利用乳液靜電紡絲法制備具有穩(wěn)定芯殼結構的PLGA/DEX 電紡纖維

王倩茜， 王凱戎， 龔雨薇， 張華林

（寧夏醫(yī)科大學口腔醫(yī)學院，銀川 750004）

藥物遞送系統(tǒng)是將生物活性物質和各種載體材料結合起來用以靶向輸送藥物的系統(tǒng)，此方法既可以保持生長因子的穩(wěn)定性，又能夠很好地控制藥物釋放，因此其在藥物控釋、緩釋等領域具有較好應用前景[1]。傳統(tǒng)的溶液靜電紡絲技術制備的納米纖維通常是單軸結構，采用這種方法制備的載藥納米纖維在釋放初期容易產生藥物突釋的現象。而且當搭載物為生物活性大分子時，由于聚合物溶液會直接與生物活性大分子接觸，會對其分子結構造成破壞，從而破壞蛋白的生物活性[2]，乳液靜電紡絲技術能夠很好地克服這些不足。乳液靜電紡絲技術與傳統(tǒng)的溶液靜電紡絲技術的原理類似，區(qū)別在于用乳液取代之前所用的均一透明的紡絲溶液來進行靜電紡絲，就可以制備出具有穩(wěn)定芯殼結構的電紡纖維[3]。根據連續(xù)相和分散相不同，乳液可分為油包水型乳液（W/O）和水包油型乳液（O/W）兩種類型。油包水型乳液可將水溶性的生物活性大分子或藥物包裹在纖維的芯層，在電紡前及電紡過程中，藥物或活性因子等一直位于纖維的芯層而未與殼層的有機溶劑接觸，這樣藥物就可以避免受到外界環(huán)境和有機溶劑的影響而失去活性。這種包覆結構還避免了傳統(tǒng)的溶液靜電紡絲帶來的藥物分散不均和突釋等問題[4-6]。本研究將聚乳酸-羥基乙酸共聚物［poly（lactic-co-glycolic acid）PLGA］作為殼層、葡聚糖（dextran，DEX）作為芯層，通過改變油相溶劑的成分、水相溶液的濃度以及水油體積比來調整乳液水相與油相間的相容性、黏度比以及界面張力，以制備具有穩(wěn)定芯殼結構的電紡纖維并優(yōu)化相關的工藝參數，為利用乳液靜電紡絲法制備以PLGA/DEX 為載體的載藥纖維膜奠定實驗基礎。

1 材料與方法

1.1 試劑

PLGA（PLA∶PGA = 75∶25，濟南岱罡生物科技有限公司）；三氯甲烷（CHCl3）、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、三氟乙醇（TFE，分析純，徐州天鴻化工貿易有限公司）；PBS（美國HyClone 公司）；DEX（美國Sigma-ALdrich 公司）。

1.2 儀器

恒溫干燥箱（DHJ-9030，上海一恒科技有限公司）；電子天平（ME204E，瑞士METTLER 公司）；超聲振蕩器（KQ-100，昆山超聲儀器有限公司）；靜電紡絲儀（SS-2535，北京永康樂業(yè)科技發(fā)展有限公司）；透射電子顯微鏡（TEM，JEM-3010，日本JEOL 公司）；掃描電子顯微鏡（SEM，JSM-6510，日本JEOL 公司）。

1.3 電紡液的配制

將PLGA 溶解于按一定比例混合的CHCl3、TFE 及DMF 的有機溶劑中，分別獲得PLGA 溶液O-1 和O-2 作為殼層溶液（即油相，其中O-1為0.15 g·mL-1的PLGA 溶液，溶劑為DMF 和CHCl3，體積比為1∶3；O-2 為0.15 g·mL-1的PLGA 溶液，溶劑為CHCl3、TFE、DMF，體積比為65∶10∶25）。將3 種含不同濃度DEX 的水溶液作為芯層溶液W-1、W-2、W-3（即水相，其中W-1 為0.5 g·mL-1的DEX 溶液；W-2 為0.2 g·mL-1的DEX 溶液；W-3 為0.15 g·mL-1的DEX 溶液），各溶液均在常溫下配制，靜置并排除氣泡后待用。

