共混與同軸靜電紡載藥納米纖維的制備、表征及比較*

崔 靜,邱玉宇，盧杭詣，聶清欣，魏取福

(江南大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫214122)

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共混與同軸靜電紡載藥納米纖維的制備、表征及比較*

崔 靜,邱玉宇，盧杭詣，聶清欣，魏取福

(江南大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫214122)

采用共混和同軸靜電紡制備了負(fù)載鹽酸四環(huán)素藥物的聚乙烯醇-苯乙烯吡啶鹽(PVA-SbQ)/玉米醇溶蛋白(Zein)復(fù)合納米纖維，在紫外光照射下得到光交聯(lián)載藥PVA-SbQ/Zein復(fù)合納米纖維。利用掃描電鏡(SEM)對不同纖維的形貌和直徑分布進(jìn)行了分析；采用透射電鏡(TEM)對不同靜電紡絲法制備的納米纖維結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察和比較；強(qiáng)力測試表明同軸靜電紡絲制備的納米纖維力學(xué)性能更強(qiáng)；傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)曲線表明載藥PVA-SbQ/Zein復(fù)合納米纖維保持了原有的化學(xué)功能基團(tuán)；最后比較了兩種方法制備的載藥納米纖維膜的藥物釋放行為。

靜電紡絲；聚乙烯醇-苯乙烯吡啶鹽；玉米醇溶蛋白；載藥納米纖維

0 引 言

隨著人類社會(huì)的發(fā)展，人們對醫(yī)療藥品方面的要求也日益增長，而傳統(tǒng)給藥方式的問題和缺點(diǎn)如藥物利用率低、血藥濃度不穩(wěn)定、給藥頻繁等也逐漸表現(xiàn)出來。近年來，通過靜電紡絲制備的載藥納米纖維因其小尺寸效應(yīng)、多功能性、高效性等特性，受到了廣泛的關(guān)注[1]。納米纖維在載藥以及藥物緩釋方面具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢[2]。具有生物相容性的納米纖維在結(jié)構(gòu)上可以模仿人體細(xì)胞外基質(zhì)(EMC)，避免排異反應(yīng)[3]；納米纖維本身的尺寸小，較高的孔隙率、極大的比表面積，使得納米纖維作為良好的藥物載體，能讓藥物更易被人體吸收[4]；靜電紡納米纖維載藥不破壞藥物的活性，能很好地包載藥物；在制備紡絲液和靜電紡過程中，藥物能夠以無定形的形式均勻地分散在納米纖維中，有利于藥物的平緩釋放和吸收利用[5]。另外，基于傳統(tǒng)靜電紡絲基礎(chǔ)上發(fā)展起來的同軸靜電紡技術(shù)，為藥物的包載和緩釋提供了更好的載體結(jié)構(gòu)，同軸靜電紡可以制備具有皮芯結(jié)構(gòu)的納米纖維，將藥物包載在纖維的內(nèi)層，既能很好地貯存藥物，保持藥物活性，又有利于緩解藥物的突釋現(xiàn)象[6]。

玉米醇溶蛋白作為天然高分子，具有很好的生物相容性和生物可降解性，成膜性、抗菌性良好[7]，十分適合用來構(gòu)建生物材料，用于緩釋的藥物載體等[2]，且其來源廣泛，成本低。此外，玉米醇溶蛋白對紫外線具有一定的抵抗能力，經(jīng)紫外照射處理后，玉米醇溶蛋白的強(qiáng)力得到一定增強(qiáng)[8]。聚乙烯醇-苯乙烯基吡啶鹽縮合物(PVA-SbQ)，具有較高的感光性能，在大于300 nm的紫外光照射下，SbQ基團(tuán)就會(huì)發(fā)生光二聚反應(yīng)，形成具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚合物[9]，與Zein混紡可以提高纖維的力學(xué)性能。我們在前期對靜電紡制備Zein/PVA-SbQ復(fù)合納米纖維進(jìn)行了初步研究[10]，但將其作為一種載體負(fù)載藥物的研究還未見報(bào)道。

