聚乳酸/高烏甲素復(fù)合微/納米纖維膜的制備及性能研究

王燦燦,陳樂(lè)樂(lè),李正逗,陳 霞,杜欣芮,姜飛飛,張 繼,3*

(1.西北師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,甘肅 蘭州 730070;2.甘肅省特色植物有效成分制品工程技術(shù)研究中心,甘肅 蘭州 730070;3.西北師范大學(xué) 新農(nóng)村發(fā)展研究院,甘肅 蘭州 730070)

近年來(lái),隨著生物納米復(fù)合材料的發(fā)展,開(kāi)發(fā)新的可持續(xù)、生態(tài)友好型材料受到人們的廣泛關(guān)注[1-2]。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,許多新型結(jié)構(gòu)材料的制備都離不開(kāi)靜電紡絲技術(shù)。靜電紡絲是一種基于靜電場(chǎng)將聚合物紡制成納米或微米級(jí)連續(xù)纖維的技術(shù)[3-6]。靜電紡納米纖維因其高孔隙率、大比表面積和強(qiáng)吸附能力等優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景[7]。傳統(tǒng)的紗布和繃帶雖然可以使傷口愈合,卻存在著傷口感染的風(fēng)險(xiǎn),隨著科技的發(fā)展,新型靜電紡纖維傷口輔料已被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)用材料中[8-9]。與傳統(tǒng)紗布敷料相比,通過(guò)靜電紡絲制備的納米纖維膜具有高孔隙率、優(yōu)異的延展性、與細(xì)胞生長(zhǎng)外基質(zhì)高度相似的微環(huán)境、抑菌性能、可控的潮濕環(huán)境、促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)和遷移、無(wú)需換藥及避免二次創(chuàng)傷等眾多優(yōu)點(diǎn),可加快傷口的愈合[10-14]。目前,單一材料的靜電紡納米纖維膜很難同時(shí)滿足以上多種需求,而通過(guò)共混、交聯(lián)等技術(shù)制備的復(fù)合納米纖維膜則具有更大的優(yōu)勢(shì)[15]。M.S.KARIZMEH等[16]通過(guò)靜電紡絲制備了一種由聚己內(nèi)酯、殼聚糖、聚氨酯和蜂膠乙醇提取物組成的傷口敷料,敷料具有良好的力學(xué)性能、抗菌性能和生物相容性。朱吉昌等[17]利用靜電紡絲技術(shù)開(kāi)發(fā)了由聚乳酸(PLA)/細(xì)菌纖維素/殼聚糖組成的理想傷口修復(fù)材料。

PLA因具有良好的生物相容性和生物可吸收性被開(kāi)發(fā)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)材料[18-20]。氫溴酸高烏甲素(LAH)是從烏頭屬植物中分離的具有代表性的單酯二萜生物堿,是國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的非依賴性鎮(zhèn)痛新藥,具有消炎、鎮(zhèn)痛、退熱、局部麻醉等作用[21-28]。若將PLA、LAH進(jìn)行混合,利用靜電紡絲技術(shù)制備PLA/LAH復(fù)合微/納米纖維膜,利用其中LAH的消炎、鎮(zhèn)痛等功效則可應(yīng)用于醫(yī)用輔料。作者以PLA和LAH為原料,采用靜電紡絲技術(shù)制備了PLA微/納米纖維膜及PLA/LAH復(fù)合微/納米纖維膜,研究了纖維膜的表面形貌、化學(xué)結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、藥物緩釋及抗炎性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要試劑和實(shí)驗(yàn)儀器

PLA：分析純,重均相對(duì)分子質(zhì)量為60 000,美國(guó)Sigma-Aldrich公司產(chǎn);二氯甲烷：分析純,天津市富宇精細(xì)化有限公司產(chǎn);氧化鋅(ZnO)：15～30 nm,上海麥克林生化科技有限公司產(chǎn);LAH：重均相對(duì)分子質(zhì)量為665.62,上海阿拉丁生化科技股份有限公司產(chǎn);溴化鉀：光譜純,天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所產(chǎn);磷酸氫二鈉：分析純,上海滬崢生物科技有限公司產(chǎn);磷酸二氫鈉：分析純,無(wú)錫市展望化工試劑有限公司產(chǎn)。