利用上述殼層溶液O-1、O-2 和芯層溶液W-1、W-2、W-3 配制成以下6 組電紡液S1～S6。S1：將O-1 作為油相溶液，W-1 作為水相溶液，按水油體積比1∶20 的比例，將W-1 逐滴加入O-1 中，并利用超聲振蕩器以及磁力攪拌器將其充分混合均勻，制備成S1 號電紡液；S2：將O-2作為油相溶液，W-1 作為水相溶液，按水油體積比1∶20 的比例，將W-1 逐滴加入O-2 中，并利用超聲振蕩器以及磁力攪拌器將其充分混合均勻，制備成S2 號電紡液；S3：將O-1 作為油相溶液，W-2 作為水相溶液，按水油體積比1∶20 的比例，將W-2 逐滴加入O-1 中，并利用超聲振蕩器以及磁力攪拌器將其充分混合均勻，制備成S3號電紡液；S4：將O-1 作為油相溶液，W-2 作為水相溶液，按水油體積比1∶15 的比例，將W-2 逐滴加入O-1 中，并利用超聲振蕩器以及磁力攪拌器將其充分混合均勻，制備成S4 號電紡液；S5：將O-1 作為油相溶液，W-3 作為水相溶液，按水油體積比1∶10 的比例，將W-3 逐滴加入O-1中，并利用超聲振蕩器以及磁力攪拌器將其充分混合均勻，制備成S5 號電紡液；S6：將O-1 作為油相溶液，W-3 作為水相溶液，按水油體積比1∶13 的比例，將W-3 逐滴加入O-1 中，并利用超聲振蕩器以及磁力攪拌器將其充分混合均勻，制備成S6 號電紡液。將上述電紡液配制成功后靜置，觀察并比較6 組電紡液的乳液體系是否穩(wěn)定、兩相溶液的相容性以及界面張力是否適當，以優(yōu)選出乳液性質最穩(wěn)定的電紡液。

1.4 乳液靜電紡絲法制備PLGA/DEX 納米纖維

將6 組電紡液分別載入靜電紡絲設備的注射裝置中（2.5 mL 注射器，內徑為0.5 mm 的金屬針頭）并將其固定于螺旋推注器上，螺旋推注器的速度為0.2 mm·min-1，接收距離為15 cm，電紡時將高壓電源與金屬噴頭相連，在14 kV 的電壓下分別對6 組紡絲液進行電紡，電紡時間為90 min，觀察并比較各組電紡液的紡絲過程是否穩(wěn)定以及制備的PLGA/ DEX 納米纖維膜是否均勻。

1.5 掃描電鏡觀察

利用SEM 觀察6 組PLGA/ DEX 纖維膜的表面形貌。利用Smile View 軟件檢測6 組PLGA/DEX 纖維的直徑。

1.6 透射電鏡觀察

利用銅網接取6 組PLGA/ DEX 電紡纖維，于TEM 下觀察其是否具有穩(wěn)定的芯殼結構。

2 結果

2.1 電紡液的穩(wěn)定性

將制備的6 組電紡液靜置觀察，可發(fā)現S1電紡液由于水相濃度過高，導致界面張力過大，兩相相容性很差，水相以較大的液滴懸浮于油相溶液上層，無法形成微小的液滴懸浮于油相中，因此S1 乳液不能作為合格的乳液靜電紡絲液制備納米纖維。由于TFE 能與水和有機溶劑相混溶，S2 電紡液引入TFE 后，水相溶液與油相溶液的界面張力減小，與S1 相比，其兩相的相容性有所改善，但仍存在部分較大的液滴漂浮于油相的上層，乳液體系仍不穩(wěn)定的情況。與S1、S2 相比，S3 電紡液的界面張力小，兩相的相容性更好，能夠形成乳液體系，但靜置半小時后，乳液存在輕微破乳現象，即水相的小液滴逐漸凝聚成團，形成大液滴，使水油兩相分離，雖較S1、S2 更穩(wěn)定，但乳液的穩(wěn)定程度仍不夠理想。S4 與S3 水油兩相的成分相同，僅調整了水油體積比例，初期能夠形成乳液，半小時后觀察，也存在輕微破乳現象；S5 電紡液，降低了水相溶液的濃度，水油兩相之間相容性較好，水相分散成微小的液滴懸浮于油相溶液中，靜置半小時后觀察，乳液出現分層；S6 與S5 水油兩相的成分相同，僅調整了水油體積比，通過攪拌振蕩后能夠形成穩(wěn)定的乳液，靜置30 min 后，乳液性質未發(fā)生改變，見圖1。