本文以玉米醇溶蛋白和聚乙烯醇-苯乙烯吡啶鹽為原料，以藥物鹽酸四環(huán)素為模型，采用共混和同軸靜電紡制備不同結(jié)構(gòu)的PVA-SbQ/Zein載藥納米纖維，并對不同纖維的表面形貌和直徑分布、強(qiáng)力性能、結(jié)構(gòu)、藥物釋放行為進(jìn)行一系列的表征與比較，有望將其應(yīng)用于藥物控釋、創(chuàng)傷敷料等領(lǐng)域。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑與主要儀器

玉米醇溶蛋白(Zein)，Mw=35 000，Sigma-Aldrich (St. Louis, MO) Company；冰乙酸，分析純(AR)，上海申翔化學(xué)試劑有限公司；聚乙烯醇-苯乙烯吡啶鹽(PVA-SbQ)，168-H型，上海光毅印刷器材科技有限公司；鹽酸四環(huán)素(tetracycline hydrochloride，TCH)，分析標(biāo)準(zhǔn)品(USP)，阿拉丁試劑有限公司。

AL204型電子天平，Mettler Toledo公司；85-2A數(shù)顯測速恒溫磁力攪拌器，江蘇金壇榮華儀器制造有限公司；自制靜電紡絲裝置；同軸靜電紡絲裝置，深圳市通力微納科技有限公司；DZF-6210真空干燥箱，南京沃環(huán)科技實(shí)業(yè)有限公司；XQ350-500光催化儀，上海藍(lán)晟電子有限公司；SU1510掃描電子顯微鏡SEM，日本日立公司HITACHI；JEM-2100型透射電子顯微鏡 (TEM)，日本JEOL公司；MP0涂鍍層測厚儀，德國Fiscfer公司；KDⅡ-0.05微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，深圳凱強(qiáng)利實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；NiCOLET iS10 FT-IR傅里葉紅外變換光譜儀，賽黙飛世爾科技(中國)有限公司；TGA/1100SF熱重分析儀，梅特勒-托利多國際貿(mào)易(上海)有限公司。

1.2 共混靜電紡載藥納米纖維膜的制備

將m(PVA-SbQ)/m(Zein)為1∶1的混合體系4 g加入到12 g冰乙酸中，常溫下攪拌1 h后加入藥物鹽酸四環(huán)素0.5 g，制得負(fù)載藥物的PVA-SbQ/Zein前驅(qū)體溶液。將前驅(qū)體溶液倒入20 mL帶針頭的注射器內(nèi)，針頭內(nèi)徑為1 mm，常溫下進(jìn)行靜電紡絲，滾筒轉(zhuǎn)速200 r/min，紡絲條件為電壓15 kV，速度1 mL/h，接收距離20 cm[10]。

1.3 同軸靜電紡載藥納米纖維膜的制備

將m(PVA-SbQ)/m(Zein)為1∶1的混合體系4 g加入到12 g冰乙酸中，常溫下攪拌2 h，制得PVA-SbQ/Zein前驅(qū)體溶液作為同軸紡的外層溶液；將藥物鹽酸四環(huán)素0.5 g溶解于10 mL無水乙醇溶液中，常溫下攪拌1 h，制得鹽酸四環(huán)素前驅(qū)體溶液作為同軸紡的芯層溶液。分別將外層和芯層溶液倒入帶有同軸針頭的注射器中，針頭內(nèi)外層直徑分別為0.51和0.81 mm，常溫下進(jìn)行同軸靜電紡絲，滾筒轉(zhuǎn)速200 r/min，紡絲條件為電壓15 kV，芯層速度0.5 mL/h，外層速度1 mL/h，接收距離20 cm。

紡絲結(jié)束后將所有樣品在60 ℃下干燥12 h，即得到共混和同軸紡PVA-SbQ/Zein載藥納米纖維膜，然后將纖維膜于功率為400 W的紫外燈下照射2 h得到光交聯(lián)復(fù)合納米纖維膜，用于各種測試表征。

