基于超臨界CO2流體的載藥二醋酸纖維釋放行為

朱維維, 施楣梧,2, 龍家杰

(1.蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院, 江蘇 蘇州 215123; 2.北京海淀第57離職干部休養(yǎng)所, 北京 100035)

二醋酸纖維為再生纖維素纖維,其產(chǎn)量?jī)H次于粘膠纖維,具有良好的吸濕性和染色性,手感舒適,光澤柔和,質(zhì)感如蠶絲,多用于高檔成衣面料。隨著時(shí)代發(fā)展,人們不僅僅滿足于纖維材料本身帶來(lái)的舒適體驗(yàn),更期待材料被賦予一定功能性,其中保健護(hù)膚類纖維材料廣受市場(chǎng)歡迎[1-3]。若二醋酸纖維被賦予相應(yīng)護(hù)膚保健功能而用于內(nèi)衣制品,其市場(chǎng)價(jià)值將被進(jìn)一步提升。

目前,保健護(hù)膚類纖維材料的制備方法主要有共混紡絲法和接枝改性法,但均存在一定缺陷。其中共混紡絲法不適合加入熱敏性藥物,加入后易損傷纖維的物理力學(xué)性能,同時(shí)留存于纖維內(nèi)部的護(hù)膚藥物難以遷移至纖維表面,造成大量浪費(fèi)[4-5]。接枝改性法制備流程偏復(fù)雜,且易導(dǎo)致織物發(fā)硬或表面泛黃,其物理力學(xué)性能同樣易受影響[2,6]。通過微膠囊包合易受環(huán)境影響的護(hù)膚藥物,如維生素[7]、精油[8]等,除可利用上述2種方法將其負(fù)載到纖維或織物上,也可直接采用浸軋或涂覆方式,但需加入交聯(lián)劑進(jìn)行固化,從而導(dǎo)致織物手感下降。同時(shí),上述方法均難以實(shí)現(xiàn)護(hù)膚藥物從纖維或織物中釋放的速率及周期的有效調(diào)控。

超臨界CO2流體技術(shù)可在較低溫度 (≥31.1 ℃) 下直接溶解護(hù)膚藥物并將其載入纖維中,加工結(jié)束后流體可轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w被回收再次利用。該方法不僅使護(hù)膚纖維的制備方法更加簡(jiǎn)單、高效,且可通過改變流體溫度、壓力等調(diào)節(jié)藥物在纖維上的負(fù)載量及其分布,而負(fù)載量及其分布是影響藥物從基材中釋放的速率及周期的關(guān)鍵因素[9-11]。為此,本文以具有抗菌、抗氧化功效的生物活性藥物白藜蘆醇作為護(hù)膚藥物,采用超臨界CO2流體技術(shù)制備載藥二醋酸纖維,考察流體溫度、壓力對(duì)所制備的載有白藜蘆醇的二醋酸纖維釋放行為的影響,并建立釋放模型,為獲得具有良好緩釋性能的保健護(hù)膚二醋酸纖維提供一定參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

材料:白藜蘆醇,分析純,阿拉丁試劑(上海)有限公司;無(wú)水乙醇,分析純,優(yōu)特普科技蘇州有限公司;CO2氣體,吳江市國(guó)榮氣體有限公司;二醋酸纖維,單纖維線密度為2.7 dtex,取代度為 2.45,南通醋酸纖維有限公司。

儀器:SD10-Ⅱ型超臨界CO2流體小樣機(jī),自制;TU-1810型紫外-可見分光光度計(jì),北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;KQ-50DB型數(shù)控超聲波清洗器,昆山市超聲波儀器有限公司;DHG-9070A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱,上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制

稱取0.1 g白藜蘆醇溶于250 mL無(wú)水乙醇中,將其稀釋為不同標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量濃度的溶液,并分別置于紫外-可見分光光度計(jì)中測(cè)試其在波長(zhǎng)為306 nm處的吸光度,根據(jù)質(zhì)量濃度-吸光度值繪制出標(biāo)準(zhǔn)曲線。以吸光度作為橫坐標(biāo),質(zhì)量濃度作為縱坐標(biāo),標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為