圖1 6 組電紡液的穩(wěn)定性大體觀察圖

2.2 乳液靜電紡絲過程的穩(wěn)定性

6 組不同的電紡液由于水相濃度不同、水油體積比例不同，使電紡液的可紡性也不盡相同。在電紡過程中，S1 紡絲液的油相具有良好的可紡性，但水相溶液黏度大，無法分散成微小的液滴被油相包裹帶出，而是聚集成大的液滴從針頭處噴濺出來，影響了電紡的穩(wěn)定性；S2 紡絲液引入TFE 后，電紡效果沒有明顯改善，仍有大的液滴從針頭處噴濺出來，無法完成穩(wěn)定電紡；S3 紡絲液在電紡初期，能夠進行穩(wěn)定的電紡，但在電紡后期，紡絲液存在破乳現象，水油易分離，偶爾有少量液滴聚集從針頭噴出，整體電紡較穩(wěn)定；S4 與S3 相比，調整了水油體積比后，電紡過程中無明顯差別，同樣后期存在破乳現象，偶有液滴從噴頭處噴出，整體電紡較穩(wěn)定；S5 紡絲液在電紡過程中，初期能夠進行穩(wěn)定的電紡，但在電紡后期，紡絲液出現分層現象，紡絲過程不穩(wěn)定；S6 與S5 紡絲液成分相同，僅調整了水油體積比，紡絲液性質穩(wěn)定，可紡性好，整個電紡過程中未發(fā)生破乳現象，噴頭處也無液滴噴出，紡絲過程穩(wěn)定，見圖2。

圖2 6 組電紡液紡絲過程

2.3 纖維膜大體觀察

S1 電紡液在電紡過程中有大的液滴從針頭處噴濺出來，使其制備的納米纖維膜表面呈顆粒狀，不均勻；與S1 相比，S2 電紡液的電紡過程沒有明顯改善，仍有少數大的液滴從針頭處噴濺出來，制備的納米纖維膜仍呈顆粒狀，但較S1 均勻；S3 電紡液在電紡初期能夠進行穩(wěn)定的電紡，但在電紡后期，有少數小液滴從針頭處噴濺出來，制備的納米纖維膜整體較均勻；S4、S5 電紡液的電紡過程與S3 無明顯區(qū)別，制備的納米纖維膜整體較均勻；S6 電紡液的電紡過程穩(wěn)定，無液滴從針頭處噴濺出來，其制備的納米纖維膜較光滑、均勻，見圖3。

圖3 6 組PLGA/ DEX 納米纖維膜實物圖

2.4 SEM 結果

6 組電紡液電紡后均能形成表面光滑且無明顯串珠狀結構的纖維，纖維交織成網。由于S1 電紡液中水相溶液濃度最大，紡絲液的黏度也最大，電紡過程不穩(wěn)定，導致電紡后的納米纖維直徑差異較大，直徑為0.15～0.45 μm，平均直徑為（0.24±0.06）μm；S2 電紡液通過改變油相溶劑的成分，適當減小兩相的界面張力，與S1 相比，電紡過程沒有明顯改善，電紡后的納米纖維直徑差異仍較大，為0.1～0.6 μm，平均直徑為（0.31±0.09）μm；S3 電紡液中水相溶液濃度降低，紡絲液的黏度也隨之降低，電紡初期較穩(wěn)定，但在電紡后期紡絲液出現破乳現象，電紡過程不穩(wěn)定，納米纖維直徑為0.15～0.50 μm，平均直徑為（0.29±0.06）μm；與S3 相比，S4 電紡液降低水油兩相體積比后，電紡過程無明顯差別，電紡后的納米纖維直徑為0.35～0.75 μm，平均直徑為（0.49±0.08）μm；S5 電紡液初期能夠進行穩(wěn)定電紡，電紡后期紡絲液出現分層現象，電紡過程不穩(wěn)定，電紡后的納米纖維直徑為0.1～0.7 μm，平均直徑為（0.39±0.13）μm；S6 電紡液的電紡過程整體穩(wěn)定，電紡后的納米纖維直徑分布較均勻，為0.20～0.45 μm，平均直徑為（0.32±0.04）μm，見圖4、圖5。