1.4 樣品表征

采用SEM、TEM分別對不同紡絲方法制備的PVA-SbQ/Zein載藥納米纖維膜的表面形貌和直徑分布、結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察和分析。使用微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)對纖維膜的強(qiáng)度進(jìn)行了測試。用FT-IR對PVA-SbQ/Zein載藥納米纖維進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。用紫外分光光度計(jì)對載藥納米纖維膜的藥物釋放行為進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 同軸靜電紡絲裝置

靜電紡絲結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(a)所示，紡絲過程照片及針頭如圖1(b)所示。同軸靜電紡絲時(shí)，對于芯層溶液不一定要求其具有可紡性，但是外層溶液很重要，一定要有較好的可紡性才能形成皮芯結(jié)構(gòu)的納米纖維。皮芯結(jié)構(gòu)納米纖維由溶液性質(zhì)和紡絲參數(shù)等共同決定的。一般來說，噴絲頭的直徑與溶液流速有很大關(guān)系，而與溶液特性關(guān)系較小，相關(guān)關(guān)系如式(1)所示[11]

D～Qt1/2(kγ)-1/6

(1)

其中，D為噴絲頭直徑，Qt為靜電紡絲溶液流速，γ為溶液的表面張力，k是溶液的導(dǎo)電性，同軸靜電紡絲中Qt是由芯層流速和外層流速共同決定的，在本文實(shí)驗(yàn)中，針頭外直徑和內(nèi)直徑分別為0.81和0.51 mm。

圖1 同軸靜電紡絲結(jié)構(gòu)示意圖和紡絲過程照片

2.2 掃描電鏡(SEM)分析

如圖2為靜電紡納米纖維膜的掃描電鏡，圖2(a)和(d)分別為共混靜電紡未載藥PVA-SbQ/Zein納米纖維的掃描電鏡與直徑分布圖，可以看出，納米纖維平均直徑為(345±59) nm(表1所示)，纖維表面光滑，沒有串珠，在此基礎(chǔ)上負(fù)載藥物鹽酸四環(huán)素得到共混靜電紡載藥PVA-SbQ/Zein納米纖維如圖2(b)所示，纖維表面更光滑平整，纖維平均直徑變大約為(765±21) nm，這可能是由于負(fù)載藥物后紡絲液的粘度和電導(dǎo)率改變導(dǎo)致的。采用同軸靜電紡制備的以藥物為芯層聚合物為外層的載藥PVA-SbQ/Zein納米纖維如圖2(c)所示，圖中可以看出纖維直徑更大，甚至達(dá)到微米級，而且纖維不均率很高，這可能是由于噴絲頭端芯外層復(fù)合液滴被牽伸時(shí)不穩(wěn)定造成的。

表1 不同PVA-SbQ/Zein復(fù)合納米纖維的平均纖維直徑和直徑分布

Table 1 Average fiber diameter and diameter distribution of different PVA-SbQ/Zein composite nanofibers

SampleAveragediameter/nmDiameterdistribution/nma345±59160～585b765±21450～990c980±225560～1870

2.3 透射電鏡(TEM)

圖3(a)和(b)分別為共混靜電紡和同軸靜電紡載藥納米纖維的透射電鏡圖，從圖3(a)中可以看出藥物已均勻分散在聚合物中，滿足了靜電紡納米纖維可以均勻載藥的優(yōu)點(diǎn)。

圖2 共混靜電紡未載藥、載藥和同軸靜電紡載藥PVA-SbQ/Zein納米纖維的掃描電鏡與直徑分布圖

圖3 共混靜電紡和同軸靜電紡載藥PVA-SbQ/Zein納米纖維的透射電鏡圖

Fig 3 TEM of electrospun and coaxial electrospun drug-loaded PVA-SbQ/Zein nanofibers

圖3(b)是同軸靜電紡載藥納米纖維，圖中可以看到明顯的皮芯結(jié)構(gòu)，藥物鹽酸四環(huán)素為芯層，PVA-SbQ/Zein聚合物為外層。

2.4 紅外光譜(FT-IR)分析

各原料的相容性對制備高性能和高穩(wěn)定性載藥納米纖維是很重要的，二階相互作用譬如靜電吸附作用力、氫鍵結(jié)合力、疏水作用力將會(huì)提高其相容性，這可以從紅外光譜中分析得出，如圖4所示。

