間歇式靜電紡絲制備納米纖維藥物控釋系統(tǒng)

母朝靜， 吳慶生

(1. 同濟(jì)大學(xué) 化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 200092； 2. 上海市化學(xué)品分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200092)

近年來(lái)，隨著藥物研究的深入、制劑工藝的進(jìn)步，藥物控制釋放越來(lái)越受到關(guān)注.藥物療效的發(fā)揮都有其有效的作用位置(一般稱(chēng)為病灶部位)，然而一般情況下在實(shí)際用藥的過(guò)程中并不能保證藥物一開(kāi)始就被送到病灶部位發(fā)生作用.但是，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的藥物制劑，可以通過(guò)一定的手段控制其在病灶部位釋放，即實(shí)現(xiàn)靶向給藥，成為“藥物導(dǎo)彈”[1-2].

一般方劑中，血藥濃度在服藥后都會(huì)上升至峰值，隨后下降并最終衰減至零.每種藥物都有其治療濃度范圍，濃度過(guò)低達(dá)不到療效，過(guò)高則會(huì)產(chǎn)生毒性.有的藥物作用于全身，目標(biāo)區(qū)域濃度較低；有的藥物雖然需要即時(shí)見(jiàn)效，但是藥物可能還沒(méi)有到達(dá)有效病灶部位已經(jīng)與其他部位的組織細(xì)胞發(fā)生作用了，如抗菌藥[3-5]；還有的藥物可能需要到達(dá)病灶部位后立即見(jiàn)效，但是還需要持續(xù)用藥并保持恒定的藥量才能確保控制疾病，而僅僅靶向持續(xù)給藥會(huì)造成血藥濃度過(guò)高產(chǎn)生毒性，如降壓藥[6-7]；有的藥物則需要到達(dá)病灶部位后緩慢發(fā)生作用以避免劇烈反應(yīng)引起的副作用，藥效持續(xù)上升達(dá)到一定效果后并長(zhǎng)時(shí)間保持恒定，而實(shí)際藥物往往在病灶部位的血藥濃度很快就下降了，如抗癌藥[2,8];諸如此類(lèi)藥物不僅療效欠佳，往往還有副作用.如果使用適當(dāng)?shù)乃幬锟蒯尲夹g(shù)，在用藥時(shí)就可以有針對(duì)性地控制藥物釋放的方式，以“對(duì)癥用藥”，發(fā)揮療效.這種以藥物使用劑量小、副作用降至最低、療效發(fā)揮最大為目的的藥物傳遞系統(tǒng)(drug delivery system)[9-10]近年來(lái)已經(jīng)得到了快速發(fā)展.

由于納米尺度下材料表現(xiàn)出的多種特性，將藥物制備成納米藥物或者用納米材料擔(dān)載藥物制備成納米藥物傳遞系統(tǒng)[11-13]，可以在用藥劑量、降低副作用、發(fā)揮最大療效等方面發(fā)揮明顯的作用.而作為需要保持活性的藥物在制備成藥劑時(shí)，需要選擇不會(huì)影響藥效的制備方法，條件溫和、簡(jiǎn)單方便、成本低廉是需要考慮的因素.靜電紡絲法因其設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低廉、操作便捷以及高效可行，已經(jīng)被視為制備納米藥物載體最有效的方法之一[14-16].這種方法可以將大多數(shù)常規(guī)藥物混合到電紡絲液中，而紡絲液一旦配制完成后，藥物一般不損失，也不會(huì)失去生物活性.納米纖維的特性使得所含藥物與周?chē)h(huán)境的接觸面積大大增加，許多原來(lái)難以被人體吸收的藥物，吸收效率大大提高.靜電紡絲雖然已經(jīng)比較成熟，但傳統(tǒng)方法制備的納米纖維很容易黏連成膜.本課題組經(jīng)過(guò)探索[17-18]，提出了間歇式靜電紡絲法，即通過(guò)控制紡絲過(guò)程，讓纖維一層一層平鋪，防止了黏連成膜的現(xiàn)象，這更有利于將其用作藥物載體.

一些具有較好控制釋放效果的合成高分子多具有生物毒性，許多藥劑的制備還要使用各種有毒的有機(jī)溶劑或經(jīng)歷有損生物活性的制藥過(guò)程.而作為“二次加工”制備藥物復(fù)合納米纖維控釋系統(tǒng)，以無(wú)毒的、具有很好的生物相容性和完全可生物降解的高分子作為載體材料無(wú)疑是上佳選擇.十多年來(lái)的研究表明，可生物降解的人工合成高分子在藥物控釋系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景，比如聚乳酸(PLLA)[19-20]、聚己內(nèi)酯(PCL)[21-23]、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)[24-25]、聚乙二醇(PEG)[26-27]等高分子化合物都是具有良好的生物降解性、生物相容性、無(wú)毒性或低毒性，可以作為重要的藥物載體或者添加劑使用，并且可溶于水或某種有機(jī)溶劑中，通過(guò)靜電紡絲制備納米纖維.PAN雖然具有生物毒性，但與其他聚合物通過(guò)混紡的方式可以達(dá)到改性的目的，有效地克服這一缺陷，具有較好的生物相容性，也常常用作生物醫(yī)用材料[28].