圖4 6 組電紡液電紡后PLGA/DEX 纖維的SEM 圖

圖5 6 組電紡液電紡后PLGA/DEX 纖維的直徑分布圖

2.5 TEM 結果

S1 電紡后，僅有極其微量的水相溶液被油相包裹，無法形成穩(wěn)定的芯層，且包裹量極小。S2加入TFE 后，紡絲液的搭載能力有所提升，與S1相比，芯層物質較多，但仍無法形成理想的芯殼結構。調整水相濃度后，S3 能夠形成芯殼結構的納米纖維，但水相溶液不只存在于芯層，殼層中也散在分布著未完全溶解的DEX 顆粒。增大水油體積比后，仍然可以形成穩(wěn)定的芯殼結構，但S4 纖維殼層較S3 電紡纖維的殼層散在分布的DEX 顆粒更多。S5 和S6 紡絲液將水相溶液的濃度減小后，DEX 在水相中溶解更均勻，殼層無散在的DEX 顆粒，均能夠形成穩(wěn)定的芯殼結構，見圖6。

圖6 6 組電紡液電紡后PLGA/DEX 纖維的TEM 圖（bar=200 nm）

3 討論

影響靜電紡絲纖維形貌的參數有很多，主要包括電紡設備自身參數（如電紡時電壓、針頭與接收器的距離、液體推進速度等）、紡絲液性質（如聚合物種類、紡絲液黏度、溶液和溶劑的穩(wěn)定性）以及電紡環(huán)境（溫度、濕度等）[7]。利用乳液電紡技術制備納米纖維，除了以上電紡本身的影響因素以外，乳液的穩(wěn)定性對于獲得具有芯殼結構的納米纖維也十分關鍵。其中，水相和油相溶液間的相容性、黏度比以及界面張力都對乳液穩(wěn)定性有很大影響[8]。制備具有穩(wěn)定的芯殼結構的納米纖維使其具有更高的載藥量及更好的控釋、緩釋效果，在遞送特殊藥物方面具有重要意義[9-10]。

乳液的性質主要由乳液的穩(wěn)定性、黏度及其電導率決定[11-12]。本研究通過改變油相溶劑的成分、水油體積比以及水相的濃度來改善乳液的性質，以達到形成穩(wěn)定芯殼結構的目的。理想的靜電紡絲液要求其具有良好的可紡性，在適當的電紡參數下，可紡性好的電紡液能夠形成粗細均勻、形貌良好的電紡纖維，相反，可紡性差的電紡液紡絲過程不穩(wěn)定，無法得到性質穩(wěn)定的電紡納米纖維。高聚物溶劑的電導率是電紡纖維形貌的重要影響因素之一，由于CHCl3的電導率較低，將其作為靜電紡絲的單一溶劑時，得到的納米纖維存在大量串珠，纖維形貌不良，不是靜電紡絲的良溶劑[13]。引入DMF 后，使CHCl3∶DMF 按3∶1比例混溶作為高聚物的有機溶劑，能夠制備出形貌良好的電紡納米纖維[14]，是乳液電紡理想的殼層溶劑。S1 電紡液由于水相濃度過高，使得兩相界面張力過大，且黏度過高，導致難以形成穩(wěn)定的乳液電紡液。S2 與S1 相比，水相溶液濃度不變時，適當引入TFE 后，通過電紡過程以及電鏡結果發(fā)現，由于TFE 具有既能與水混溶，也能作為有機溶劑的性質，一定程度上減小了芯層溶液與殼層溶液的界面張力，增大了兩相的相容性，相容性提升后，S2 較S1 芯層搭載物質更多，證明兩相之間的相容性越好，納米纖維的搭載能力就會越高。但由于DEX 濃度過高，兩相界面張力過大，無法形成穩(wěn)定的電紡液，使得DEX 溶液以液滴的形式從紡絲針頭噴出，并且容易堵塞電紡噴頭，中斷電紡過程。

