靜電紡絲技術(shù)包埋姜黃素研究進(jìn)展

鄧伶俐

（湖北民族大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 生物資源保護(hù)與利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 超輕彈性體材料綠色制造國家民委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北恩施 445000）

靜電紡絲技術(shù)是一種簡(jiǎn)單易操作的用于制備納米級(jí)和微米級(jí)納米纖維的技術(shù)，最早于1934年被Anton[1]提出。越來越多的研究者將靜電紡絲應(yīng)用到不同的領(lǐng)域，比如組織工程[2]、能源儲(chǔ)存轉(zhuǎn)換[3]、食品包裝[4]、藥物載運(yùn)釋放[5]、催化[6]、傳感器[7]和過濾[8]等。食品領(lǐng)域主要將靜電紡絲（電紡）納米纖維應(yīng)用于生物活性物質(zhì)（如姜黃素）包埋載運(yùn)，進(jìn)而應(yīng)用于食品活性包裝[9]。姜黃素是一種提取于姜科、天南星科植物根莖中的二酮類化合物，可作為一種食品天然色素（圖1）。其最主要的姜黃素類化合物（curcuminoid），約占姜黃色素的70%，約為姜黃的3%～6%。其中姜黃素（curcumin）是主要的活性物質(zhì)，已有研究表明姜黃素具有良好的抗氧化性、抑菌性、抗炎性、抗腫瘤、抗病毒等效果。但是由于姜黃素水溶性差，因此其生物利用度不高，因此許多研究通過包埋的方式以提升其在食品體系的溶解性[10]。靜電紡絲技術(shù)作為一種微納米載運(yùn)體系的制備技術(shù)也被許多研究者應(yīng)用于姜黃素載運(yùn)緩釋，并且可以提升姜黃素在體內(nèi)和體外的生物利用度。本文綜述利用靜電紡絲技術(shù)包埋姜黃素的相關(guān)研究。

圖1 姜黃（左），姜黃素商品（中），姜黃素化學(xué)結(jié)構(gòu)（右）Fig.1 Turmeric （left），curcumin powder （medium），chemical structure of curcumin （right）

1 靜電紡絲概述

靜電紡絲（Electrospinning）技術(shù)，是指利用靜電作用力將高分子聚合物轉(zhuǎn)變成微納米級(jí)超細(xì)纖維的一種技術(shù)。圖2所示為實(shí)驗(yàn)室最普遍的溶液靜電紡絲設(shè)備，主要包括高壓電源、流量泵、注射器及針頭、接收端。在直流高壓靜電場(chǎng)下，當(dāng)高聚物溶液以一定流速被擠出注射器針頭，針尖液滴會(huì)向最近的低電勢(shì)點(diǎn)方向伸展，從而形成泰勒錐（Taylor Cone）結(jié)構(gòu)。當(dāng)電場(chǎng)產(chǎn)生的靜電作用力克服泰勒錐尖端液滴的表面張力時(shí)，就會(huì)噴射出一股帶電高聚物的細(xì)流。受靜電作用力、庫倫斥力、表面張力、流體黏彈力等影響，帶電射流進(jìn)一步加速拉伸并呈螺旋擺動(dòng)，使得溶劑快速揮發(fā)，高分子聚合物從而形成連續(xù)超細(xì)纖維形態(tài)，被收集于接收端上。

