靜電紡絲制備聚乙烯醇/納米纖維素復(fù)合纖維及以其作載體的釋藥性能

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(1． 福建工程學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，福建 福州 350118； 2．高分子材料及制品福建省高校重點實驗室，福建 福州 350118)

1 前 言

藥物釋放體系使用過程中藥物釋放的高效性和安全性等問題已成為研究者關(guān)注的熱點。其中高分子聚合物或脂質(zhì)體作為藥物釋放體系在臨床試驗上已被廣泛使用[1]。高分子材料在藥物釋放體系中具有重要地位，這是由于脂質(zhì)體藥物釋放體系結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，而高分子藥物釋放體系具有結(jié)構(gòu)可控性優(yōu)點。根據(jù)劑型結(jié)構(gòu)的不同, 高分子藥物釋放體系可分為微膠囊、微?；蚣{米粒、電紡納米纖維以及水凝膠等。由于靜電紡絲技術(shù)設(shè)備操作方便，可利用的材料種類繁多，易制備復(fù)合纖維支架，且能夠通過簡單的改變其工藝參數(shù)、材料組成等方法達(dá)到控制藥物釋放速率和藥物釋放量的目的，使靜電紡絲技術(shù)作為一種簡單制備納米纖維藥物釋放體系的方法而被研究者們廣泛關(guān)注[2-6]。

纖維素是一種含量豐富的可再生天然高分子材料，可以從植物和動物中獲取，同時采用纖維素在酸中水解可以獲得NC。由于NC具有較高的比表面積和結(jié)晶度，較低的成本，優(yōu)良的機(jī)械性能，良好的生物降解性和生物相容性等優(yōu)點，使其已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)、食品等領(lǐng)域[7-8]。但由于NC分子中氫鍵的大量存在，使得NC較難溶于普通溶劑，不能單獨采用靜電紡絲技術(shù)制備纖維。PVA是一種無味，無毒且具有良好成纖能力的水溶性高分子材料[9]。但由于其具有較高的親水性能，使制備獲得的PVA藥物載體具有較快的藥物釋放速率。為了在提高NC可紡性的同時，降低PVA的親水性能，達(dá)到降低藥物載體的藥物釋放速率的目的，本文采用靜電紡絲技術(shù)制備PVA/NC、PVA/NC/氨芐西林鈉復(fù)合纖維, 研究藥物含量、材料配比對復(fù)合纖維形態(tài)、親水性能和藥物釋放速率的影響。

2 實 驗

2.1 原料

PVA粉末(型號2488，醇解度88%)；NC(型號LY100)，其直徑為100～200nm，長度為100～500nm。磷酸緩沖鹽(PBS)粉末；氨芐西林鈉粉末。

2.2 靜電紡絲溶液的配制

首先，將0.06g NC放入30mL去離子水，超聲震蕩30min后獲得0.2%(w/v，g/mL)NC均勻懸浮溶液；其次，稱取2g PVA溶于20mL去離子水，在80℃恒溫水浴中攪拌6h，得到10%(w/v)的PVA均勻紡絲液；最后，將10% PVA與0.2% NC溶液分別以體積比為9/1、8/2、7/3的配比振蕩混合，得到不同材料配比的PVA/NC均勻混合紡絲液；另外，稱取不同量的氨芐西林鈉加入體積比為8/2的PVA/NC混合紡絲液振蕩2h，分別制得藥物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、1%和2%(w藥物/wPVA/NC)的載藥混合溶液。

2.3 復(fù)合纖維的制備

首先，將5mL均勻紡絲溶液裝入注射器內(nèi)，將其安裝在SN-50微量注射泵上，注射器出口連接內(nèi)徑為0.8mm的針頭；其次，采用聚四氟乙烯管將注射器內(nèi)的紡絲液連接到紡絲針頭，且其連接高壓發(fā)生裝置；最后采用鋁箔紙覆蓋的接地平板電極作為纖維的接收裝置。注射器的進(jìn)給速度為0.3mL/h。為了研究紡絲電壓和收集距離對PVA/NC復(fù)合纖維形態(tài)的影響，本文電壓分別取10、14和18kV，收集距離分別取10、13和15cm。紡絲針頭為23G(外徑=0.6mm、內(nèi)徑=0.3mm)，紡絲溫度控制為50℃。相對濕度為40%左右。