Nicolet iS10傅里葉變換紅外光譜儀：美國(guó)Thermo公司制;JD500-3電子天平：沈陽(yáng)龍騰電子有限公司制;UV 9100B紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)：北京萊伯泰科儀器有限公司制;LGJ-18S真空冷凍干燥機(jī)：北京松源華興科技發(fā)展有限公司制;JRA-6數(shù)顯磁力攪拌水浴鍋：金壇市杰瑞爾電器有限公司制;JDF05型靜電紡絲機(jī)：長(zhǎng)沙納儀儀器科技有限公司制;SHA-C恒溫振蕩器：常州國(guó)華儀器有限公司制;KQ-250DE型超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司制;Ultra Plus熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡：德國(guó)Zeiss公司制。

1.2 PLA/LAH復(fù)合微/納米纖維膜的制備

1.2.1 PLA微/納米纖維膜的制備

在室溫條件下,分別稱(chēng)取質(zhì)量為1.69,2.31,2.95,3.62,4.33 g的PLA,將其分別加入到20 mL二氯甲烷中,配置成質(zhì)量濃度分別為80,100,120,140,160 mg/mL的PLA溶液,在25 ℃下持續(xù)攪拌4～12 h至溶液混合均勻,得到透明的PLA紡絲溶液;將PLA紡絲溶液移至靜電紡絲機(jī)的注射器中,調(diào)節(jié)靜電紡絲參數(shù)電壓為8 kV、紡絲溶液流速為1 mL/h、紡絲噴頭與接收滾筒之間的距離為12 cm、滾筒轉(zhuǎn)速為250 r/min,制得纖維膜;將得到的纖維膜置于真空干燥箱內(nèi),在25 ℃下干燥24 h,直至纖維膜厚度達(dá)到0.1 mm,得到PLA微/納米纖維膜。PLA質(zhì)量濃度為80,100,120,140,160 mg/mL的PLA微/納米纖維膜試樣分別標(biāo)記為1#、2#、3#、4#、5#。

1.2.2 PLA/LAH復(fù)合微/納米纖維膜的制備

在配置好的質(zhì)量濃度為120 mg/mL的PLA紡絲液中加入適量LAH,充分?jǐn)嚢柚寥芤夯旌暇鶆?超聲分散,得到均勻透明的紡絲液,其中LAH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為6%、8%、10%、12%、14%;將紡絲液移至靜電紡絲機(jī)的注射器中,調(diào)節(jié)靜電紡絲參數(shù)電壓為8 kV、紡絲液流速為1 mL/h、紡絲噴頭與接收滾筒之間的距離為12 cm、滾筒轉(zhuǎn)速為250 r/min,制得纖維膜;將得到的復(fù)合纖維膜置于真空干燥箱內(nèi),在25 ℃下干燥24 h,直至纖維膜厚度達(dá)到0.1 mm,得到PLA/LAH復(fù)合微/納米纖維膜。LAH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%、8%、10%、12%、14%的PLA/LAH復(fù)合微/納米纖維膜試樣分別標(biāo)記為6#、7#、8#、9#、10#。

1.3 分析與測(cè)試

微觀形貌：將微/納米纖維膜噴金處理后,通過(guò)熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察微/納米纖維膜的形貌,放大倍數(shù)10 000,同時(shí)利用Image J軟件統(tǒng)計(jì)得到纖維直徑分布。

力學(xué)性能：將PLA微/納米纖維膜剪成長(zhǎng)100 mm、寬2 mm的樣條,利用微型測(cè)厚儀測(cè)試?yán)w維膜的厚度,然后在常溫下測(cè)試?yán)w維膜的力學(xué)性能,拉伸速率為50 mm/min。

