可降解聚乳酸多孔微球的制備探究

戴平望

(漳州市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)所，福建 漳州 363000)

多孔微球?qū)儆诟叻肿游⑶虿牧现械囊活?，因比表面積大、穩(wěn)定性好、可控性強(qiáng)和表面滲透能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在材料科學(xué)、生物工程、醫(yī)學(xué)研究等領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用［1］。聚乳酸(PLA)是一種新型的生物降解材料，具有良好的生物可降解性，能被自然界中微生物完全降解或在生物體內(nèi)經(jīng)過酶分解最終生成二氧化碳和水，是理想的綠色高分子材料。聚乳酸以其具有無毒性、可控制生物降解、原料易得、生物相容性較好等優(yōu)點(diǎn)，可用于制備微球的壁材［2］，因此，聚乳酸逐漸發(fā)展成為一種備受關(guān)注的可生物降解的生物醫(yī)用高分子材料。

制備聚乳酸多孔微球的方法有很多，最常用的制備方法按其呈孔機(jī)制可以分為雙親嵌段共聚法、成孔劑法、相分離法、噴霧干燥法等［3-5］，可以根據(jù)應(yīng)用過程所需要微球粒徑、孔的結(jié)構(gòu)、孔隙大小、孔控制性效果等條件，選擇不同的方法制備聚乳酸多孔微球。本實(shí)驗(yàn)以聚乳酸為壁材，碳酸氫銨為致孔劑，采用雙乳液溶劑揮發(fā)法制備多孔聚乳酸微球。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

聚乳酸(PLA-GH401)，東莞市錦湖塑膠原料有限公司;二氯甲烷、碳酸氫銨、乙酸、明膠、鹽酸、碳酸氫鈉、碳酸鈉均為分析純。

DSX-120 數(shù)顯攪拌機(jī);HH·S11-2-S 電熱恒溫水浴鍋;ZK-82A 型真空干燥箱;TG209F1 熱重分析儀。

1.2 聚乳酸多孔微球的制備

1.2.1 初乳液的精制 0.4 g 明膠在加熱條件下溶解在10 mL 去離子水，待溶液冷卻后，加入0.5 g 碳酸氫銨，玻棒攪拌溶解，制備得內(nèi)水相。另外，將1.0 g 聚乳酸溶解在20 mL 二氯甲烷溶液中，轉(zhuǎn)移至三頸燒瓶中，加入內(nèi)水相，在1 000 r/min 轉(zhuǎn)速下進(jìn)行勻漿30 min，得到初乳液。在初乳化過程中，用5%的醋酸溶液進(jìn)行中和。

1.2.2 外水相的制備 配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的明膠溶液作為外水相乳化劑。

1.2.3 微球的形成 初乳化結(jié)束后，量取75 mL 的明膠溶液加入初乳液中，連續(xù)攪拌4 h。在二次乳化過程，注意控制溫度以及攪拌速度，使得有機(jī)溶劑揮發(fā)，微球得到固化。抽濾、洗滌、干燥，得PLA 多孔微球。

2 結(jié)果與討論

2.1 乳化環(huán)境酸堿性對(duì)微球的影響

采用碳酸氫銨作為致孔劑，使得乳化劑具有堿性，而在堿性條件下，乳酸聚合在一起，乳化結(jié)束后，溶液澄清，沒有形成微球。加入鹽酸中和，也沒有形成微球，聚乳酸大部分聚合在一起。用醋酸中和，可以較好制得微球。

2.2 聚乳酸濃度對(duì)微球的影響

其它微球制備條件不變的情況下，分別用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，5%，7.5%的聚乳酸制備微球，在顯微鏡下觀察微球形狀，結(jié)果見圖1。由圖1a 可知，多孔微球的粒徑大小不一，孔隙較密集而小;圖1b 和圖1c 多孔微球的孔狀結(jié)構(gòu)較疏松，并且孔徑較大。聚乳酸濃度對(duì)微球的形態(tài)有著較明顯的影響，濃度越高，沉積速度越慢，微球粒徑越大，結(jié)構(gòu)疏松，釋藥速度加快。當(dāng)聚乳酸超過一定濃度，有機(jī)相在分散介質(zhì)中會(huì)析出大量聚乳酸，粘結(jié)成團(tuán)［6］，不能形成微球。