2.4 復(fù)合纖維的微觀形貌分析

利用S-3400N型SEM觀察復(fù)合纖維表面形態(tài)，電子束電壓為5kV，觀察前樣品噴金處理40s。采用Nano Measure圖片處理軟件統(tǒng)計復(fù)合纖維直徑分布和平均直徑。

2.5 復(fù)合纖維親水性測試

采用SL200B型接觸角測試儀測定PVA/NC復(fù)合纖維表面潤濕性能(親水性)。利用30μL去離子水液滴進(jìn)行測量，當(dāng)液滴滴落到復(fù)合纖維表面并穩(wěn)定后采用高速攝像機(jī)進(jìn)行拍攝，并通過軟件計算出其接觸角數(shù)值。每個樣品測試5次，求其平均值。

2.6 藥物釋放實驗

利用一定量的去離子水溶解PBS粉末，將其配制為濃度0.1mol/L，PH 7.4的緩沖溶液；分別稱量一定量的氨芐西林鈉溶于上述PBS溶液，分別配制藥物含量為1.6、3.2、6.4、8.0、12.8μg/mL的氨芐西林鈉標(biāo)定溶液，在氨芐西林鈉最大吸收波長209nm處測定其吸光度，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

取不同藥物含量的PVA/NC/氨芐西林鈉復(fù)合纖維，裁剪成1×1cm試樣，并測量其質(zhì)量W0，分別置于裝有10mL PBS溶液的玻璃瓶內(nèi)，將其放于37℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)，在規(guī)定的時間內(nèi)取出10mL釋放液，并加入等量的PBS緩沖液繼續(xù)釋放藥物，用紫外分光光度計在209nm波長處測試釋放液的吸光度。利用藥物標(biāo)準(zhǔn)曲線方程計算藥物釋放濃度及釋藥量，并計算累計釋藥百分率并作累計釋藥曲線。同時，通過復(fù)合纖維累計釋放的總藥量W藥和復(fù)合纖維質(zhì)量W0，計算復(fù)合纖維實際載藥量。

3 結(jié)果與分析

3.1 材料配比對復(fù)合纖維形態(tài)的影響

圖1是不同材料配比下PVA/NC復(fù)合纖維的SEM形貌圖和直徑分布圖。由圖可知，三種配比下均獲得了形態(tài)良好的復(fù)合纖維，其直徑分布范圍為100～400nm，均勻性良好。隨著NC含量降低，復(fù)合纖維直徑分布的均勻性降低，且平均直徑增加。這是由于隨著NC含量的降低，混合溶液黏度增加，使溶液射流在電場中的分化能力降低，導(dǎo)致其在電場力的作用下較難被完全拉伸，從而復(fù)合纖維平均直徑增加，直徑分布均勻性降低[10]。本文采用NDJ數(shù)顯黏度計分別測得10% PVA及PVA/NC為9∶1、8∶2、7∶3的混合溶液黏度為245、221、213和196mPa·S。

3.2 紡絲電壓對復(fù)合纖維形態(tài)的影響

圖2給出了不同電壓下制備的PVA/NC復(fù)合纖維SEM圖和直徑分布圖。由圖可知，隨著紡絲電壓的升高，PVA/NC復(fù)合纖維直徑分布的均勻性提高，且平均直徑降低。這主要是由于紡絲電壓的升高導(dǎo)致高分子溶液射流表面的電荷密度增大，同時電荷之間的相互排斥力增強(qiáng)使纖維易于分化，從而使復(fù)合纖維直徑降低[11]。

圖1 不同材料配比下PVA/NC復(fù)合纖維SEM形貌圖(a,b,c)和相應(yīng)的直徑分布圖(d,e,f)[PVA/NC=9/1(a,d), 8/2(b,e), 7/3(c,f)，紡絲電壓14kV，收集距離13cm]Fig.1 SEM images (a,b,c) and diameter distribution (d,e,f) of PVA/NC composite fiber under different material proportion: PVA/NC=9/1(a,d), 8/2(b,e), 7/3(c,f), voltage=14kV, collected distance=13cm

