殼聚糖絨網(wǎng)成型及其在模擬體液內(nèi)降解的研究*

盧 娟 梁列峰 陳曉龍 張成龍

(1.西南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶，400715; 2.西南大學(xué)紡織服裝學(xué)院，重慶，400715)

殼聚糖絨網(wǎng)成型及其在模擬體液內(nèi)降解的研究*

盧 娟1梁列峰2陳曉龍2張成龍2

(1.西南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶，400715; 2.西南大學(xué)紡織服裝學(xué)院，重慶，400715)

殼聚糖具有良好的生物相容性和生物可降解性，在醫(yī)藥領(lǐng)域常作為藥物載體和釋放體。將殼聚糖乙酸溶液噴紡成絨，自然沉積成網(wǎng)，分別置于空氣和模擬體液中，用顯微鏡觀察絨網(wǎng)體的降解和吸附特征。結(jié)果表明，殼聚糖絨網(wǎng)具有良好的降解特征，降解速度不僅與制品的材料構(gòu)成有關(guān)，而且主要受成型工藝控制的絨網(wǎng)結(jié)構(gòu)，即絨的線密度和網(wǎng)孔尺寸的影響。研究結(jié)果可為以殼聚糖為載體的藥物釋放體的設(shè)計(jì)和制備提供理論依據(jù)和技術(shù)路徑。

殼聚糖，絨網(wǎng)，模擬體液，制備，降解

殼聚糖(chitosan，CS)是由自然界廣泛存在的甲殼素脫乙酰后得到的產(chǎn)物，廣泛應(yīng)用于食品、生物醫(yī)學(xué)和制藥領(lǐng)域［1］。CS具有生物相容性、生物可降解性、無(wú)毒性、抗菌性、對(duì)重金屬的螯合作用、成膜性、親水性及對(duì)蛋白質(zhì)的親和性［2］。CS在組織工程領(lǐng)域可抑制纖維素增生，促進(jìn)傷口愈合及組織生長(zhǎng)和分化［3］;在制藥工程中能對(duì)藥物釋放進(jìn)行有效的控制［4］。CS是依靠物理和化學(xué)作用交聯(lián)成的水凝膠，能夠大量地吸收水分并進(jìn)行物質(zhì)交換［5-6］。本研究采用 CS作為藥物釋放體系的載體，將CS溶液噴紡成絨，自然沉積成網(wǎng)，控制絨網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，通過(guò)在模擬體液(Simulated Body Fluid，SBF)中的形態(tài)變化研究絨網(wǎng)成型方式，為CS絨網(wǎng)用于藥物釋放體的制備提供理論依據(jù)和技術(shù)路徑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

CS，相對(duì)分子質(zhì)量分別為5萬(wàn) ～10萬(wàn)、15萬(wàn)和20萬(wàn)，浙江金殼生物化學(xué)有限公司;

HOI-3型恒溫磁力攪拌器，上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司;

ALC-110.4電子天平，Acculab公司;

NDJ-8S數(shù)字顯示黏度計(jì)，上海精密科學(xué)儀器有限公司;

HH-4恒溫水浴鍋，常州澳華儀器有限公司;

數(shù)碼相機(jī);

Axioskop 40/40 FL光學(xué)顯微鏡，Carl Zeiss(上海)公司。

1.2 方法

1.2.1 CS 絨網(wǎng)制備

以3%(體積分?jǐn)?shù))的乙酸水溶液為溶劑，分別配制不同相對(duì)分子質(zhì)量、不同質(zhì)量濃度的CS溶液，常溫?cái)嚢柚镣耆芙?，靜置脫泡，噴絲進(jìn)入15%(質(zhì)量濃度)NaOH+10%(體積分?jǐn)?shù))C2H5OH的凝固浴中定型，取出后洗滌，放置于玻璃皿中，加入適量的水，使其處于懸浮狀態(tài)，振蕩，搖勻，自然堆積，烘箱干燥(40℃，12 h)，獲得干燥的CS絨網(wǎng)體。

1.2.2 SBF 配制

SBF用于常規(guī)檢測(cè)材料的生物相容性，通過(guò)材料在SBF中磷灰石的形成和沉積可以預(yù)測(cè)該材料在體內(nèi)的生物活性［7］。本實(shí)驗(yàn)旨在觀察 37℃下CS絨網(wǎng)在SPF中的降解情況。為了縮短實(shí)驗(yàn)周期，本實(shí)驗(yàn)按文獻(xiàn)［8］配制一定體積的 5倍 SBF(5SBF)，即按原配方中的各藥劑用量的5倍配制。將干燥的CS絨網(wǎng)浸于5SBF中觀察其吸附和降解狀況。

1.2.3 檢測(cè)

用數(shù)字顯示黏度計(jì)分別測(cè)定不同質(zhì)量濃度CS溶液的黏度;將CS絨網(wǎng)浸泡于37℃的5SBF中，30 d后開(kāi)始每間隔3 d用數(shù)碼相機(jī)照相觀察其形態(tài)變化;并用顯微鏡觀測(cè)置于空氣中的CS絨網(wǎng)表面降解狀況，進(jìn)行比較。