圖1 不同濃度聚乳酸制得的多孔微球的SEM 圖Fig.1 SEM spectrum of porous microspheres with different concentrations of PLA

2.3 初乳化過程攪拌速度對(duì)微球的影響

初乳化攪拌速率對(duì)微球粒徑影響較大，有機(jī)相在水相中乳化時(shí)，攪拌槳的轉(zhuǎn)動(dòng)使攪拌槳周圍的液體高速轉(zhuǎn)動(dòng)，而靠近容器內(nèi)壁的液體由于與內(nèi)壁的摩擦而運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)較慢，兩者之間的速度差產(chǎn)生的剪切力把有機(jī)相剪碎，在乳化劑的作用下分散到水相中。固定其它微球制備條件，分別以初乳化轉(zhuǎn)速為800，1 000，1 200 r/min，制備聚乳酸多孔微球，在顯微鏡下觀察微球粒徑與表面形態(tài)，結(jié)果見圖2。

圖2 初乳化過程中不同攪拌速度制得的多孔微球的SEM 圖Fig.2 SEM spectrum of porous microspheres with different mixing speed in early emulsification process

由圖2 可知，這三種攪拌速度都較適宜聚乳酸多孔微球的形成，雖然微球粒徑大小不均一，但是微球的成孔情況還是較理想的。若攪拌速度過低，聚乳酸的成球情況較不理想。

2.4 乳化劑(明膠)濃度對(duì)微球的影響［7-8］

分別配制濃度為0.5%，0.75%，1.0%，1.5%的明膠溶液，保持其它微球制備條件不變，制備聚乳酸多孔微球，在顯微鏡下觀察微球形狀與表面形態(tài)，結(jié)果見表1。

表1 明膠濃度對(duì)聚乳酸微球的影響Table 1 Gelatin concentration effects on PLA microspheres

由表1 可知，隨著乳化劑濃度的增加，其粘度顯著增加，微球間相互碰撞的阻力增大，微球分散均勻，凝聚現(xiàn)象減少，粒徑也隨之減小。乳化劑的加入，有利于乳液更好的成球，而乳化劑濃度過高時(shí)，攪拌容易形成泡沫。

2.5 內(nèi)水相和外水相體積比對(duì)微球的影響

固定其它微球制備條件，分別選取內(nèi)外水相體積比為1∶5，1∶7.5，1∶10 制備PLA 微球，顯微鏡下觀察微球形狀，結(jié)果見表2。

表2 內(nèi)水相與外水相體積比對(duì)微球形態(tài)的影響Table 2 Inland waters within web of phase volume ratio on the microspheres morphology

由表2 可知，在這三種內(nèi)外水相體積比的條件下，對(duì)微球的形成影響不大。但是內(nèi)外水相體積比應(yīng)該在一定的范圍內(nèi)，不然可能會(huì)對(duì)微球的成孔情況以及收率造成較大的作用。并且，內(nèi)水相體積過小時(shí)，微球可能無明顯的多孔結(jié)構(gòu)，因?yàn)闅怏w起泡劑的量不夠多，在乳化過程產(chǎn)生的氣體量少，導(dǎo)致微球的孔狀結(jié)構(gòu)不明顯;若外水相的體積過大，在連續(xù)乳化過程中會(huì)產(chǎn)生大量泡沫，不利于有機(jī)物的揮發(fā)。

2.6 致孔劑對(duì)微球成孔情況的影響

其他制備微球條件不變，分別在內(nèi)水相中加入同樣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的碳酸鈉、碳酸氫鈉、碳酸氫銨三種起泡劑制得多孔微球，在顯微鏡下觀察微球形狀以及表面情況，結(jié)果見圖3。