紡絲液黏度是影響其可紡性的重要因素之一[12，15-16]。與同軸電紡相似，乳液電紡過程中，殼層需要有一定的黏度來克服兩相之間的界面張力，將水相的小液滴牽引拉長，形成芯殼結構的納米纖維，并且適當的黏度能夠保證殼層溶液的表面張力與電場力相平衡，以形成穩(wěn)定的復合Taylor 錐。但芯層的水溶液黏度不宜過大也不宜過小，黏度過高，無法被油相溶液牽拉形成穩(wěn)定的復合噴射流；黏度過低，電紡的穩(wěn)定性下降，不能形成穩(wěn)定噴射流。因此，水相溶液的黏度需要在適當的范圍內才能得到不間斷芯殼結構的納米纖維。調整水相溶液的濃度可以有效改善其黏度。本研究結果顯示，水相的黏度隨著濃度的降低而降低，兩相的相容性則隨著黏度降低而升高。與S1、S2 相比，當DEX 濃度從0.5 g·mL-1降低到0.2 g·mL-1和0.15 g·mL-1時，S3、S4、S5、S6 電紡液的黏度隨之降低，紡絲液的性質變得更穩(wěn)定，能夠形成穩(wěn)定的芯殼結構。但當DEX 濃度為0.2 g·mL-1時，水相黏度依然較大，一些黏度大的液滴不能被牽拉成芯層，混合在殼層被帶出，形成殼層的顆粒狀結構。繼續(xù)降低芯層濃度為0.15 g·mL-1后，水相黏度適當，兩相溶液相容性好，電紡液性質穩(wěn)定，能夠制備出具有明顯芯殼結構的納米纖維材料。

乳液的水油體積比也是影響纖維芯殼結構的重要因素之一[17]。水相體積比過高時，電紡液的可紡性下降，電紡時以乳液液滴的形式從針頭噴出，使電紡噴射流不穩(wěn)定；水相體積比過小時，水溶液的小液滴彼此間距離較遠，無法形成穩(wěn)定連續(xù)的芯殼結構。因此，合理的水油體積比對于制備具有連續(xù)芯殼結構的納米纖維十分重要，并且可以通過控制水油體積比來調整殼層的厚度，以控制藥物的釋放速度。在本研究中發(fā)現，改變乳液的水油比對纖維直徑和形貌影響非常巨大。在DEX 濃度不變時，增大水相在乳液電紡液中的體積比，纖維中搭載的藥物增多，芯層直徑增大，殼層直徑減小。在DEX 濃度為0.15 g·mL-1時，形成的電紡纖維形貌結構較好，并且根據S5與S6 電紡液的水油體積比不同，顯示殼層的厚度不同，考慮到水相體積比越高，紡絲液的穩(wěn)定性越差，殼層越薄，可認為與水油體積比為1∶10時相比，水油體積比為1∶13 的電紡液更穩(wěn)定，更容易得到殼層厚度適宜的具有穩(wěn)定芯殼結構的電紡纖維。

乳液電紡的影響因素復雜多樣，電紡纖維的最終形貌是多種因素相互作用的結果，要想得到理想的具有芯殼結構的納米纖維，需要對各因素進行調整優(yōu)化。除去本研究中提到的電導率、黏度以及水油比以外，電紡速度、電壓值、接收距離、電紡溫度濕度等也對纖維形貌結構有重要的影響。本研究重點研究了紡絲液性質對電紡穩(wěn)定性以及纖維形貌的影響，其他因素對電紡過程以及纖維形貌結構的影響有待進一步探究。

水油兩相的黏度對電紡纖維的形貌影響巨大。當水相溶液濃度過高時，導致其黏度過大，兩相界面張力大，不利于殼層溶液將其牽引拉出，不能形成穩(wěn)定連續(xù)的芯殼結構納米纖維。適度降低水相濃度，黏度也隨之降低，兩相的相容性提高，乳液趨于穩(wěn)定。水油兩相的體積比是纖維芯殼結構以及形貌尺寸的重要因素。適宜的水油體積比形成的乳液，其性質更穩(wěn)定，可紡性更好。也可通過調整水油體積比來調整殼層的厚度，以控制藥物的釋放。將濃度為0.15 g·mL-1的PLGA（溶劑為DMF 和CHCl3，體積比為1∶3）作為油相溶液，濃度為0.15 g·mL-1的DEX 作為水相溶液，水油體積比為1∶13 時配制的乳液靜電紡絲液性質最穩(wěn)定，將該紡絲液在速度為0.2 mm·min-1、接收距離為15 cm、電壓為14 kV 的條件下進行電紡能夠得到具有穩(wěn)定芯殼結構的電紡納米纖維。