2 結(jié)果與討論

2.1 CS溶液的黏流特征

CS溶液的存放及使用均處于酸性環(huán)境中，會(huì)產(chǎn)生降解，有必要對(duì)CS溶液黏度隨存放時(shí)間的變化進(jìn)行觀察［9］。從圖1可看出，隨存放時(shí)間的增加，CS溶液的黏度逐漸下降，說(shuō)明CS溶液的穩(wěn)定性較差。CS的糖苷鍵是半縮醛結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對(duì)酸不穩(wěn)定。CS的酸性溶液在放置過(guò)程中會(huì)發(fā)生酸催化的水解反應(yīng)，分子主鏈不斷降解，黏度越來(lái)越低，相對(duì)分子質(zhì)量逐漸降低，最后被水解成寡糖和單糖。即使采取一些辦法使周圍環(huán)境近乎沒(méi)有游離酸存在，CS溶液放置較長(zhǎng)時(shí)間也會(huì)發(fā)生水解［10］。因此，CS溶液配制后應(yīng)及時(shí)噴紡，以免相對(duì)分子質(zhì)量發(fā)生變化而影響紡絲的連續(xù)性。黏度可以反映CS溶液的致密性及可紡性，黏度過(guò)高或過(guò)低都不能紡絲。通過(guò)黏度測(cè)試，了解CS溶液黏度變化情況，可確定最佳的紡絲時(shí)機(jī)。

圖1 不同質(zhì)量濃度的CS溶液黏度變化趨勢(shì)

2.2 CS絨網(wǎng)的形態(tài)

噴紡的難易取決于溶液配制濃度。相對(duì)分子質(zhì)量為5萬(wàn)～10萬(wàn)的CS配制成質(zhì)量濃度為9%的溶液時(shí)，紡絲液黏度適中，擠壓成形容易，絲條線密度均勻。相對(duì)分子質(zhì)量為15萬(wàn)的CS配制成質(zhì)量濃度為3%的溶液時(shí)，黏度過(guò)小，噴入凝固浴液中易發(fā)生斷頭;配制成質(zhì)量濃度為6%的溶液時(shí)，紡絲液流動(dòng)性差，噴紡壓力不易控制均勻，絲條易出現(xiàn)線密度不勻;配制成質(zhì)量濃度為4%的溶液時(shí)，噴紡較為容易。要形成較一致結(jié)構(gòu)(線密度、致密度)的絲絨，需綜合考慮原料的相對(duì)分子質(zhì)量和溶液濃度，相對(duì)分子質(zhì)量大的CS，溶液濃度可低些，反之可使用較高的濃度，以保證能夠?qū)崿F(xiàn)較連續(xù)的噴紡。為了檢測(cè)制品在SBF內(nèi)隨時(shí)間變化的解體狀況，減少其他可變因素，實(shí)驗(yàn)選擇相對(duì)分子質(zhì)量為20萬(wàn)，質(zhì)量濃度為2%的CS溶液，噴紡成批量絲絨(樣品編號(hào)S202)［圖2(a)］，可發(fā)現(xiàn)單絨長(zhǎng)度連續(xù)，線密度均勻，堆砌干燥后成絨網(wǎng)結(jié)構(gòu)［圖2(b)］，網(wǎng)孔清晰。作為藥物載體，網(wǎng)孔的數(shù)量和大小以及網(wǎng)孔分布的均勻程度是藥物釋放速度及網(wǎng)體降解的控制要素。

圖2 噴紡成型的樣品S202

2.3 CS絨網(wǎng)在SBF內(nèi)的形態(tài)變化

藥物載體是藥物釋放體系的重要組成部分。CS是一種具有良好生物相容性的氨基多糖，可被體內(nèi)溶菌酶、胃蛋白酶等多種生物酶降解。用此類生物降解性高分子制成絨網(wǎng)狀的藥物載體時(shí)，隨著時(shí)間的延續(xù)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在體內(nèi)變得更加疏松，絨網(wǎng)單纖與體液接觸面逐步擴(kuò)大，使其內(nèi)含藥物的溶解和向網(wǎng)體外的擴(kuò)散阻力減少，藥物釋放速度加快，抵消了因接觸體液的網(wǎng)體外表含藥量減少引起的釋藥速度減慢，從而實(shí)現(xiàn)藥物在體內(nèi)的恒量釋放。因此，結(jié)構(gòu)控制是網(wǎng)體作為藥物釋放體功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