要達(dá)到“對(duì)癥下藥”的目的，就需要控制納米載藥體系的藥物釋放速度，而這個(gè)速度跟體系的降解方式和速度[29-30]有直接的關(guān)系.本文旨在通過(guò)間歇式靜電紡絲制備納米纖維，進(jìn)一步探討其性能，探索不同降解特征的載體體系，以期未來(lái)可以有選擇地應(yīng)用于不同給藥需求的藥物控釋系統(tǒng).為驗(yàn)證制備的納米纖維的控釋效果，選取了一種常見(jiàn)降壓藥硝苯地平進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn).

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

PCL，相對(duì)分子質(zhì)量為50 000； PVP，相對(duì)分子質(zhì)量為130 000；PEG，相對(duì)分子質(zhì)量為10 000； PAN，相對(duì)分子質(zhì)量為150 000；PLLA，相對(duì)分子質(zhì)量為150 000；N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，分析純；二氯甲烷，分析純；無(wú)水乙醇，分析純；NaCl，分析純；硝苯地平(Nifedipine，BR)、Ca(NO3)2，購(gòu)自上海國(guó)藥集團(tuán)有限公司；硝苯地平控釋片，藥店購(gòu)買(mǎi)，用于參比對(duì)照；透析袋(MD31，CE膜)，購(gòu)自斯百全(上海)有限公司；PBS緩沖溶液，實(shí)驗(yàn)室自制；去離子水.

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

磁性攪拌器；注射器；8號(hào)針頭(外徑8 mm)；高壓靜電發(fā)生器；靜電紡絲自動(dòng)進(jìn)樣裝置；靜電紡絲接收屏；S-4800高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM，Hitachi公司，日本)；紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(Agilent8453，美國(guó)安捷倫)；D8 X-射線衍射儀(XRD，Bruker公司，德國(guó))；Nicolet6700傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR，賽默飛世爾公司，美國(guó))；TG -DSC差熱分析儀STA409 PC(德國(guó)耐茨)；原子吸收光譜儀AAS3510(安捷倫).

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.3.1藥物載體高分子納米纖維制備

紡絲溶液的制備.將一定量的高分子材料(PCL、PAN-PEG、PVP、PLLA)在水浴加熱下，加入到一定量的溶劑(DMF、CH2Cl2、無(wú)水乙醇或去離子水)中，攪拌3～4 h后，制成均勻分散的高分子溶膠(質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍5%～20%，視不同高分子，范圍有所不同).

高壓靜電紡絲.將上一步分散均勻的高分子溶膠轉(zhuǎn)移到注射器中，注射器固定在自動(dòng)進(jìn)樣裝置上，并通過(guò)細(xì)導(dǎo)管與8號(hào)針頭連接，調(diào)節(jié)針頭到接收屏的距離(范圍為10～25 cm)；將高壓靜電發(fā)生器的兩極分別與針頭和接收屏連接(接地)，開(kāi)啟自動(dòng)進(jìn)樣裝置，設(shè)置好進(jìn)樣流量(范圍為0.5～3.0 mL·h-1)；接通高壓靜電發(fā)生器電源，調(diào)節(jié)合適的電壓(范圍為10～25 kV)，開(kāi)始觀察接收屏上纖維的沉積情況.所有實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行.接收樣品一定時(shí)間后結(jié)束實(shí)驗(yàn)，對(duì)收集到的納米纖維真空干燥48 h，以備后用.

1.3.2高分子納米纖維制備的條件參數(shù)

本文所制備的納米纖維涉及到的高分子材料包括PCL、PAN-PEG、PVP、PLLA，靜電紡絲過(guò)程中除了外界環(huán)境因素(包括室溫、濕度等)外，高分子溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、外加電壓、溶液流量、接收距離以及多組分溶液中不同組分的配比都會(huì)對(duì)所制備的產(chǎn)品的形貌、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)產(chǎn)生影響.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)不同條件參數(shù)的影響進(jìn)行了考察.條件參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1～4.

表1 靜電紡絲制備PCL納米纖維的不同條件參數(shù)Tab.1 Different conditions for PCL nanofiberpreparation by electrospun

注：溶劑為DMF；高分子占紡絲液總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%.

表2 靜電紡絲制備PVP納米纖維的不同條件參數(shù)Tab.2 Different conditions for PVP nanofiberpreparation by electrospun

注：溶劑為DMF；高分子占紡絲液總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%.