圖2 靜電紡絲設(shè)備示意圖Fig.2 Illustration of the electrospinning set up

影響靜電紡絲納米纖維形成的參數(shù)主要有以下幾個(gè)方面：1）溶液參數(shù)；2）電紡過程參數(shù)；3）環(huán)境參數(shù)。溶液參數(shù)主要包括高分子相對(duì)分子質(zhì)量、溶液濃度和黏度、溶劑種類和溶液導(dǎo)電能力。通常高分子的分子質(zhì)量越大或者黏度越高越有利于納米纖維的形成，但是分子質(zhì)量過大和黏度過高易導(dǎo)致纖維直徑增大，甚至擠出困難而電紡不成功。不同溶劑的組合能夠改變聚合物分子鏈溶脹和纏結(jié)狀態(tài)，從而對(duì)靜電紡絲纖維形貌產(chǎn)生影響。改變?nèi)芤旱碾妼?dǎo)率對(duì)電紡的影響是兩方面的，一方面是改變了庫侖力，另一方面改變了靜電作用力。電紡工藝參數(shù)方面包括電紡電壓、流速和針尖接收距離等參數(shù)。通常針對(duì)某一特定溶液超過某個(gè)臨界電壓即能夠形成泰勒錐，隨著電壓增加纖維直徑通常會(huì)降低。合適的流速對(duì)于納米纖維的形成至關(guān)重要，流速過小不足以形成泰勒錐，流速過大又容易形成液滴堆積。環(huán)境參數(shù)方面，溫度的升高對(duì)電紡過程最直接的影響是降低了高分子溶液的黏度，加速分子的運(yùn)動(dòng)，有利于降低納米纖維的直徑，這一點(diǎn)對(duì)于實(shí)現(xiàn)天然高分子水溶液的靜電紡絲十分有利。越來越多的研究發(fā)現(xiàn)濕度對(duì)于控制納米纖維形成過程中的固化和牽伸也十分重要。

通過靜電紡絲能夠得到各種形態(tài)的納米纖維，最常見的為無序的纖維狀，通過改變參數(shù)和設(shè)備的組件（圖3）也可以形成多孔狀、定向型、蛛網(wǎng)狀、樹狀等形態(tài)的納米纖維。通過核殼結(jié)構(gòu)的針頭能夠獲得核殼納米纖維，將姜黃素包埋于納米纖維中，實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的釋放。通過氣流輔助的針頭可以實(shí)現(xiàn)超細(xì)納米纖維的制備并提高產(chǎn)率。常規(guī)的納米纖維的針尖接收距離在5～25 cm，當(dāng)針尖接收距離減小到500 μm～5 cm 之間為近場(chǎng)靜電紡絲。近場(chǎng)靜電紡絲的過程中避免了溶液噴射后的鞭動(dòng)運(yùn)動(dòng)，從而能夠獲得直寫式的結(jié)構(gòu)效果，做到靜電紡絲和3D 打印的結(jié)合。靜電溶吹技術(shù)是利用較大針尖接收距離的一種方式，可以達(dá)到80～100 cm[11-12]，通過氣流輔助電紡溶液的揮發(fā)及提高電紡的產(chǎn)率。姜黃素納米纖維制備的相關(guān)研究大部分采用的是溶液靜電紡絲的方式，接收端為平板或者接地轉(zhuǎn)鼓。

圖3 靜電紡絲設(shè)備分類Fig.3 The classifications of electrospinning set ups

2 靜電噴霧包埋姜黃素

靜電噴霧技術(shù)與靜電紡絲過程類似，通過改變靜電紡絲參數(shù)，如降低高分子濃度，形成納米顆粒的過程。通過靜電噴霧得到的納米顆?？梢员苊馊鐕婌F干燥過程中的高溫條件，保留生物活性物質(zhì)的功能，并且達(dá)到較高的包封率。表1列舉了近年利用靜電噴霧技術(shù)制備納米顆粒包埋姜黃素的研究，其包封率都在85%以上，甚至有的研究報(bào)道接近100%。姜黃素的添加量一般為相比于干物質(zhì)的5%～15%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）之間。靜電噴霧得到的姜黃素納米顆粒直徑在微米級(jí)。

表1 通過靜電噴霧技術(shù)制備姜黃素納米顆粒相關(guān)研究Table 1 Relevant researches about fabrication of curcumin nano-particles by electro-spraying