圖2 不同紡絲電壓下制得的PVA/NC復(fù)合纖維SEM形貌圖(a,b,c)和相應(yīng)的直徑分布圖(d,e,f)[紡絲電壓=10kV (a, d), 14kV (b,e), 18kV (c, f), PVA/NC體積比8/2，收集距離15cm]Fig.2 SEM images (a, b, c) and diameter distribution (d, e, f) of PVA/NC composite fiber under different electrospinning voltage of 10kV (a, d), 14kV (b,e), 18kV (c, f) [PVA/NC=8/2, collected distance=15cm]

3.3 收集距離對復(fù)合纖維形態(tài)的影響

圖3給出了不同收集距離下制備的PVA/NC復(fù)合纖維SEM圖和直徑分布圖。由圖可知，當(dāng)收集距離較小(如10cm)時，PVA/NC復(fù)合纖維之間出現(xiàn)較嚴(yán)重的粘結(jié)現(xiàn)象，且纖維直徑分布均勻性較差，這是由于當(dāng)收集距離較小時，制備獲得的復(fù)合纖維在電場中被拉伸的時間較短，紡絲溶劑沒有足夠的時間揮發(fā)，從而導(dǎo)致纖維之間的粘結(jié)現(xiàn)象。隨著收集距離的增大，復(fù)合纖維粘結(jié)現(xiàn)象消失，這是因為隨著收集距離增大，復(fù)合纖維被拉伸和溶劑揮發(fā)的時間增加，使復(fù)合纖維得到了充分拉伸，且溶劑得到了充分揮發(fā)，從而使粘結(jié)現(xiàn)象消失[10]。值得注意的是，隨著收集距離的增加，復(fù)合纖維平均直徑先降低后增大，直徑分布均勻性先增加后降低。例如，收集距離從10cm增大至13cm時，復(fù)合纖維平均直徑減小，這是因為隨收集距離增加，溶劑揮發(fā)路徑和揮發(fā)時間增大，使纖維分化環(huán)境變優(yōu)，且高分子射流體在電場中被拉伸的時間增大，從而導(dǎo)致復(fù)合纖維平均直徑減小。相反，當(dāng)收集距離從13cm增大至15cm時，復(fù)合纖維平均直徑由0.24μm增大至0.29μm，這是由于溶劑在合適的路徑內(nèi)得到充分揮發(fā)后，獲得凝固定型的復(fù)合纖維，再增加纖維拉伸和溶劑揮發(fā)時間對復(fù)合纖維的直徑不再產(chǎn)生明顯的影響。同時，由電場強(qiáng)度=電壓/距離可以看出，當(dāng)電壓恒定時，增加紡絲距離將使電場強(qiáng)度降低，使纖維分化能力降低。因此，收集距離的進(jìn)一步增加反而會使纖維平均直徑增加，直徑分布均勻性降低[12]。

圖3 不同收集距離下制備的PVA/NC復(fù)合纖維SEM形貌圖(a,b,c)和相應(yīng)的直徑分布圖(d,e,f)[收集距離=10cm (a, d), 13cm (b, e), 15cm (c, f), PVA/NC體積比8/2，紡絲電壓14kV]Fig.3 SEM images (a, b, c) and diameter distribution (d, e, f) of PVA/NC composite fiber under different collected distance of 10cm (a, d), 13cm (b, e), 15cm (c, f). [ PVA/NC=8/2, voltage=14kV]

3.4 PVA/NC復(fù)合纖維的親水性能

圖4給出了不同材料配比下PVA/NC復(fù)合纖維膜的水接觸角值。由圖可知，隨NC含量增加，復(fù)合纖維膜水接觸角從25°增加至57°。這主要是由于PVA分子鏈中含有大量的羥基導(dǎo)致其為可溶于水的高分子材料，具有較好的親水性能，NC的加入，降低了復(fù)合纖維的親水性能[7]，因此可以通過簡單的調(diào)節(jié)PVA/NC材料配比來控制復(fù)合纖維的親水性能。