表3 混紡制備PAN-PEG納米纖維的不同條件參數(shù)Tab.3 Different conditions for PAN-PEG nanofiberpreparation by electrospun

注：溶劑為DMF/無(wú)水乙醇(體積比為1∶1); 高分子占紡絲液總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%.

表4 靜電紡絲制備PLLA納米纖維的不同條件參數(shù)Tab.4 Different conditions for PLLA nanofiberpreparation by electrospun

注：高分子占紡絲液總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%.

1.3.3高分子納米纖維的表征

在S-4800高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡下觀察所收集到的納米纖維的形態(tài).所有樣品掃描前通過(guò)噴金處理.標(biāo)尺測(cè)量后，計(jì)算納米纖維的平均直徑，并測(cè)算平均直徑的分布情況.

用X-射線衍射儀D8分析高分子材料粉末、空白高分子納米纖維的結(jié)構(gòu).X-射線衍射儀參數(shù)設(shè)置為：Cu/Ka輻射靶(λ=1.540 56×10-10m，40 kV，40mA)，2θ= 10°～70°，掃描速度0.2 s-1.

通過(guò)Nicolet6700傅里葉變換紅外光譜表征高分子材料和空白高分子納米纖維的分子結(jié)構(gòu).將高分子粉末與溴化鉀(KBr)混合壓片，納米纖維則剪碎后與KBr混合壓片，紅外掃描范圍波數(shù)為4 000～400 cm-1.

用TG-DSC差熱分析儀STA409PC對(duì)所制備的納米纖維進(jìn)行吸熱放熱的分析，升溫速率20 ℃·min-1，從20 ℃升溫至500 ℃，保溫2 min，再以10 ℃·min-1降至20 ℃.

1.3.4高分子納米纖維在不同溶液中的降解行為

前述4種高分子納米纖維(高分子總質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%，外加電壓20 kV，流量1.0 mL·h-1，接收距離15 cm，其中PAN-PEG選取質(zhì)量比為80∶20)各剪取6份1 cm×1 cm的纖維產(chǎn)品(質(zhì)量計(jì)為W0)，每小塊纖維氈用尼龍紗布(100～150目)包裹，以防止降解碎片分散到緩沖液中影響失重計(jì)算的準(zhǔn)確性.在每個(gè)樣品上墜上一個(gè)短玻璃棒，以防止樣品由于比表面積較大而漂浮到緩沖液面上.將每種纖維6份樣品放在一個(gè)裝有250 mL自制PBS緩沖液(pH = 7.4)的廣口瓶中，共分3組.將上述樣品放在一振蕩培養(yǎng)箱中，溫度保持在(37±0.1)℃，轉(zhuǎn)速為90 r·min-1.每隔一定時(shí)間，分別從3個(gè)廣口瓶中各取出一個(gè)樣品，用蒸餾水沖洗3次，然后用濾紙將樣品表面的水吸干，稱(chēng)重(質(zhì)量計(jì)為Ww).待樣品在室溫條件下干燥至恒重后再稱(chēng)重(質(zhì)量計(jì)為Wd).實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取3個(gè)樣品的平均值.樣品的吸水率和失重率分別為

吸水率 = (Ww-Wd)/Wd×100%

(1)

失重率 = (W0-Wd)/W0×100%

(2)

1.3.5硝苯地平控釋體系的構(gòu)建及體外釋放以及體外鈣離子拮抗效果模擬測(cè)定

通過(guò)前面的方法制備負(fù)載硝苯地平的納米載藥體系—Nifedipine@PAN-PEG納米纖維.

用UV-Vis分光光度計(jì)測(cè)定硝苯地平的標(biāo)準(zhǔn)曲線.取一定量硝苯地平配成PBS的標(biāo)準(zhǔn)溶液，質(zhì)量濃度分別為10、100、250、500、1 000 μg·mL-1，用UV-Vis分光光度計(jì)檢測(cè)吸光度.取所制備的Nifedipine@PAN-PEG納米纖維100 mg放置在緩釋溶液中，每隔一段時(shí)間取樣1 mL，用UV-Vis分光光度計(jì)檢測(cè)，同時(shí)向溶液中補(bǔ)入等體積的緩釋溶液PBS(pH=7.4).通過(guò)取樣測(cè)定，得到了Nifedipine@PAN-PEG納米纖維的釋放曲線.以空白PAN-PEG納米纖維作為對(duì)照組，進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)取平均值.

