種途徑給藥，節(jié)省了人力、物力、財力。本課題組對聚乳酸微球做為靶向藥物和緩釋控釋藥物載體的功能也進行了研究?，F(xiàn)將一定量的平均粒徑為 200μm 的載藥微球放在如上實驗所用的緩沖液中進行體外藥物釋放性能研究，藥物(HA)釋放曲線見圖5。

圖5 PLA/HA微球的釋藥曲線Fig.5 Drug-releasing curve of PLA/HA microsphers

由圖5可見，在前4d藥物釋放相對較快，之后釋放趨于平穩(wěn)，在30d時釋藥百分比為71.3%，整個過程沒有顯示出強烈的突釋效應(yīng)與釋放延遲，反映出聚乳酸微球?qū)λ幬锞哂休^好的緩釋及控釋性能，應(yīng)能滿足長效安全的緩釋制劑應(yīng)用于疾病治療的要求。研究證明，聚乳酸載藥微球是一種極有開發(fā)前途的新型復(fù)合材料，隨著微球制劑的陸續(xù)研發(fā)與上市，在不遠的將來，它必將成為人類征服疾病的又一有效手段。

3 結(jié)論

以聚乳酸(PLA)作載體，羥基磷灰石(HA)為核心材料，采用溶劑蒸發(fā)法制備了聚乳酸/羥基磷灰石(PLA/HA)微球。通過正交實驗摸索出制得粒徑大小為200μm左右PLA/HA微球的最佳工藝方案：攪拌速度為 500r·min-1，PLA 濃度為 0.08g·mL-1，PVA濃度為 0.006g·mL-1，HA 添加量為 0.10g。微球外觀呈球形無粘連，表面有少許缺陷；PLA/HA的降解速度低于純PLA；載藥微球?qū)λ幬锞哂辛己玫木忈屝阅堋?/p>

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Synthesis and Performance of PLA/HA Microspheres

LU Rong, ZHANG Feng, DING Cui-cui, LI Su-ya
(School of Materials Engineering, Yancheng Institute of Technology, Yancheng 224051, China)

Polylactic acid/hydroxyapatite (PLA/HA) composite microspheres were prepared through O/W emulsion/solvent evaporation method by choosing PLA as carrier and HA as core materials. On the basis of ensuring the quality of produced particles,the concentration of emulsifier and other factors were adjusted in a certain range to control the average particle sizes of microspheres after the confirmable factors were fixed. The best crafts to synthesize PLA/HA microspheres with the diameters of about 200μm were found through orthogonal-designed experiment: stirring rate was 500r/min, concentration of PLA was 0.08g/mL, concentration of PVA was 0.006g/mL and adding amounts of HA was 0.10g. SEM showed that the appearance of microspheres was smooth and sphere, but there were some stomas and grooves on the surface; it was found that the degradation speed of PLA/HA microspheres was lower than pure PLA through observation of their degradation behavior in buffer solution; the microspheres having good drug-releasing properties was found by researching drug-releasing rate of PLA/HA microspheres.

PLA/HA microspheres; synthesize; performance; orthogonal-designed method

R 318.08

A

1671-9905(2010)09-0004-04

江蘇省生態(tài)環(huán)境材料重點實驗室重點學(xué)科建設(shè)開放基金(XKY2007015)

陸榮，女，1976年生，碩士，講師，主要從事高分子材料及生態(tài)環(huán)保材料的研究，E-mail：lurong@ycit.cn

2010-04-21