聚合物稀溶液環(huán)流同軸電紡制備藥物零級控釋納米纖維

徐方亮， 徐 影， 余燈廣

(1.天津渤?；び邢挢?zé)任公司，天津 300452；2.上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑工程學(xué)院，上海 200093；3.上海理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200093)

聚合物稀溶液環(huán)流同軸電紡制備藥物零級控釋納米纖維

徐方亮1， 徐 影2， 余燈廣3

(1.天津渤?；び邢挢?zé)任公司，天津 300452；2.上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑工程學(xué)院，上海 200093；3.上海理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200093)

研究了應(yīng)用聚合物稀溶液環(huán)流同軸電紡制備藥物零級控釋納米纖維.以聚丙烯腈(PAN)為成纖聚合物，以阿昔洛韋為藥物模型，并以2%(質(zhì)量/體積)的PAN稀溶液為鞘液實施同軸電紡工藝，制備芯鞘結(jié)構(gòu)載藥納米纖維.通過電鏡觀察，納米纖維具有線性形貌和芯鞘結(jié)構(gòu)特征；X-射線晶體衍射結(jié)果證明，阿昔洛韋以無定形態(tài)存在于PAN基材中；體外溶出實驗結(jié)果表明，芯鞘納米纖維能夠消除藥物初期爆釋效應(yīng)，調(diào)控近80%的藥物零級方式釋放.

同軸電紡；芯鞘納米纖維；零級控釋；聚丙烯腈；鞘液

近年來電流體動力學(xué)技術(shù)(包括高壓靜電紡絲(簡稱電紡)、高壓靜電噴霧和噴射打印)研究迅速發(fā)展，尤其是電紡納米纖維的應(yīng)用，研究文獻(xiàn)急劇增加[1].電紡?fù)ㄟ^高壓靜電場與所處理聚合物流體之間的相互作用，在幾十微秒內(nèi)將流體干燥并拉伸成絲，收集成無紡納米纖維膜[2].所制備的納米纖維具有一系列的獨特性能，如直徑小、表面積大、孔隙率高等，這些性能引起了它們在眾多領(lǐng)域的嘗試性應(yīng)用研究.在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，通過將藥物和聚合物基材一起共溶紡絲，能夠制備出新型載藥納米纖維，開發(fā)出新型納米給藥系統(tǒng)[3].

作為電紡的一個分支，同軸電紡采用一種具有套筒結(jié)構(gòu)特征的紡絲頭實施電紡工藝，制備具有芯鞘結(jié)構(gòu)特征的納米纖維[4].一般認(rèn)為，在同軸電紡過程中，外鞘流體必須具有良好的成絲性能，才能獲得芯鞘結(jié)構(gòu)[5].文獻(xiàn)[6]認(rèn)為Yu等打破了這一傳統(tǒng)認(rèn)識，報道一系列新型同軸電紡技術(shù)，實現(xiàn)了一些新可能，如從不可紡高濃度聚合物溶液中制備纖維，調(diào)控納米纖維直徑并進(jìn)而控制自組裝納米顆粒粒徑，系統(tǒng)地提高納米纖維的質(zhì)量等[7].

普通電紡載藥納米纖維由于表面積巨大和藥物的均勻分布，藥物容易產(chǎn)生初期爆釋效應(yīng)，不利于獲得藥物緩控釋效果[8].本研究應(yīng)用低濃度空白聚丙烯腈溶液為鞘液，應(yīng)用載有抗病毒藥物阿昔洛韋的聚丙烯腈溶液為芯液，實施同軸電紡工藝，制備具有薄層包裹特征的芯鞘納米纖維，以消除初期爆釋效應(yīng)，獲得更好的藥物緩控釋效果.

1 實 驗

1.1 材料與設(shè)備

阿昔洛韋(acyclovir，ACY)從大連美倫生物技術(shù)公司購買，聚丙烯腈(polyacrylonitrile，PAN)來自浙江上虞百勝化工公司，N，N-二甲基乙酰胺(DMAc)與亞甲基藍(lán)由上海聯(lián)試化工試劑公司提供，其余化學(xué)試劑均為分析純.

所使用的設(shè)備包括:ZGF2000/2μA直流高壓發(fā)生器(上海蘇特電器有限公司)，KDS100微量注射泵(美國，Cole-Parmer公司)，Quanta FEG450掃描電鏡(SEM，荷蘭FEI公司)，Tecnai G2 F30透射電鏡(TEM，荷蘭FEI公司)，D/Max-BRX-射線晶體衍射儀(日本，RigaKu公司)，RCZ-8G智能溶出儀(天津市天大天發(fā)科技有限公司)，UV-2102 PC型分光光度計(上海優(yōu)尼科有限公司)，自制同軸紡絲頭.