用Ca(NO3)2配制0.1 mol·L-1(16.4 mg·mL-1)的溶液250 mL.以透析袋模擬細(xì)胞膜，準(zhǔn)備4個(gè)透析袋，分別標(biāo)記為a、b、c、d，各取上述Ca(NO3)2溶液20 mL裝入透析袋中.樣品a直接密封放入盛有100 mL PBS緩沖溶液中，樣品b、c、d分別加入硝苯地平30 mg、硝苯地平控釋片一片(含硝苯地平30 mg)、前面實(shí)驗(yàn)中制備的Nifedipine@PAN-PEG一定量(其中含硝苯地平30 mg)；密封后分別放入盛有100 mL PBS緩沖溶液的燒杯中.每隔一段時(shí)間分別從4個(gè)燒杯中取樣1 mL(同時(shí)各補(bǔ)入PBS溶液1 mL)，加入1 mL的LaCl3，稀釋100倍，通過(guò)原子吸收光譜儀測(cè)定溶液中Ca2+的濃度，換算出每個(gè)燒杯溶液中的Ca2+的濃度.

2 結(jié)果與討論

2.1 高分子納米纖維的SEM形貌

圖1～4分別表示在不同條件參數(shù)調(diào)控下所制備的PCL納米纖維的SEM形貌.

圖1是調(diào)節(jié)外加電壓下所得的纖維產(chǎn)品.外加電壓較小時(shí)(10 kV)，因電壓對(duì)溶膠的拉伸力不夠，致使大部分沒(méi)有形成纖維，而是溶膠直接垂滴到接收屏上，形成一層高分子溶膠膜(圖1a)；隨著外加電壓的增加(15 kV)，納米纖維生成得還不夠穩(wěn)定，纖維的形貌也不規(guī)則，有些部分會(huì)累積團(tuán)聚(圖1b)；在外加電壓達(dá)到20 kV時(shí)，纖維穩(wěn)定沉積，纖維截面直徑比較均勻，整體形貌也較規(guī)則(圖1c)；當(dāng)繼續(xù)增大外加電壓時(shí)，由于拉伸力過(guò)大，使得外加電場(chǎng)中的部分溶膠在到達(dá)接收屏?xí)r，溶劑揮發(fā)不完全，雖然還是能夠看到大量的纖維存在，但纖維表面很快就被一層溶膠液滴覆蓋.

接收距離對(duì)纖維形貌的影響與外加電壓的影響趨勢(shì)比較相似：在接收距離過(guò)小時(shí)(10 cm)，由于大量液滴在電場(chǎng)力的作用下直接滴到接收屏上，形成一層膜，幾乎看不到成型的纖維(圖2a)；在接收距離為15 cm時(shí)，纖維沉積穩(wěn)定、形貌規(guī)則、直徑均勻(圖2b)；隨著接收距離的繼續(xù)增加，由于外加電壓不變，電場(chǎng)作用力減弱，纖維沉積逐漸不穩(wěn)定，平均直徑也漸趨增大(圖2c、2d).

a外加電壓為10kVb外加電壓為15kV

c外加電壓為20kVd外加電壓為25kV

圖1 不同外加電壓下得到的PCL納米纖維Fig.1 PCL nanofibers fabricated by electrospun atdifferent voltages

c接收距離為20cmd接收距離為25cm

圖2不同接收距離下得到的PCL納米纖維

Fig.2PCLnanofibersfabricatedbyelectrospunatdifferentdistances

從圖3中可以看出，通過(guò)調(diào)控紡絲溶液的流量，接收屏上沉積的纖維平均直徑逐漸增大，流量增加一倍后，由于液滴太大，溶劑揮發(fā)不完全，接收屏上的纖維出現(xiàn)嚴(yán)重的黏結(jié)現(xiàn)象.通過(guò)間歇式控制紡絲過(guò)程一定程度上可以緩解此現(xiàn)象.

a流量為0.5mL·h-1b流量為1.0mL·h-1

c流量為1.5mL·h-1d流量為2.0mL·h-1

圖3不同流量下靜電紡絲得到的PCL納米纖維

Fig.3PCLnanofibersfabricatedbyelectrospunatdifferentflowrates

從圖4中可以看出，隨著紡絲溶液中PCL的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，納米纖維平均直徑逐漸變大，沉積纖維的量逐漸變多.PCL質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時(shí)，雖整體纖維平均直徑較小，但分布不均勻；PCL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%左右時(shí)，纖維直徑分布均勻，紡絲過(guò)程穩(wěn)定；但PCL質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到15%以上后，紡絲液溶膠流動(dòng)性減小，除了增大了拉伸成纖維的難度，還會(huì)經(jīng)常發(fā)生針頭堵塞現(xiàn)象，靜電紡絲過(guò)程不連續(xù)，通過(guò)間歇式紡絲主動(dòng)控制，則可以避免這種情況的出現(xiàn).