C=0.008 5A

式中:C為白藜蘆醇在乙醇中的質(zhì)量濃度,g/L;A為含白藜蘆醇的乙醇溶液在波長(zhǎng)為306 nm處的吸光度。

1.3 載藥二醋酸纖維制備

首先,稱取5 g二醋酸纖維經(jīng)去離子水水洗、烘干后均勻捆綁于紗線架上,同時(shí)稱取質(zhì)量為5%二醋酸纖維質(zhì)量的白藜蘆醇置于鋼杯底部,將紗線架、鋼杯均放置于超臨界CO2流體設(shè)備的染色釜中,其中紗線架處于鋼杯上方。接著關(guān)閉染色釜,開啟設(shè)備,使染色釜中超臨界CO2流體溫度(70、80、 90 ℃)、 壓力(12、16、20 MPa)達(dá)到設(shè)定值,并保持流體處于循環(huán)流動(dòng)狀態(tài),使得白藜蘆醇充分溶解于流體中,90 min后停止實(shí)驗(yàn),泄壓打開染色釜,取出制備好的負(fù)載白藜蘆醇的載藥二醋酸纖維。前期實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),流體溫度和壓力過高、加工時(shí)間過長(zhǎng),所制備的負(fù)載白藜蘆醇的二醋酸纖維的力學(xué)性能會(huì)明顯下降,因此,最高流體溫度設(shè)為90 ℃、最高壓力設(shè)為 20 MPa、 加工時(shí)間設(shè)為90 min。

1.4 載藥二醋酸纖維負(fù)載量計(jì)算

取約0.65 g負(fù)載白藜蘆醇的二醋酸纖維置于乙醇中,超聲波振蕩120 min后將萃取液轉(zhuǎn)移至100 mL 容量瓶中,并定容至100 mL,取其中少量采用紫外-可見分光光度計(jì)進(jìn)行吸光度測(cè)試;同時(shí)將萃取結(jié)束后的二醋酸纖維在90 ℃條件下烘干(4 h),并平衡24 h后稱取質(zhì)量。負(fù)載量計(jì)算公式為

L=0.008 5A1V1/m

式中:L為白藜蘆醇在二醋酸纖維上的負(fù)載量,即二醋酸纖維負(fù)載的白藜蘆醇質(zhì)量與二醋酸纖維本身質(zhì)量之比,g/g;A1為所萃取的白藜蘆醇在乙醇中的吸光度;V1為萃取液的體積,100 mL;m為萃取后的二醋酸纖維質(zhì)量,g。

1.5 載藥二醋酸纖維釋放實(shí)驗(yàn)及相關(guān)計(jì)算

取約1.3 g負(fù)載白藜蘆醇的二醋酸纖維置于裝有75 mL乙醇的錐形瓶底部,選擇乙醇作為釋放介質(zhì)以避免因在水溶液中溶解度過小導(dǎo)致藥物釋放不完全,然后于32 ℃靜置,間隔特定時(shí)間(10、 20、30、40、50、60、90、120、150、180、210、240 min)后,取少量上清液采用紫外-可見分光光度計(jì)進(jìn)行吸光度測(cè)試,測(cè)試結(jié)束后再將上清液緩慢倒回錐形瓶中。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,從錐形瓶中取出二醋酸纖維,于90 ℃條件下烘干(4 h),平衡24 h后稱取質(zhì)量。絕對(duì)釋放量、累計(jì)釋放百分比以及相應(yīng)的釋放速率計(jì)算公式為:

RARM=0.008 5A2V2/G1

RCRP=0.008 5A2V2/(G1L)×100%

2 結(jié)果與討論

2.1 不同溫度下制備的載藥纖維釋放曲線

利用超臨界CO2流體分別在壓力為16 MPa、時(shí)間為90 min、不同溫度條件下制備得到負(fù)載白藜蘆醇的二醋酸纖維,將其置于釋放介質(zhì)乙醇中,根據(jù)其釋放量、釋放時(shí)間繪制相應(yīng)釋放曲線,如圖1所示。

圖1 不同流體溫度下所制備負(fù)載白藜蘆醇的二醋酸纖維的釋放曲線Fig.1 Release curves of resveratrol-loaded diacetate fibers processed by different fluid temperatures. (a) Absolute release amount; (b) Absolute release rate; (c) Cumulative release percentage; (d) Cumulative release rate

由圖1(a)、(b)可看出,較高溫度條件下制備的載藥二醋酸纖維其絕對(duì)釋放量更大,相應(yīng)的絕對(duì)釋放速率也更快。經(jīng)計(jì)算,當(dāng)處理溫度為70、80、90 ℃ 時(shí),白藜蘆醇在二醋酸纖維上的負(fù)載量分別為0.358×10-4、0.884×10-4、2.78×10-4g/g。分析其原因?yàn)榻^對(duì)釋放量、絕對(duì)釋放速率與負(fù)載量呈正相關(guān)[9],溫度越高,白藜蘆醇在二醋酸纖維上的負(fù)載量越高,從而導(dǎo)致絕對(duì)釋放量、絕對(duì)釋放速率均越高。圖1(b)顯示當(dāng)釋放時(shí)間為40 min時(shí),不同溫度(70、80 ℃)下制備的載藥二醋酸纖維的釋放速率出現(xiàn)上升趨勢(shì),其中溫度為90 ℃時(shí)制備的載藥二醋酸纖維在釋放時(shí)間為50 min時(shí)釋放速率出現(xiàn)上升現(xiàn)象。這與白藜蘆醇在二醋酸纖維表面及內(nèi)部的分布相關(guān),當(dāng)處于釋放介質(zhì)中時(shí),分布于纖維表面的白藜蘆醇首先溶解并擴(kuò)散在乙醇中,隨著乙醇浸入到纖維內(nèi)部,更多分布于纖維內(nèi)部的白藜蘆醇溶解并從纖維內(nèi)層擴(kuò)散到纖維表面,再由纖維表面擴(kuò)散到乙醇溶液中;相較表面,分布于纖維內(nèi)部的白藜蘆醇擴(kuò)散到乙醇中需要更長(zhǎng)的時(shí)間,因此,釋放一定時(shí)間后釋放速率反而上升。此現(xiàn)象說(shuō)明采用超臨界CO2流體制備的載藥二醋酸纖維能使藥物更大比例地分布于纖維內(nèi)部。