圖3 不同致孔劑制得的多孔微球的SEM 圖Fig.3 SEM spectrum of porous microspheres with different pore agents

由圖3 可知，以鹽作為致孔劑，微球孔狀結(jié)構(gòu)較疏松，孔隙較大;由碳酸氫銨為致孔劑，微球的孔隙較小，較均勻。由于碳酸氫銨在分解過程直接分解成氨氣和二氧化碳，更有利于微球孔的形成。碳酸氫鈉和碳酸鈉雖然在乳化過程也有氣體釋出，致孔效果還不錯(cuò)，但是還有部分鹽離子留在微球中，還需要根據(jù)微球的應(yīng)用過程中的需要進(jìn)行后續(xù)處理。

2.7 內(nèi)水相添加穩(wěn)定劑對(duì)微球的影響

其他條件不變，分別以內(nèi)水相中加入明膠和空白對(duì)照下的條件制得微球，在光學(xué)顯微鏡下觀察微球形態(tài)，結(jié)果見表3。

表3 內(nèi)水相添加穩(wěn)定劑對(duì)微球制備的影響Table 3 Inland waters by adding stabilizer effect on microsphere preparation

由表3 可知，內(nèi)水相加入明膠時(shí)，由于明膠具有表面活性作用，能夠使初乳更穩(wěn)定，在該條件下得到的微球孔狀結(jié)構(gòu)比內(nèi)水相沒有添加任何表面活性劑來得明顯［9］。

2.8 聚乳酸多孔微球的電鏡掃描

多孔結(jié)構(gòu)與溶劑的揮發(fā)速度有關(guān)，如溶劑揮發(fā)速度慢則微球多孔結(jié)構(gòu)不明顯，主要是內(nèi)水相液滴相互聚集致使在外層聚合物膜中分布較少，Giovagnoli 等［10］的研究結(jié)果也證實(shí)了溶劑的揮發(fā)速度是影響微球多孔性的重要因素。本實(shí)驗(yàn)經(jīng)過條件優(yōu)化，以碳酸氫銨為致孔劑，明膠為乳化劑，在內(nèi)外水相體積比為1∶7.5，初乳化攪拌速度為1 000 r/min的條件下得到的聚乳酸微球，孔狀結(jié)構(gòu)較為明顯，微球粒徑大小較為均一(見圖4)。

圖4 優(yōu)化條件下的聚乳酸微球SEM 圖Fig.4 SEM spectrum of PLA with optimized conditions

2.9 聚乳酸多孔微球的熱重分析

聚乳酸微球的熱重分析(TG 曲線)見圖5。

圖5 聚乳酸以及聚乳酸微球熱重譜圖Fig.5 TG of PLA and PLA microspheres

由圖5 可知，聚乳酸微球在300 ℃之前質(zhì)量沒發(fā)生很大的變化，在300 ℃后，質(zhì)量急劇下降，表明聚乳酸多孔微球發(fā)生了分解，分解的溫度大致持續(xù)到380 ℃，而后材料質(zhì)量繼續(xù)下降，可能是聚乳酸在殘留的雜質(zhì)催化下繼續(xù)分解。另外，在100 ℃左右時(shí)，曲線也出現(xiàn)了下降，可能試樣中還含有微量水分，在此溫度下質(zhì)量出現(xiàn)減少。聚乳酸材料的分解溫度大致為330 ℃，聚乳酸微球比聚乳酸分解溫度低，可能因?yàn)榫廴樗嵛⑶蛟谒峄蛴袡C(jī)溶劑的催化下，更容易斷鍵分解。

3 結(jié)論

以聚乳酸為壁材，碳酸氫銨為致孔劑，明膠為乳化劑，在內(nèi)外水相體積比為1∶7.5，初乳化攪拌速度為1 000 r/min 的條件下，得到的聚乳酸微球孔狀結(jié)構(gòu)較好。其中乳化環(huán)境需要用醋酸進(jìn)行中和，并且初乳化過程加入穩(wěn)定劑有利于形成較好的微球。

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