從理論上說(shuō)，紡絲溶液中高分子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)靜電紡絲成型和效率的影響應(yīng)該是在一個(gè)合適的范圍內(nèi)，高分子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)太低和太高都會(huì)導(dǎo)致纖維不成形或者電紡絲設(shè)備發(fā)生故障的情況.為此，又對(duì)PVP質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)紡絲過(guò)程的影響進(jìn)行了考察，見(jiàn)圖5.從圖5中可以看出，PVP質(zhì)量分?jǐn)?shù)太小時(shí)，因?yàn)榧徑z溶液黏度太小，在電場(chǎng)力尚未將其拉伸成纖維時(shí)，液滴已經(jīng)直接滴到接收屏上了，幾乎沒(méi)有得到纖維(圖5a)；而PVP質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)大時(shí)(20%)，就會(huì)出現(xiàn)“過(guò)猶不及”的情況，紡絲溶液流動(dòng)性不夠，難以拉伸成纖維，接收屏上的纖維幾乎完全黏結(jié)，經(jīng)常導(dǎo)致靜電紡絲設(shè)備的故障.間歇式控制紡絲過(guò)程在這里也有一定效果.

aw(PCL)為5%bw(PCL)為8%

cw(PCL)為10%dw(PCL)為15%

圖4 不同PCL質(zhì)量分?jǐn)?shù)下得到的PCL納米纖維Fig.4 PCL nanofibers with different mass fractionsfabricated by electrospun

cw(PVP)為10%dw(PVP)為15%

圖5不同PVP質(zhì)量分?jǐn)?shù)下得到的PVP納米纖維

Fig.5PVPnanofiberswithdifferentmassfractionsfabricatedbyelectrospun

將兩種或兩種以上溶解性質(zhì)有別的高分子材料混紡制備納米纖維，預(yù)期可以有多種用途.通過(guò)調(diào)節(jié)混紡溶液中不同高分子的質(zhì)量比例，可以達(dá)到調(diào)控紡絲過(guò)程、調(diào)節(jié)纖維形貌并控制降解速率等目的.本文將PAN和PEG混合進(jìn)行靜電紡絲，探討PAN-PEG復(fù)合纖維的性質(zhì)和功能.從圖6可以看出，在高分子總質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變的情況下，隨著易溶的PEG的比例增大，所得纖維在一定范圍內(nèi)平均直徑漸小.但當(dāng)PEG比例繼續(xù)增大，混紡溶液黏度下降，紡絲不能成型，得不到纖維產(chǎn)品.

am(PAN)∶m(PEG)=100∶0bm(PAN)∶m(PEG)=80∶20

cm(PAN)∶m(PEG)=60∶40dm(PAN)∶m(PEG)=50∶50

e m(PAN)∶m(PEG)=40∶60圖6 不同配比下得到的PAN-PEG復(fù)合納米纖維

Fig.6PAN-PEGcompositenanofibersfabricatedbyelectrospunatdifferentratiosofPAN/PEG

在靜電紡絲過(guò)程中，溶劑的揮發(fā)速度對(duì)于纖維的成型有著重要影響，本文也就不同溶劑中高分子材料靜電紡絲得到納米纖維的情況進(jìn)行了考察，見(jiàn)圖7.從圖7中可以看出，隨著溶劑揮發(fā)性變佳，PLLA纖維成型容易，且形貌規(guī)整，但是纖維截面平均直徑也逐漸增大.隨著溶劑揮發(fā)速度的增加，PLLA纖維表面出現(xiàn)明顯的孔隙，PLLA纖維的這一特性使得其可以在需要靶向給藥后快速釋放.

2.2 高分子納米纖維的XRD圖譜解析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)原料高分子材料和每種靜電紡絲制備的納米(復(fù)合)纖維進(jìn)行了XRD表征.從圖8中可以看出，靜電紡絲制備的PCL纖維(a)保持了較好的晶體結(jié)構(gòu)，在2θ= 21.6°、24.0°處有明顯的結(jié)晶峰；PAN-PEG復(fù)合纖維(b)與原來(lái)的PAN粉末(c)相比較，其中PAN的XRD衍射峰較好地保持了原來(lái)的結(jié)晶構(gòu)型；PVP纖維(d)的結(jié)晶度有明顯的減弱，衍射峰明顯變寬；而PLLA纖維(e)呈比較明顯的彌散峰，為典型的無(wú)定形態(tài).

aDMFbEtOH

cV(DMF)∶V(CH2Cl2)=1∶1dCH2Cl2

圖7不同的溶劑下得到的表面帶孔隙的PLLA納米纖維

Fig.7PLLAnanofiberswithporesonthesurfacefabricatedbyelectrospunindifferentsolvents

a PCL纖維; b PAN-PEG復(fù)合纖維; c PAN粉末; d PVP纖維;e PLLA纖維

圖8高分子原料及納米纖維的XRD圖譜

Fig.8XRDspectraofpolymerandnanofibers

在常溫常壓下進(jìn)行靜電紡絲制備的納米纖維，晶型的變化不受過(guò)程影響，而是由高分子自身溶解或分散在紡絲液中所決定的.從結(jié)果推斷，PLLA和PVP是以大分子的形式溶解在溶劑中，在達(dá)到一定濃度后形成溶膠，在隨后的靜電紡絲過(guò)程中，液滴在靜電作用下被拉伸后，高分子以無(wú)定形分布在纖維中；而PAN和PCL則可能不是溶解在溶劑中，而是在外界條件作用下，分散到了溶劑中形成溶膠，所以在靜電拉伸作用下得到的納米纖維仍然較好地保持原來(lái)的晶體結(jié)構(gòu).這從側(cè)面反映了靜電紡絲過(guò)程對(duì)紡絲溶液中的成分影響甚微，也證明了靜電紡絲法制備納米纖維用作藥物控釋體系的優(yōu)勢(shì)所在.