由圖1(c)、(d)可看出,更高超臨界CO2流體溫度條件下制備的載藥二醋酸纖維在釋放介質(zhì)中的累計(jì)釋放百分比及對(duì)應(yīng)的累計(jì)釋放速率均更低。這說(shuō)明當(dāng)溫度較高時(shí),溶解在流體中的白藜蘆醇進(jìn)入二醋酸纖維內(nèi)部的比例更大,當(dāng)制備好的載藥二醋酸纖維處于釋放介質(zhì)中時(shí),由于白藜蘆醇更多分布于二醋酸纖維內(nèi)部,最終使累計(jì)釋放百分比、累計(jì)釋放速率降低。分析其原因?yàn)槎姿崂w維本身分子鏈之間空隙較大,規(guī)整性較低[12],超臨界CO2流體滲透進(jìn)入二醋酸纖維內(nèi)部相對(duì)更容易,并能夠?qū)ζ洚a(chǎn)生溶脹作用,而溫度升高起到進(jìn)一步加強(qiáng)作用,因此,溫度越高,溶解在流體中的白藜蘆醇越能更大程度地隨CO2流體進(jìn)入二醋酸纖維內(nèi)部,最終導(dǎo)致溫度為90 ℃條件下制備的載有白藜蘆醇的二醋酸纖維在接近釋放平衡時(shí),仍有將近40%的白藜蘆醇?xì)埩粼诙姿崂w維中。

圖1(d)同樣顯示釋放一定時(shí)間后,白藜蘆醇從二醋酸纖維中的累計(jì)釋放速率呈現(xiàn)上升趨勢(shì),具體為當(dāng)釋放時(shí)間為40 min時(shí),溫度為70、80 ℃條件下制備的載藥二醋酸纖維釋放速率呈現(xiàn)上升現(xiàn)象;當(dāng)釋放時(shí)間為50 min時(shí),溫度為90 ℃條件下制備的載藥二醋酸纖維釋放速率呈現(xiàn)上升現(xiàn)象。其原因仍然與二醋酸纖維內(nèi)部分布的部分白藜蘆醇相關(guān)。在CO2流體對(duì)二醋酸纖維的滲透作用下,溶解在CO2流體中的白藜蘆醇也隨其滲透進(jìn)入二醋酸纖維內(nèi)部;當(dāng)所制備的載藥二醋酸纖維處于釋放介質(zhì)中時(shí),分布于纖維內(nèi)部的白藜蘆醇溶解在乙醇中并從纖維內(nèi)層擴(kuò)散至纖維表面,再擴(kuò)散至乙醇中;相較分布于纖維表面的白藜蘆醇直接擴(kuò)散至乙醇中,處于纖維內(nèi)部的白藜蘆醇擴(kuò)散到乙醇中的時(shí)間有一定的延后,從而使得整體釋放速率在初始釋放一定時(shí)間后反而呈現(xiàn)上升現(xiàn)象。

2.2 不同壓力下制備的載藥纖維釋放曲線

利用超臨界CO2流體在溫度為80 ℃,時(shí)間為90 min,不同壓力條件下制備負(fù)載白藜蘆醇的二醋酸纖維,將其置于釋放介質(zhì)乙醇中,根據(jù)其釋放量、釋放時(shí)間繪制相應(yīng)釋放曲線,如圖2所示。

圖2 不同流體壓力下所制備負(fù)載白藜蘆醇的二醋酸纖維的釋放曲線Fig.2 Release curves of resveratrol-loaded diacetate fibers processed by different fluid pressure. (a) Absolute release amount; (b) Absolute release rate; (c) Cumulative release percentage; (d) Cumulative release rate