當(dāng)CS溶液細(xì)流與凝固浴接觸時(shí)，細(xì)流表面的溶劑被堿性溶液迅速中和，在最外層生成稠密的膜層(顯微鏡觀察顯示出玻璃化程度較高的晶狀)，獲得表面勻凈、線密度均一的絲絨狀CS［圖3(a)］。將這種屬于生物降解高分子材料的CS絲絨放置在空氣中，在物理因素(如熱、紫外線等)和化學(xué)因素(如氧氣)作用下材料會(huì)逐漸變性，其中以氧化降解和因自然界微生物(如細(xì)菌、真菌等)作用引起的降解為主，將高分子物質(zhì)分解成小分子化合物，但是這種降解是緩慢和有限的，表現(xiàn)為放置50 d后，在樣品的表面才局部出現(xiàn)小顆粒狀的降解斑［圖3(b)］，而絨網(wǎng)中的單纖維依然保持完整的形態(tài)。將絨網(wǎng)體放置在5SBF內(nèi)，降解速度明顯加快，在30 d后絲絨單纖維已完全膨脹，表面吸附有晶狀顆粒。生物活性材料在體內(nèi)或在SBF內(nèi)會(huì)發(fā)生類骨磷灰石(Bonelike Apatite，BLA)的表面沉積。根據(jù)CS的生物相容性和SBF的性質(zhì)，CS吸附 SBF中 Ca2+，隨后 Ca2+與 PO結(jié)合，生成磷灰石，導(dǎo)致晶狀顆粒的形成。此時(shí)，由于絲絨表面遍布降解形成的白斑，并部分隨同外表面沉積的磷灰石溶解或分散至SBF內(nèi)［圖4(a)］，SBF變得白濁，單纖維因降解在表面發(fā)生凹凸不平的降解區(qū)［圖4(b)］。絨網(wǎng)體在5SBF中放置50 d后外圍的單纖維已全部膨脹解體，以粉碎的顆粒狀溶解在SBF內(nèi)［圖5(a)］，原網(wǎng)體孔隙分布較多的部分已解體，較致密的部分及網(wǎng)體的內(nèi)部也開(kāi)始膨脹松散，單纖維已開(kāi)始表面剝離、開(kāi)裂至解體［圖5(b)］。

圖3 樣品S202的表面形態(tài)

圖4 在5SBF中放置30 d后的S202表面形態(tài)

圖5 在5SBF中放置50 d后的S202表面形態(tài)

3 結(jié)論

本研究將CS先噴紡成絲絨，再自然沉積成絨網(wǎng)體。通過(guò)CS絨網(wǎng)體在SBF內(nèi)的降解實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，絨網(wǎng)體降解速度受成型工藝控制的絨網(wǎng)結(jié)構(gòu)即絨的線密度和網(wǎng)孔尺寸的影響，合理配置和選擇上述要素能夠?qū)崿F(xiàn)此類型和結(jié)構(gòu)的藥物釋放體的釋藥速度的準(zhǔn)確控制。

［1］MARGUERITE R.Chitin and chitosan:properties and applications［J］.Progress in Polymer Science，2006，31:603-632.

［2］BARBARA K.Application of chitin-and chitosan-based materials for enzyme immobilizations:a review［J］.Enzyme and Microbial Technology，2004，35:126-139.

［3］MAJETI N V R.A review of chitin and chitosan applications［J］.Reactive ＆ Functional Polymers，2000，46:1-27.

［4］DAVID J B.Controlled release technologies for drug delivery［J］.Drug Discovery Today，2003，21:976-978.

［5］ANSETH K S，METTERS A T，BRYANT S J，et al.In situ forming degradable networks and their application in tissue engineering and drug delivery［J］.Journal of Control Release，2002，78:199-209.

［6］LI Jie，NI Xingwen，LEONG K W.Injectable drug-delivery systems based on supramolecular hydrogels formed by poly(ethylene oxide)s and cyclodextrin［J］.Journal of Biomedical Material Research，2003，65A:196-202.

［7］TADASHI K，HIROAKI T.How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity? ［J］.Biomaterials，2006，27:2907-2915.

［8］KIM H M，MIYAZAK T，KOKUBO T，et al.Revised simulated body fluid［J］.Key Engineering Materials，2001(192-195):47-50.

［9］賈浩，黃玉麗.殼聚糖溶液性質(zhì)的研究［J］.北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)，1998(6):65-68.

［10］蔣挺大.殼聚糖［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

Study on preparation of chitosan fluffy meshwork and its degradation in stimulated body fluid

Lu Juan1，Liang Liefeng2，Chen Xiaolong2and Zhang Chenglong2
(1.College of Materials Science and Engineering，Southwest University;2.College of Textile and Garment，Southwest University)

Chitosan has good biocompatibility and biodegradation，which is often used as drug carrier and release body in medical field.In this research，the chitosan acetic acid spinning dope was spun into slender fluff，the fluffy network deposited naturally were placed respectively in air or simulated body fluid(SBF).The characteristics about adsorption and degradation of its fluffy body was investigated by optics microscope.The result showed that the chitosan fluffy had good degradation characteristic.The speed of degradation is not only related to material composition but also to the structure of the fluffy network which is mainly controlled by the fineness of the fluffy and the network size modulated from the molding process.This research would provide the theory basis and technical way to design and fabricate for chitosan as the carrier of the drug release.

chitosan，fluffy network，stimulated body fluid，preparation，degradation

TQ914.2;TQ340.643

A

1004－7093(2010)09－0025－04

*重慶市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(CSTC-2008BB4096)，重慶市教委科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(KJ060307)

2010－04－14;修改稿:2010－06－30

盧娟 ，女，1985年生，在讀碩士研究生。研究方向是紡織材料與功能材料。