2.3 高分子納米纖維的紅外光譜分析

圖9是靜電紡絲制備的納米纖維膜的紅外光譜圖.通過(guò)比對(duì)紅外標(biāo)準(zhǔn)譜圖，發(fā)現(xiàn)純物質(zhì)的高分子納米纖維與各自粉末、膜或者液體的紅外峰基本一致，說(shuō)明在靜電紡絲過(guò)程中，高分子的分子結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生明顯的變化.其中PAN-PEG(c)復(fù)合纖維與PAN(b)標(biāo)準(zhǔn)紅外譜圖對(duì)比，在指紋區(qū)吸收峰有比較大的變化，說(shuō)明PEG的加入對(duì)PAN的分子結(jié)構(gòu)有影響.

a PCL纖維; b PAN粉末; c PAN-PEG復(fù)合纖維; d PEG -10000粉末; e PVP纖維; f PLLA纖維

圖9高分子原料及納米纖維的FT-IR光譜圖

Fig.9FT-IRspectraofpolymerandnanofibers

2.4 高分子納米纖維的DSC分析

圖10是前述幾種高分子納米纖維和粉末的DSC曲線.除PAN與PEG混紡制備了兩種高分子的復(fù)合納米纖維，其他高分子均為純物質(zhì)紡絲，所得

a PCL纖維; b PAN-PEG復(fù)合纖維; c PAN粉末; d PVP纖維;e PLLA纖維

圖10高分子原料及納米纖維的DSC曲線

Fig.10DSCcurveofpolymerandnanofibers

的納米纖維的熱學(xué)性能與高分子原料相近.與PAN相比較，PAN-PEG復(fù)合纖維在187 ℃左右有一個(gè)明顯的吸熱峰，說(shuō)明PEG在其中影響了復(fù)合纖維的吸熱過(guò)程.

2.5 高分子納米纖維在不同溶液中的降解行為

圖11為PCL、PAN-PEG(80∶20)、PVP、PLLA靜電紡絲(復(fù)合)納米纖維在自制PBS溶液(pH=7.4)中降解的吸水率.

圖11 PBS溶液中納米纖維吸水率Fig.11 Water-absorption of nanofibers in PBS solution

從圖11可以看出，幾種高分子納米纖維在PBS溶液中的吸水率差別較大，印證了各自的分子結(jié)構(gòu)情況.PCL纖維吸水很少，說(shuō)明PCL結(jié)晶性較好，不易水解；PAN-PEG(80∶20)復(fù)合纖維吸水率隨時(shí)間逐漸增大，盡管PAN在纖維中也有很好的結(jié)晶性，但由于復(fù)合纖維中PEG易溶于水，對(duì)水的吸附增大，又因?yàn)镻EG質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為20%，纖維并沒(méi)有快速水解；在紡絲過(guò)程中結(jié)晶性不好的PVP納米纖維，因其極易水解，所以在PBS溶液中，PVP纖維一開(kāi)始吸水率快速上升，僅4 h后，PVP纖維就完全水解；在靜電紡絲成納米纖維的過(guò)程中，PLLA結(jié)晶性下降，呈無(wú)定形狀態(tài)，雖然在PBS溶液中，PLLA不易溶于水，但吸水率隨時(shí)間增加也逐漸增大，這可以從PLLA纖維的形貌特征給出解釋?zhuān)篜LLA納米纖維有很大的比表面積，表面分布著大量多孔結(jié)構(gòu)，能夠吸入水分子，PLLA纖維浸入PBS溶液后，水分子被大量吸入，表現(xiàn)為吸水率漸趨增大.

圖12為PCL、PAN-PEG(80∶20)、PVP、PLLA靜電紡絲(復(fù)合)納米纖維在自制PBS溶液(pH=7.4)中降解的失重率.