3.5 PVA/NC/氨芐西林鈉復(fù)合纖維形態(tài)及釋藥性能

圖5為不同藥物含量下PVA/NC/氨芐西林鈉復(fù)合纖維的SEM圖和直徑分布圖(PVA/NC體積比8/2，紡絲電壓14kV，收集距離13cm)。由圖可知，隨氨芐西林鈉含量增加，復(fù)合纖維平均直徑增大，直徑分布均勻性降低且表面出現(xiàn)粘結(jié)現(xiàn)象。這是因為藥物含量增加，使復(fù)合纖維內(nèi)部包裹的氨芐西林鈉藥物增多，從而復(fù)合纖維平均直徑增大，比表面積降低，復(fù)合纖維表面溶劑揮發(fā)速率變慢，溶劑揮發(fā)不完全，導(dǎo)致復(fù)合纖維表面出現(xiàn)部分粘結(jié)現(xiàn)象。

圖4 不同材料配比下制備的PVA/NC 復(fù)合材料水接觸角Fig.4 Water contact angles of the PVA/NC composite fiber under different material proportion

圖5 不同藥物含量PVA/NC/氨芐西林鈉復(fù)合纖維的SEM圖(a,b,c)和相應(yīng)的直徑分布圖(d,e,f)[藥物含量=0.5%(a, d), 1% (b, e), 2% (c, f)]Fig.5 SEM images (a, b, c) and diameter distribution (d, e, f) of PVA/NC/ampicillin sodium composite fiber under different drug content of 0.5% (a, d), 1%(b, e), 2% (c, f)

圖6為不同藥物含量下PVA/NC/氨芐西林鈉復(fù)合纖維的藥物釋放曲線。

圖6 不同藥物含量下PVA/NC/氨芐西林鈉復(fù)合纖維的藥物釋放曲線Fig.6 Drug release curves of PVA/NC/ampicillin sodium composite fiber under different drug contents.

由圖6可見，在藥物釋放初期，載藥復(fù)合纖維膜體出現(xiàn)較快的藥物釋放速率，處于藥物突釋階段，這是因為親水性藥物具有較高的離子能，在靜電紡絲過程中較易吸附于復(fù)合纖維表面，因此，釋藥初期產(chǎn)生較快的藥物釋放速率。隨著藥物釋放時間的增加，復(fù)合纖維表面的藥物釋放完畢后，復(fù)合纖維內(nèi)部藥物逐漸被釋放，但緩沖溶液浸入纖維內(nèi)部和藥物向外擴(kuò)散的時間較長，導(dǎo)致藥物釋放后期具有較慢的釋放速率。通過計算獲得不同藥物含量即投藥量為0.5%，1%，2%下，復(fù)合纖維的實際載藥量分別為0.36%，0.52%和0.98%。由圖6可知，隨載藥量降低，復(fù)合纖維藥物釋放速率增大，這是因為當(dāng)載藥量較低時，由SEM圖可知復(fù)合纖維平均直徑較小，比表面積較大，使緩沖溶液較易浸入復(fù)合纖維內(nèi)部，且表面藥物含量較多，因此使其藥物釋放速率增大[13]。

4 結(jié) 論

采用靜電紡絲技術(shù)制備了PVA/NC載藥復(fù)合纖維，研究了材料配比、紡絲電壓和收集距離對PVA/NC復(fù)合纖維形態(tài)、直徑分布和平均直徑的影響。探討了材料配比對復(fù)合纖維親水性能影響，并分析了氨芐西林鈉含量對PVA/NC載藥復(fù)合纖維膜形態(tài)和藥物釋放速率的影響。結(jié)果表明：隨著NC含量增加，PVA/NC復(fù)合纖維直徑降低，直徑分布均勻性增加，親水性降低；PVA/NC/氨芐西林鈉載藥復(fù)合纖維膜在藥物釋放初期具有較快的釋放速率，且藥物含量越少，其復(fù)合纖維直徑越小，比表面積越大，表面藥物含量越多，導(dǎo)致其藥物釋放速率越大。