3 姜黃素納米纖維

3.1 電紡方式

制備姜黃素納米纖維的方式可主要分為混合電紡、核殼電紡和乳液電紡的方式（圖4）?；旌想娂徥侵苯訉⒔S素溶解于電紡溶液中，進(jìn)行靜電紡絲得到含姜黃素的納米纖維。核殼電紡是將姜黃素溶解于電紡芯層溶液中，通過核殼電紡即可得到姜黃素分布于芯層的納米纖維。Aytac 等[18]以聚乳酸溶液為殼層，環(huán)狀糊精溶液為芯層，姜黃素包封于芯層中進(jìn)行靜電紡絲，所得到的納米纖維表現(xiàn)出良好的水溶性和緩釋效果。乳液電紡是近年新型的一種電紡方式，通過在電紡溶液中制備油包水或者水包油乳液實(shí)現(xiàn)親水或疏水功能性成分的載運(yùn)，通過控制電紡參數(shù)還可能得到核殼結(jié)構(gòu)的納米纖維[19]。如Deng 等[20]利用陰離子型、陽離子型和非離子型表面活性劑包埋姜黃素后溶解于明膠溶液中進(jìn)行電紡，增加了姜黃素的溶解性，有利于其功能性的表達(dá)。

圖4 含姜黃素納米纖維制備方式：混合電紡、核殼電紡、乳液電紡Fig.4 Various methods to fabricate curcumin encapsulated nanofibers：hybrid，core-shell，and emulsion electrospinning

3.2 電紡原料

3.2.1 合成高分子 表2為利用合成高分子制備姜黃素納米纖維的相關(guān)研究的電紡方式，納米纖維平均直徑及其應(yīng)用方向。主要應(yīng)用于姜黃素包埋的合成高分子材料有聚己內(nèi)酯（PCL）、聚氧乙烯（PEO）、聚乳酸（PLA）、聚乙二醇（PEG）、聚羥基乙酸（PLGA）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）。通過合成高分子制備得到的姜黃素納米纖維具有相對(duì)較好的機(jī)械性能，因此大多應(yīng)用于組織工程領(lǐng)域，起到愈傷修復(fù)、抗腫瘤、抗炎等效果。

表2 合成高分子-姜黃素納米纖維制備相關(guān)研究Table 2 Relevant researches about fabrication of curcumin encapsulated synthetic polymer nanofibers

3.2.2 天然高分子 表3列舉了利用天然高分子或者天然高分子/合成高分子混合體系包埋姜黃素的納米纖維直徑、包封率和潛在應(yīng)用。蛋白類主要有明膠、玉米醇溶蛋白、絲素蛋白等，多糖類主要由乙基纖維素、殼聚糖、透明質(zhì)酸、海藻酸鈉、黃芪膠等。已有研究中測(cè)得的姜黃素包封率大都超過90%，理論上來說靜電紡絲的過程是一個(gè)無物質(zhì)損耗的過程，即使制備過程中有液滴損耗也不會(huì)改變固形物的比例，因此研究中出現(xiàn)的包封率的差異也可以歸因于包封率測(cè)定方法的不同。有的研究者會(huì)將納米纖維先進(jìn)行沖洗，將附著于纖維表面的姜黃素去除掉再進(jìn)行包封率測(cè)定，因此得到相對(duì)較低的包封率值。

表3 天然高分子-姜黃素納米纖維制備相關(guān)研究Table 3 Relevant researches about fabrication of curcumin encapsulated biopolymer nanofibers

（續(xù)表3）

4 姜黃素納米纖維應(yīng)用

4.1 緩釋體系

通過靜電紡絲技術(shù)將姜黃素包埋后所要達(dá)到的主要目的是緩釋，主要分為體外緩釋和體內(nèi)緩釋。將姜黃素的抑菌和抗氧化功能賦予某些包裝材料后，緩釋的效果能夠使其在較長的時(shí)間發(fā)揮功效。體內(nèi)釋放分為食品體系和藥品體系。當(dāng)姜黃素作為一種功能性成分被食用時(shí)，緩釋的效果能夠使其最大限度的達(dá)到小腸以被吸收，甚至到達(dá)大腸起到腸道菌群調(diào)節(jié)的作用。當(dāng)姜黃素作為一種藥品時(shí)，緩釋效果能夠使其靶向到達(dá)要作用的位點(diǎn)，起到抗炎、抗腫瘤的效果。