從圖12可以看出，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，纖維的失重率也逐漸增加，也即是纖維在PBS溶液中降解的量逐漸增加，兩者基本上呈線性關(guān)系；但不同的高分子納米纖維的失重速率差異很大，對(duì)應(yīng)了不同纖維在PBS溶液中的降解速度的差異.圖12顯示PCL纖維在PBS溶液中失重曲線的斜率一開(kāi)始較小，PCL纖維緩慢而穩(wěn)定地降解；隨著時(shí)間推移，斜率有漸增的趨勢(shì)；隨著在溶液中浸泡的時(shí)間增長(zhǎng)，PCL的降解會(huì)逐漸加快.PAN-PEG復(fù)合纖維在PBS溶液中的失重曲線斜率一開(kāi)始較大，但隨著時(shí)間增長(zhǎng)漸漸減小，這是由于復(fù)合纖維中PEG易溶于水，PEG的快速溶解導(dǎo)致了纖維的失重率增加較快；隨著時(shí)間推進(jìn)，纖維中PEG的量下降，水解緩慢的PAN起到了主導(dǎo)作用，纖維的失重率增速較小.極易溶于水的PVP，因其大量吸水，逐漸變?yōu)槿苣z，在溶液的量較大時(shí)，溶膠很快就溶解在外界溶劑中，導(dǎo)致PVP纖維膜快速失重，大概4～5 h左右，PVP纖維膜完全溶解“消失”.而PLLA纖維雖然不易溶于水，由于高比表面積，大大增加了纖維與緩沖液的接觸面積，吸水率較大，從而加快了它的降解速度，相對(duì)于PCL纖維，降解較快，失重率增速穩(wěn)定.這說(shuō)明PLLA在PBS溶液中降解穩(wěn)定.

圖12 納米纖維在PBS溶液中浸泡后的失重率Fig.12 Weight-loss of nanofibers after soaking inPBS solution

2.6 Nifedipine@PANPEG體外釋放和載藥效率

測(cè)量Nifedipine在PBS緩沖溶液中配成的不同質(zhì)量濃度的溶液隨時(shí)間變化的吸光度，得到Nifedipine在PBS溶液中的紫外吸收標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖13所示.標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為

y= 0.000 8x+ 0.002 6

(3)

圖13 硝苯地平在PBS緩沖液中的UV-Vis吸收標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.13 UV-Vis absorption standard curve ofnifedipine in PBS

剪取Nifedipine@PAN-PEG復(fù)合納米纖維一定量(100 mg)放入100 mL的PBS緩沖溶液中，記錄隨時(shí)間變化的紫外吸光度.根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線得到的方程(3)，可以計(jì)算得到不同時(shí)間PBS溶液中Nifedipine的濃度，從而得到復(fù)合納米纖維Nifedipine@PAN-PEG的釋放曲線，見(jiàn)圖14，其中每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)代表3次實(shí)驗(yàn)的平均值.

圖14 Nifedipine@PANPEG在PBS緩沖液中的釋放曲線Fig.14 Release curve of Nifedipine@PAN-PEG in PBS

從圖14可以看出，Nifedipine@PAN-PEG復(fù)合納米纖維在PBS中的釋放沒(méi)有出現(xiàn)“突釋”現(xiàn)象，但一開(kāi)始就有部分硝苯地平被檢測(cè)到，說(shuō)明硝苯地平在復(fù)合纖維表面也有分布，通過(guò)擴(kuò)散直接進(jìn)入溶液中.隨著時(shí)間推移，剛開(kāi)始的數(shù)小時(shí)內(nèi)，釋放曲線斜率較大，說(shuō)明釋放速率較快.PAN-PEG復(fù)合纖維由于PEG易溶于水，隨著PEG的快速水解，硝苯地平隨著PEG水解快速釋放.當(dāng)PEG水解完全后，硝苯地平釋放速率有所下降并保持恒定地釋放，持續(xù)24 h以上.這對(duì)于硝苯地平在抗高血壓臨床應(yīng)用上有積極意義，可以持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地保持血壓平衡.繼續(xù)檢測(cè)硝苯地平釋放情況直到累積釋放量不變時(shí)，可以計(jì)算出產(chǎn)品的包封率達(dá)到96.27%.