1.2 實驗方法

1.2.1 紡絲液調(diào)配與電紡工藝實施

芯液配制:將15.0 g PAN，1.0 g ACY共溶于100 mL DMAc中，在80℃磁力攪拌24 h成淡黃色透明溶液，即為芯液.在預(yù)實驗中，芯液中加入質(zhì)量比為0.000 5%的亞甲基藍(lán)作為顯色劑.

鞘液配制:將2.0 g PAN溶解于100 m L DMAc中，在80℃磁力攪拌24 h成淺黃色透明溶液，即為鞘液.

經(jīng)預(yù)實驗，電壓值固定為15 k V，纖維接受距離為20 cm，芯液流量固定為1.0 m L/h.當(dāng)鞘液流量為0 mL/h時，即為單射流電紡，制備出沒有結(jié)構(gòu)特征的均一納米纖維F1(monolithic nanofibers F1)；當(dāng)鞘液流量為0.2 mL/h時，為稀溶液環(huán)流同軸電紡，制備出芯鞘納米纖維F2(core-sheath nanofibers F2).

1.2.2 納米纖維的形態(tài)和結(jié)構(gòu)

通過SEM觀察納米纖維，觀察前在氮氣保護(hù)下進(jìn)行表面噴金處理，統(tǒng)計納米纖維直徑及其分布；通過TEM觀察納米纖維F2的結(jié)構(gòu)特征.

1.2.3 納米纖維中成分的狀態(tài)

以CuKα射線為光源，在5～60°范圍內(nèi)對納米纖維和原料進(jìn)行廣角X-射線衍射分析(XRD). 1.2.4 藥物體外溶出特征

根據(jù)《中國藥典》2010版附錄XD釋放度測定第二法漿法，測定納米纖維中ACY的體外釋放特征.體外溶出條件:溶出介質(zhì)為900 m L雙蒸水，轉(zhuǎn)速為50 r/min，溫度為37±0.1℃.按預(yù)定時間取樣5 m L，經(jīng)0.22μm微孔濾膜過濾，適當(dāng)稀釋后進(jìn)行測定(每個樣品重復(fù)次數(shù)n=6).

2 結(jié)果與討論

2.1 同軸電紡工藝

圖1為同軸電紡系統(tǒng)組成示意圖，組件包括高壓發(fā)生器、同軸紡絲頭、2臺泵和纖維收集裝置.系統(tǒng)的實體組裝實施如圖2(a)所示.同軸電紡工藝能夠以同軸紡絲頭為模板，單步地將其結(jié)構(gòu)特征“復(fù)制”到產(chǎn)品上，獲得芯鞘結(jié)構(gòu)納米纖維[6].本研究中的自制同軸紡絲頭如圖2(a)所示，芯管內(nèi)徑為0.3 mm，外徑為0.6 mm，鞘部的內(nèi)徑為1.2 mm.

圖1 同軸電紡示意圖Fig.1 Diagram of the modified coaxial electrospinning

使用數(shù)碼相機(jī)對電紡過程進(jìn)行拍攝，一個典型的單射流過程如圖2(b)所示，該過程包括3個步驟:泰勒錐形成(如圖2(c)所示)、直線射流和不穩(wěn)定區(qū).圖2(d)顯示一個典型的同軸電紡過程，在亞甲基藍(lán)的指示下，可以清晰地辨別出泰勒錐的芯鞘結(jié)構(gòu)，如圖2(e)所示.

圖2 同軸電紡的實施Fig.2 Implementation of coaxial electrospinning

2.2 納米纖維的形態(tài)和結(jié)構(gòu)

如圖3(a)和3(b)所示，SEM結(jié)果表明，纖維F1和F2具有良好的線性形態(tài)；纖維中沒有因固相分離而形成的納米顆粒.纖維直徑分布如圖3(c)所示，分別為420±120 nm和270±40 nm.由于外鞘稀溶液能使芯液在電紡過程中相對長時間處于流體狀態(tài)，充分發(fā)揮靜電場的拉伸作用，因此，纖維F2直徑更小.TEM觀察表明，外鞘液能在PAN載藥芯部形成一個20 nm的包裹層，如圖3(d)所示.