4.2 組織工程

姜黃素由于具有抗炎、抗腫瘤和抗凝血等功效被廣泛研究應(yīng)用于愈傷敷料和組織工程支架制備。Chen 等[74]發(fā)現(xiàn)PLA/姜黃素納米纖維膜延長了血液凝固時(shí)間，并且隨著姜黃素濃度的提高血液凝固時(shí)間延長?？鼓钚缘牟牧嫌欣谔嵘M織工程血管移植成功的機(jī)會(huì)。Ramalingam 等[24]制備了含姜黃素的聚（二羥基乙基甲基丙烯酸酯）納米纖維，表現(xiàn)出對(duì)耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）和超廣譜B 內(nèi)酰胺酶（ESBL）的抑菌性，可作為多種耐藥菌引起的傳染病傷口愈合的貼劑。

4.3 活性包裝

活性包裝是指在傳統(tǒng)包裝中添加抗氧化劑、抑菌劑、指示劑等，使得包裝具有抑菌抗氧化、吸濕、緩釋香氣、吸收異味等功能特性。靜電紡絲是制備活性包裝極具前景的一種技術(shù)。納米纖維能夠?yàn)榘b提供納米級(jí)的反應(yīng)空間，巨大的比表面積能夠大幅提高感應(yīng)物質(zhì)的精度和速率。姜黃素作為一種既具有抗氧化性又具有抑菌性的分子具有應(yīng)用于食品活性包裝的潛力。Yilmaz 等[52]制備了玉米醇溶蛋白/姜黃素納米纖維膜并將其直接電紡到接種了灰霉和擴(kuò)展青霉的蘋果上，發(fā)現(xiàn)玉米醇溶蛋白/姜黃素能夠顯著延緩蘋果的腐爛。

4.4 微納米傳感器

姜黃素的結(jié)構(gòu)在酸性和堿性環(huán)境下會(huì)發(fā)生酮和烯醇式互變異構(gòu)。其在酸性條件下呈黃色，堿性條件下呈紅色，因此可以作為pH 指示劑和金屬絡(luò)合劑。姜黃素對(duì)鐵離子有非常好的結(jié)合能力，被Saithongdee 等[46]應(yīng)用于制備鐵離子濃度測(cè)定試紙。其研究結(jié)果表明，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的姜黃素/玉米醇溶蛋白制備的膜在pH 值為2 的溶液中進(jìn)行Fe3+的測(cè)定，顯示出良好的顏色變化，且無明顯干擾。其光學(xué)檢測(cè)限為0.4 mg/L，低于飲用水的最大可接受濃度。Raj 等[51]制備了乙基纖維素/姜黃素納米纖維膜用于水體中鉛離子的檢測(cè)，具有線性的色度變化。

5 結(jié)論與展望

已有的大量研究將姜黃素包埋于各種不同的高分子納米纖維體系中，研究了納米纖維膜物理化學(xué)性質(zhì)的差異，對(duì)其抑菌性、抗氧化性、抗炎效果等進(jìn)行了表征。通過改變納米纖維的組成成分、形態(tài)結(jié)構(gòu)和成分間的交聯(lián)狀態(tài)能夠改變其包埋的姜黃素的釋放行為及功能發(fā)揮。但是大部分的研究僅限于體外的生物活性測(cè)試。針對(duì)納米纖維膜包埋功能性成分的體內(nèi)研究也相對(duì)較少，因此探究姜黃素納米纖維在體內(nèi)的代謝過程及其生物利用率是未來的發(fā)展方向。