2.7 Nifedipine@PANPEG體外鈣離子拮抗效果

以透析袋模擬細(xì)胞膜，在體外模擬表征Nifedipine@PAN-PEG復(fù)合納米纖維鈣離子拮抗效應(yīng)的效果，盡管這與體內(nèi)環(huán)境有很大差異，但仍有一定的實(shí)驗(yàn)意義.體外模擬鈣離子拮抗實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖15所示.從模擬實(shí)驗(yàn)看到，在沒(méi)有加入硝苯地平時(shí)，鈣離子從透析袋中通過(guò)滲透通過(guò)半透膜進(jìn)入袋外溶液中，大約2 h后，袋內(nèi)外鈣離子就達(dá)到平衡，即鈣離子透過(guò)率達(dá)到50%.直接將硝苯地平粉末加入透析袋中，一開(kāi)始對(duì)抑制鈣離子的通過(guò)作用明顯(1 h后鈣離子透過(guò)率為12.5%)；而加入硝苯地平控釋片的組，1 h后鈣離子透過(guò)率為18.9%，這是因?yàn)榭蒯屍鈱犹且氯芙庑枰欢〞r(shí)間，一開(kāi)始釋放硝苯地平的量較少；而Nifedipine@PAN-PEG加入后1 h時(shí),鈣離子的透過(guò)率為14.6%，與原藥接近，這與前述Nifedipine@PAN-PEG復(fù)合納米纖維的藥物釋放結(jié)果一致，因?yàn)镻EG的溶解，硝苯地平一開(kāi)始就能釋放出來(lái)一定的量，對(duì)鈣離子的透過(guò)有抑制.接著，原藥組的鈣離子透過(guò)率迅速上升，很快(約再過(guò)2 h)就達(dá)到最大，這可能是因?yàn)樵谝种柒}離子通過(guò)的同時(shí)，原藥也有通過(guò)半透膜進(jìn)入透析袋外溶液中或者原藥在溶液中分解，使得抑制鈣離子的作用下降.而對(duì)應(yīng)的控釋片組，隨著外層糖衣的溶解，鈣離子拮抗效果明顯增強(qiáng)，并且可以達(dá)到一定時(shí)間的持續(xù)，約可以保持8 h，但如果糖衣溶解完后，硝苯地平控釋片的藥效也會(huì)達(dá)到極限；而載藥復(fù)合納米纖維由于可以長(zhǎng)效穩(wěn)定釋放硝苯地平，對(duì)鈣離子透過(guò)率的抑制作用持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間，長(zhǎng)達(dá)1 d，這對(duì)于抗高血壓藥的用藥有著十分重要的意義.

圖15 鈣離子拮抗體外模擬效果Fig.15 Calcium ion antagonism in vitro

3 結(jié)論

對(duì)幾種高分子材料納米纖維的降解性能研究?jī)H僅是考察了體外PBS緩沖液中的模擬情況，如果應(yīng)用于臨床時(shí)，藥物載體進(jìn)入體內(nèi)后還會(huì)由相應(yīng)的蛋白酶控制著這些材料的降解，所以高分子材料在體內(nèi)的降解情況要復(fù)雜得多，有的高分子的降解與體外模擬情況不盡相同.近些年，大量的研究者都致力于將納米纖維作為醫(yī)用材料，包括人工組織、藥物載體、傷護(hù)材料等.而作為藥物載體的納米纖維，其生物可降解性是必須考慮的，所以需要選擇可降解、易降解的材料.通過(guò)體外模擬實(shí)驗(yàn)考察各種高分子納米纖維的降解行為，發(fā)現(xiàn)降解的過(guò)程和方式形式多樣，千差萬(wàn)別.

納米材料醫(yī)用主要方向是靶向治療技術(shù)和藥物載體，而藥物載體也致力于各種靶向控制和控制釋放.而很多藥物因其在實(shí)際用藥過(guò)程中，常常發(fā)生尚未達(dá)到病灶部位就已經(jīng)與其他細(xì)胞發(fā)生反應(yīng)，藥物失效、產(chǎn)生副作用或者用藥低效等問(wèn)題，所以對(duì)藥物載體有著較高的要求.不同的藥物，其發(fā)生作用的方式、用藥發(fā)生藥效的需求等不同，對(duì)載體的要求也就不同，也就是要通過(guò)對(duì)載體控制來(lái)達(dá)到控制藥效的目的.由于不同的高分子材料有不同的降解方式，合理利用這一特性，通過(guò)制備可控降解的高分子納米纖維作為藥物載體，用以擔(dān)載不同釋藥需求的藥物.

本文利用靜電紡絲技術(shù)，分別以幾種高分子材料(PLLA、PCL、PVP、PAN、PEG)單獨(dú)或其中兩種不同配比來(lái)構(gòu)建納米纖維.特別針對(duì)紡絲過(guò)程中容易出現(xiàn)的黏連現(xiàn)象，通過(guò)間歇式對(duì)過(guò)程進(jìn)行控制，有效避免了這種現(xiàn)象.對(duì)構(gòu)建的納米纖維進(jìn)行形貌、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)等表征，初步探討不同納米纖維的降解行為，分析如何利用不同降解行為，通過(guò)“對(duì)癥下藥”，以選擇合適的體系作為可控降解的載體擔(dān)載不同的藥物，構(gòu)建載藥復(fù)合納米纖維.

考慮到抗高血壓藥需要到達(dá)病灶部位后立即見(jiàn)效，又需要持續(xù)用藥并保持恒定的藥量才能確?？刂萍膊。闹羞€以常見(jiàn)降壓藥硝苯地平為例，采用PAN-PEG作為載體材料，擔(dān)載硝苯地平制備了Nifedipine@PAN-PEG，對(duì)其體外釋藥性能進(jìn)行了考察，并模擬考察了其鈣離子拮抗效果，達(dá)到了預(yù)期的可控降解，進(jìn)而可以對(duì)癥用藥.

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