圖4 鹽酸四環(huán)素，Zein，PVA-SbQ與共混靜電紡載藥，同軸靜電紡載藥復(fù)合納米纖維紅外光譜圖

Fig 4 FT-IR spectra of TCH, Zein, PVA-SbQ, electrospun and coaxial electrospun TCH-loaded PVA-SbQ/Zein composite ultrafine fibers

2.5 力學(xué)性能測試分析

纖維的力學(xué)性能表征通過斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率來體現(xiàn)[8]，如圖5所示，同軸靜電紡載藥納米纖維膜的斷裂強(qiáng)度約為8.52 MPa，優(yōu)于共混靜電紡載藥納米纖維膜，這可能是因?yàn)橥S靜電紡納米纖維平均直徑較大，纖維不易拉斷從而導(dǎo)致斷裂強(qiáng)度較大。同軸靜電紡納米纖維膜的斷裂伸長率也大于共混靜電紡纖維膜，這可能是由于同軸靜電紡納米纖維直徑分布范圍較廣，在被拉伸時(shí)不同直徑的纖維可以承受不同的力后斷裂，使得斷裂伸長率增大。

圖5 不同質(zhì)量比的Zein/PVA-SbQ樣品的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率

Fig 5 Tensilestrength and elongation at break of different mass ratio of Zein and PVA-SbQ

2.6 鹽酸四環(huán)素標(biāo)準(zhǔn)曲線

圖6為鹽酸四環(huán)素在溫度為37.4 ℃、pH值=7.4的磷酸緩沖液中的標(biāo)準(zhǔn)曲線，線性方程為C=0.03094A-0.0135(R2=0.99993)，C為TCH的濃度(mg/L)，A為360 nm下的吸光度值。

圖6 鹽酸四環(huán)素在PBS中標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.7 藥物釋放行為

圖7為共混和同軸靜電紡載藥納米纖維膜藥物釋放曲線，在1 h內(nèi)，共混靜電紡載藥納米纖維膜藥物釋放量達(dá)到62.3%，且在3 h后藥物釋放量趨于平衡，累積釋放比為68.2%，而同軸靜電紡載藥納米纖維膜1 h的藥物釋放量僅為21.2%，12 h后藥物釋放量趨于平衡，累積釋放比為58.1%。通過比較可以得出，同軸靜電紡載藥納米纖維更能起到藥物緩釋的效果，這可能是由于藥物包覆在芯層，水分子需先滲透進(jìn)入納米纖維再溶解藥物分子，從而起到緩釋的效果。

圖7 共混和同軸靜電紡載藥納米纖維藥物釋放行為

Fig 7 In vitro drug release profiles of the single spinneret nanofibers and core-sheath nanofibers

3 結(jié) 論

采用共混和同軸靜電紡絲制備負(fù)載藥物鹽酸四環(huán)素的PVA-SbQ/Zein復(fù)合納米纖維膜。SEM可觀察到復(fù)合納米纖維的形貌和平均直徑。紅外結(jié)果顯示，兩種載藥納米膜中藥物和聚合物材料成功地發(fā)生了共混。力學(xué)性能測試說明同軸靜電紡復(fù)合納米纖維力學(xué)性能更佳。藥物釋放行為比較可以得出同軸靜電紡載藥PVA-SbQ/Zein納米纖維藥物緩釋效果更好，該復(fù)合納米纖維在藥物緩釋和創(chuàng)傷敷料等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

[1] Hu X, Liu S, Zhou G, et al. Electrospinning of polymeric nanofibers for drug delivery applications [J]. Journal of Controlled Release, 2014, 185:12-21.

[2] Hamori M, Yoshimatsu S, Hukuchi Y, et al. Preparation and pharmaceutical evaluation of nano-fiber matrix supported drug delivery system using the solvent-based electrospinning method [J]. International Journal of Pharmaceutics, 2014, 464(1-2): 243-251.