2.3 納米纖維中成分的狀態(tài)

圖3 納米纖維的場發(fā)射掃描電子顯微鏡圖Fig.3 FESEM and TEM images of the nanofibers

如圖4(a)所示(見下頁)，ACY在衍射角2θ為 23.2°，26.0°，29.3°時出現(xiàn)特征峰，說明ACY原料藥為晶體.PAN在2θ為16.7°處有尖銳峰，說明其存在一定的結(jié)晶結(jié)構(gòu).在纖維F1和F2的衍射圖樣中，ACY特征峰完全消失，說明ACY在PAN纖維內(nèi)部以無定型態(tài)存在.ACY分子中有羥基基團(tuán)，因此，能夠提供質(zhì)子與PAN中的-C≡N基團(tuán)形成氫鍵，如圖4(b)所示(見下頁)，使得ACY與PAN之間具有良好的相容性，能有效阻止ACY分子之間通過氫鍵重新形成晶體，如圖4(c)所示(見下頁).

2.4 藥物體外溶出特征

藥物的最大吸收峰λmax為252 nm，配制系列標(biāo)準(zhǔn)溶液，以最大峰位置的紫外吸光度A對質(zhì)量濃度C(μg/mL)作圖，得標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為A=0.059 08C+ 0.005 15(相關(guān)系數(shù)R=0.999 9)，線性范圍為2～20μg/m L.通過測定樣品的吸光度，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)曲線方程，計算ACY的溶出量和累積溶出百分率，以藥物的累積釋放百分率對時間作圖，如圖5所示(見下頁).溶出1 h后，F(xiàn)1和F2分別釋放的ACY為35.7%和6.8%，說明通過普通單射流電紡制備的均一納米纖維具有明顯的藥物初期爆釋效應(yīng)，而在外面包裹了薄層空白PAN的芯鞘納米纖維F2則能有效地消除藥物的初期爆釋效應(yīng).以納米纖維在12 h內(nèi)藥物累積釋放百分率Q(%)對時間t(h)進(jìn)行線性擬合，Q=2.14+6.42t，R=0.993 5，說明在此期間內(nèi)，芯鞘納米纖維能夠控制約80%(質(zhì)量比)的ACY以零級方式控釋(12 h時累積釋放量為78.1%).

圖4 納米纖維和原料的XRD圖Fig.4 XRD patterns of the nanofibers and the components

圖5 纖維F1和F2的體外藥物緩釋特征(n=6)Fig.5 In vitro drug sustained release profiles of nanofibers F1 and F2(n=6)

3 結(jié) 論

與單射流電紡相比，PAN稀溶液環(huán)流同軸電紡能夠制備出具有芯鞘結(jié)構(gòu)特征的納米纖維，并通過對載藥芯部進(jìn)行空白包裹，能有效地消除藥物ACY的初期爆釋效應(yīng)，獲得了良好的藥物零級控釋效果.由于“不可紡”的流體有很多種(如小分子溶液、聚合物稀溶液、懸浮液及乳液等)，因此，基于不可紡鞘液的改進(jìn)型同軸電紡能夠極大地提高電紡工藝的納米結(jié)構(gòu)制備能力，為開發(fā)更多的功能納米材料提供可能.

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(編輯:石 瑛)

Zero-Order Controlled Release Nanofibers Fabricated Using Coaxial Electrospinning with Polymer Dilute Solution as a Sheath Fluid

XUFangliang1， XU Ying2， YU Dengguang3
(1.Tianjin Bohai Chemical Industry Co.Ltd.，Tianjin 300452，China；2.School of Environment and Architecture，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；3.School of Materials Science and Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China)

The present study reports zero-order controlled release drug-loaded nanofibers fabricated using a modified coaxial electrospinning，in which a 2%(weight/volume)dilute solution of polyacrylonitrile(PAN)was exploited as a sheath fluid.With PAN and acyclovir(ACY)as the filament-forming matrix and active pharmaceutical ingredient，respectively，the prepared nanofibers are of linear morphologies and clear core-sheath structures，which were verified by electron microscopic observations.X-ray diffraction tests demonstrate that ACY presents in the PAN matrix in an amorphous status.In vitro dissolution tests show that near 80%of the contained ACY in the nanofibers is freed in a zero-order manner without initial burst effect.

coaxial electrospinning；core-sheath nanofibers；zero-order controlled release；polyacrylonitrile；sheath fluid

R 944；TQ 340.1

A

2014-01-15

國家自然科學(xué)基金資助項目(51373101)；上海市自然科學(xué)基金資助項目(13ZR1428900)；上海市教委科研創(chuàng)新重點資助項目(13ZZ113)

徐方亮(1966-)，男，工程師.研究方向:痕量分析.E-mail:xfl20030707@sina.com

余燈廣(1969-)，男，副研究員.研究方向:電流體動力學(xué).E-mail:ydg017@usst.edu.cn

1007-6735(2015)02-0165-04

10.13255/j.cnki.ju sst.2015.02.013