化學(xué)結(jié)構(gòu)：將微/納米纖維膜剪成直徑為5 mm的小圓片,溴化鉀壓片,采用傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)定微/納米纖維膜的紅外光譜(FTIR),波數(shù)為400～4 000 cm-1。

藥物緩釋性能：選取pH為6.8的磷酸鹽緩沖液模擬體液測(cè)試LAH在緩沖液中的吸光值,通過(guò)全波長(zhǎng)掃描確定LAH的最高吸收峰在241 nm處,因此選擇241 nm作為測(cè)定波長(zhǎng);將PLA/LAH復(fù)合微/納米纖維膜稱(chēng)重后放入透析袋中,間隔一定時(shí)間取出5 mL溶液,并補(bǔ)加同等溫度的磷酸鹽緩沖液5 mL,測(cè)定取出溶液的吸光值;根據(jù)線性回歸方程計(jì)算不同時(shí)刻PLA/LAH復(fù)合微/納米纖維膜的累計(jì)藥物釋放率。

抗炎性能：通過(guò)二甲苯致小鼠耳廓腫脹試驗(yàn)測(cè)試腫脹度來(lái)表征,腫脹度越小,表示抗炎效果越好。隨機(jī)選取30只體重為18～20 g的雄性小鼠,平均分為3組,使用脫毛膏對(duì)小鼠背部脫毛,脫毛后24 h給藥,第1至第3組分別敷無(wú)藥紗布、PLA/LAH復(fù)合微/納米纖維膜、通絡(luò)祛痛膏;在敷藥的第3,5,7 d后給藥,末次給藥后將濃度為100%的二甲苯300 μm涂擦在各小鼠左耳的前后兩面,1 h后用頸椎脫臼法處死小鼠,沿耳廓基線剪下雙耳,用直徑為7 mm的打孔器在同一位置打下耳片,然后立即用分析天平稱(chēng)重,左右耳片質(zhì)量之差即為腫脹度。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌及纖維直徑分布

從圖1和圖2可以看出：PLA質(zhì)量濃度較低時(shí),二氯甲烷未完全揮發(fā),纖維直徑較小,不易成絲,且粘在錫箔紙上;隨著PLA質(zhì)量濃度增加,纖維直徑逐漸增加,二氯甲烷迅速揮發(fā),纖維表面形成細(xì)小的孔洞結(jié)構(gòu);當(dāng)PLA質(zhì)量濃度為120 mg/mL時(shí),3#試樣的纖維表面出現(xiàn)大小均一的孔洞結(jié)構(gòu)(圖1c),纖維直徑分布均勻,平均直徑達(dá)到1.4 μm,具有較高比表面積和高孔隙率,用其作為載藥材料對(duì)藥物具有良好的包裹作用,同時(shí)具有良好的緩釋效果;隨著PLA質(zhì)量濃度進(jìn)一步增加至160 mg/mL,5#試樣因PLA濃度過(guò)高導(dǎo)致紡絲液堵塞噴頭,在紡絲過(guò)程中拉伸不均勻,纖維出現(xiàn)梭形結(jié)構(gòu)(圖1e);加入LAH后,PLA/LAH復(fù)合微/納米纖維膜(10#試樣)的纖維直徑分布與3#試樣的纖維直徑分布相差不大,纖維直徑分布均勻,平均直徑達(dá)到1.2 μm,其表面存在分布均勻的孔隙結(jié)構(gòu),有利于LAH的釋放。

圖1 PLA微/納米纖維膜及PLA/LAH復(fù)合微/納米纖維膜的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM photos of PLA micro/nanofiber membranes and PLA/LAH composite micro/nanofiber membranes