[3] Vasita R, Katti D S. Nanofibers and their applications in tissue engineering [J]. International Journal of Nanomedicine, 2006, 1(1):15-30.

[4] Matthews J A, Wnek G E, Simpson D G, et al. Electrospinning of collagen nanofibers [J]. Biomacromolecules, 2002, 3(2): 232-238.

[5] Liu S J, Kau Y C, Chou C Y, et al. Electrospun PLGA/collagen nanofibrous membrane as early-stage wound dressing [J]. Journal of Membrane Science, 2010, 355(1-2): 53-59.

[6] Wang C, Yan K W, Lin Y D, et al. Biodegradable core/shell fibers by coaxial electrospinning: processing, fiber characterization, and its application in sustained drug release [J]. Macromolecules, 2010, 43 (15): 6389-6397.

[7] Jiang Q，Reddy N，Yang Y. Cytocompatible cross-linking of electrospun zein fibers for the development of water-stable tissue engineering scaffolds [J]. Acta Biomaterialia，2010，6(10)： 4042-4051.

[8] Yangchao L, Thomas T Y, Zi T, et al. Encapsulation of indole-3-carbinol and 3, 3’-diindolylmethane in zein/carboxymethyl chitosan nanoparticles with controlled release property and improved stability [J]. Food Chemistry, 2013, 139(1): 224-230.

[9] Tao Y H, Xu J, Chen M Q, et al. Core cross-linked hyaluronan-styrylpyridinium micelles as a novel carrier for paclitaxel [J]. Carbohydrate Polymer, 2012, 88(1): 118-124.

[10] Cui Jing, Dong Jiancheng, Wei Qufu, et al. Preparation and performance study of cross -linked Zein/PVA-SbQ composite nanofibers spun by electrospinning [J]. Journal of Functional Materials,2015,46(10): 10062-10065.

崔 靜，董建成，魏取福，等. 光交聯(lián)Zein/PVA-SbQ復(fù)合納米纖維的制備及表征[J]. 功能材料，2015，46(10)：10062-10065.

[11] López-Herrera J M, Barrer A, López A, et al. Coaxial jets generated from electrified Taylor cones [J]. Journal of Aerosol Science, 2003, 34(5): 535-552.

[12] Kenawy E R, Bowlin G L, Mansfield K, et al. Release of tetracycline hydrochloride from electrospun poly(ethylene-co-vinylacetate), poly(lactic acid), and a blend [J]. Journal of Controlled Release, 2002, 81(1-2):57-64.

Preparation, performance and comparison of co-electrospun and coaxial-electrospun drug-loaded PVA-SbQ/Zein composite nanofibers

CUI Jing， QIU Yuyu, LU Hangyi, NIE Qingxin, WEI Qufu

(Key Laboratory of Eco-Textiles of Ministry of Education,Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

Drug tetracycline hydrochloride (TCH)-loaded PVA-SbQ/Zein composite nanofibers were fabricated by co-electrospinning and coaxial-electrospinning, respectively. Then the nanofibers were irradiated under UV light to get the cross-linked ones. The morphologies and diameter distributions of drug-loaded PVA-SbQ/Zein composite nanofibers were observed by SEM. TEM was used to compare the structure of the two kind of nanofibers. The strength test showed that the tensile strength of coaxial-electrospun nanofibers was better than the co-electrospun ones. The spectra of FT-IR indicated that composite nanofibers maintained their own original functional groups. Finally, the drug release behavior of drug-loaded nanofibers prepared with two methods was compared.

electrospinning; PVA-SbQ；zein；drug-loaded nanofibers

1001-9731(2016)04-04055-05

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51203064)

2015-06-04

2015-09-01 通訊作者：魏取福，E-mail: qfwei@jiangnan.edu.cn

崔 靜 (1991-)，女，山東淄博人，在讀碩士，師承魏取福教授，研究方向?yàn)楣δ芗徔棽牧稀?/p>

TQ342.94

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.04.011