圖2 3#試樣及10#試樣的纖維直徑分布Fig.2 Fiber diameter distribution of samples 3# and 10#

2.2 力學(xué)性能

從圖3和表1可以看出：隨著PLA質(zhì)量濃度增加,PLA微/納米纖維膜的拉伸應(yīng)力先增大后減小,當(dāng)PLA質(zhì)量濃度為120 mg/mL時(shí),纖維膜的拉伸應(yīng)力最大,達(dá)到3.168 MPa;在拉伸初期,PLA微/納米纖維在低應(yīng)力時(shí)顯示出先非線性彈性行為后彈性行為,隨著應(yīng)力增大,纖維之間排列由松散網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫o密拉伸狀態(tài),繼續(xù)拉伸,PLA微/納米纖維變形較大,但應(yīng)力沒(méi)有較大的變化,一段時(shí)間后纖維較弱的地方被破壞,導(dǎo)致周?chē)鶳LA微/納米纖維承擔(dān)更大的應(yīng)力,纖維出現(xiàn)屈服現(xiàn)象,當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值后纖維全部斷裂;通過(guò)比較,PLA質(zhì)量濃度為120 mg/mL時(shí)PLA微/納米纖維膜(3#試樣)的應(yīng)變、拉伸應(yīng)力、彈性模量均達(dá)到最優(yōu),分別為62.27%、3.168 MPa、0.509 MPa,表明PLA質(zhì)量濃度為120 mg/mL時(shí)得到的PLA微/納米纖維膜具有良好的力學(xué)性能;加入LAH后,PLA/LAH微/納米纖維膜(10#試樣)的應(yīng)變、拉伸應(yīng)力、彈性模量均略低于3#試樣,這可能是因?yàn)镻LA與LAH結(jié)合不充分導(dǎo)致纖維膜的應(yīng)變和拉伸應(yīng)力下降,但10#試樣仍表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能。

表1 PLA及PLA/LAH微/納米纖維膜的力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of PLA and PLA/LAH micro/nanofiber membranes

圖3 PLA及PLA/LAH微/納米纖維膜的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of PLA and PLA/LAH micro/nanofiber membranes●—2#試樣;▲—3#試樣;◆—4#試樣;▼—5#試樣;■—10#試樣

2.3 化學(xué)結(jié)構(gòu)

由圖4可看出：PLA微/納米纖維膜在波數(shù)為2 997,1 758,1 188 cm-1處出現(xiàn)吸收峰,分別為C—H、C=O、C—O—C的伸縮振動(dòng)吸收峰;與PLA微/納米纖維膜相比,PLA/LAH復(fù)合微/納米纖維膜同樣也出現(xiàn)這些峰,且沒(méi)有發(fā)生明顯移動(dòng),PLA/LAH微/納米纖維膜在波數(shù)為1 600,1 580,1 500,1 450 cm-1處出現(xiàn)典型的芳香化合物特征吸收峰,在波數(shù)為3 275 cm-1處出現(xiàn)N—H的伸縮振吸收動(dòng)峰,這些與LAH的特征峰無(wú)明顯偏移或改變。由此可見(jiàn),PLA/LAH復(fù)合微/納米纖維膜中LAH與PLA為物理共混,并未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

圖4 LAH與PLA纖維膜及PLA/LAH纖維膜的FTIR圖譜Fig.4 FTIR spectra of LAH and PLA fiber membranes and PLA/LAH fiber membrane1—LAH;2—PLA/LAH微/納米纖維膜;3—PLA微/納米纖維膜

2.4 藥物釋放性能

《藥劑學(xué)》中指出,若緩釋制劑在0.5～2 h內(nèi)累計(jì)藥物釋放率高于30%,表明藥物存在突釋現(xiàn)象[29]。不同PLA/LAH復(fù)合微/納米纖維膜的體外藥物釋放曲線見(jiàn)圖5。

圖5 PLA/LAH復(fù)合微/納米纖維膜的體外藥物釋放曲線Fig.5 In vitro drug release curves of PLA/LAH composite micro/nanofiber membranes★—6#試樣;■—7#試樣;●—8#試樣;▲—9#試樣;▼—10#試樣

由圖5可以看出：隨著藥物釋放時(shí)間延長(zhǎng),PLA/LAH復(fù)合微/納米纖維膜的體外藥物釋放曲線出現(xiàn)藥物突釋及藥物緩釋兩種現(xiàn)象,在藥物釋放的前2 h內(nèi)藥物釋放率均大于30%,存在明顯的藥物突釋現(xiàn)象,這種突釋現(xiàn)象可能是由于纖維表面藥物快速釋放造成的;隨著藥物釋放時(shí)間延長(zhǎng),PLA/LAH復(fù)合微/納米纖維膜在藥物釋放2～120 h均出現(xiàn)了明顯的藥物緩釋現(xiàn)象,且隨著LAH含量的增加,累積藥物釋放率增加;當(dāng)藥物釋放時(shí)間達(dá)120 h,6#試樣的累積藥物釋放率穩(wěn)定在60%,7#、8#、9#、10#試樣的累積藥物釋放率均大于等于80%,10#試樣的累積藥物釋放率最高,達(dá)89%。這與TENG G X等[23]制備的聚乙烯醇(PVA)/LAH納米纖維膜相比,突釋時(shí)間快,藥物釋放率高,緩釋時(shí)間長(zhǎng)?？偟膩?lái)說(shuō),PLA/LAH復(fù)合微/納米纖維膜具有良好的藥物釋放性能,可應(yīng)用于醫(yī)用傷口敷料。

2.5 抗炎性能

選擇PLA/LAH復(fù)合微/納米纖維膜(10#)試樣進(jìn)行二甲苯致小鼠耳廓腫脹試驗(yàn),通過(guò)測(cè)試腫脹度表征其抗炎性能,腫脹度越小,表示抗炎效果越好。由表2可知,敷無(wú)藥紗布、PLA/LAH復(fù)合微/納米纖維膜、通絡(luò)祛痛膏后,二甲苯致小鼠耳廓的腫脹度分別為8.10,4.90,5.48 mg,說(shuō)明PLA/LAH復(fù)合微/納米纖維膜、通絡(luò)祛痛膏均可明顯抑制二甲苯致小鼠耳廓的腫脹,具有顯著的抗炎效果,而且PLA/LAH復(fù)合微/納米纖維膜與通絡(luò)祛痛膏的抗炎效果相當(dāng)。

表2 PLA/LAH復(fù)合微/納米纖維膜的抗炎性能Tab.2 Anti-inflammatory properties of PLA/LAH composite micro/nanofiber membrane

3 結(jié)論

a.以PLA和LAH為原料,采用靜電紡絲技術(shù)制備了不同PLA濃度的PLA微/納米纖維膜及不同LAH含量的PLA/LAH復(fù)合微/納米纖維膜。PLA/LAH復(fù)合微/納米纖維膜的纖維直徑分布均勻,具有較高的機(jī)械強(qiáng)度,以及藥物釋放性能和抗炎性能,可用于具有抗炎、鎮(zhèn)痛和緩釋等效果的手術(shù)線、創(chuàng)傷貼膜敷料等醫(yī)用材料。

b.當(dāng)PLA的質(zhì)量濃度為120 mg/mL時(shí),PLA微/納米纖維膜的纖維直徑分布均勻,平均直徑達(dá)到1.4 μm,具有較高比表面積和高孔隙率,拉伸應(yīng)力最大,達(dá)到3.168 MPa。添加LAH后,并未明顯改變纖維膜的纖維直徑和形貌,PLA與LAH之間是物理結(jié)合,并未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

c.PLA/LAH復(fù)合微/納米纖維膜在藥物釋放2～120 h出現(xiàn)明顯的藥物緩釋現(xiàn)象,且隨著LAH含量的增加,累積藥物釋放率增加。當(dāng)藥物釋放時(shí)間達(dá)120 h,LAH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%的PLA/LAH復(fù)合微/納米纖維膜的累積藥物釋放率最高,達(dá)89%。

d.二甲苯致小鼠耳廓腫脹試驗(yàn)表明,分別敷LAH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%的PLA/LAH復(fù)合微/納米纖維膜與通絡(luò)祛痛膏,二甲苯致小鼠耳廓的腫脹度分別為4.90,5.48 mg,說(shuō)明PLA/LAH復(fù)合微/納米纖維膜具有顯著的抗炎效果,且與通絡(luò)祛痛膏的抗炎效果相當(dāng)。