由圖2(a)、(b)可看出,整體上隨著壓力的升高,白藜蘆醇從二醋酸纖維中的絕對(duì)釋放量、絕對(duì)釋放速率均更高,分析其原因仍與白藜蘆醇在二醋酸纖維上的負(fù)載量相關(guān)。當(dāng)壓力分別為12、16、20 MPa 時(shí),白藜蘆醇在二醋酸纖維上的負(fù)載量分別為0.592 × 10-4、0.884 × 10-4、2.177 × 10-4g/g, 更高的負(fù)載量使得白藜蘆醇從二醋酸纖維中的絕對(duì)釋放量、絕對(duì)釋放速率均更高。但初始釋放時(shí)間0～50 min 內(nèi),在壓力為12 MPa條件下制備的載藥二醋酸纖維的絕對(duì)釋放量、絕對(duì)釋放速率均更高。其原因?yàn)?低壓下超臨界CO2流體通過滲透作用進(jìn)入二醋酸纖維內(nèi)部的程度較小,壓力釋放后CO2流體轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w逸出,而溶解在流體中的白藜蘆醇析出并更多負(fù)載在纖維表面;當(dāng)壓力升高時(shí),CO2流體滲透進(jìn)入二醋酸纖維內(nèi)部的程度增大,從而引起溶解在流體中的白藜蘆醇滲進(jìn)纖維內(nèi)部的程度增大,壓力釋放后更多的白藜蘆醇分布在纖維內(nèi)部。當(dāng)處于釋放介質(zhì)中時(shí),分布在纖維表面的白藜蘆醇最先釋放,而分布在纖維內(nèi)部的白藜蘆醇釋放有一定延遲,最終導(dǎo)致在釋放初始階段(0～50 min),壓力為 12 MPa 條件下制備的載藥二醋酸纖維絕對(duì)釋放量、絕對(duì)釋放速率更高。

由圖2(c)、(d)可看出,較高流體壓力下制備的載藥二醋酸纖維的累計(jì)釋放百分比、累計(jì)釋放速率均更低。其原因?yàn)?當(dāng)壓力較低時(shí),CO2流體滲透進(jìn)入二醋酸纖維內(nèi)部的程度較小,導(dǎo)致溶解在CO2流體中的白藜蘆醇滲進(jìn)二醋酸纖維內(nèi)部的程度也較小;壓力釋放后,相較于纖維內(nèi)部,纖維淺表層分布更多的白藜蘆醇,因此,壓力較低時(shí)制備的載藥二醋酸纖維的累計(jì)釋放百分比更高;當(dāng)壓力升高后,CO2流體對(duì)二醋酸纖維的滲透作用顯著增強(qiáng),溶解在CO2流體中的白藜蘆醇滲進(jìn)纖維內(nèi)部的比例增大,壓力釋放后大量白藜蘆醇留存在纖維內(nèi)部,導(dǎo)致較高壓力下制備的載藥二醋酸纖維累計(jì)釋放百分比更低。從圖2(c)看出,當(dāng)超臨界CO2流體壓力為 20 MPa 時(shí),所制備的載藥二醋酸纖維在介質(zhì)中釋放250 min時(shí),藥物殘留量可達(dá)50%。從圖2(d)看出,當(dāng)壓力為16、20 MPa時(shí),制備的載藥二醋酸纖維在釋放30～50 min后累計(jì)釋放速率有輕微上升。其原因仍然與更多的白藜蘆醇分布在纖維內(nèi)部相關(guān),當(dāng)處于釋放介質(zhì)中時(shí),分布在纖維內(nèi)部的白藜蘆醇需先擴(kuò)散至纖維表面,隨后再分散到釋放介質(zhì)中,導(dǎo)致一定釋放時(shí)間后累計(jì)釋放速率有輕微上升。

綜上可知:超臨界CO2流體溫度、壓力越高,制備得到的載藥二醋酸纖維其白藜蘆醇負(fù)載量越大,從而導(dǎo)致白藜蘆醇從二醋酸纖維中的絕對(duì)釋放量、絕對(duì)釋放速率更高;溫度、壓力的升高增強(qiáng)了CO2流體對(duì)二醋酸纖維的滲透、溶脹,使得更多的白藜蘆醇進(jìn)入到二醋酸纖維內(nèi)部,引起白藜蘆醇從二醋酸纖維中的累計(jì)釋放百分比、累計(jì)釋放速率下降;由于白藜蘆醇在纖維內(nèi)部的分布比例增大,導(dǎo)致初始釋放一定時(shí)間后,累計(jì)釋放速率反而有一定上升。

3 載藥二醋酸纖維釋放模型的建立

零級(jí)釋放模型、一級(jí)釋放模型、Higuchi模型以及Korsmeyer-Peppas模型是描述藥物釋放機(jī)制的主要模型,但零級(jí)釋放模型相對(duì)簡(jiǎn)單,建立的相關(guān)參數(shù)一般難以準(zhǔn)確描述釋放過程[13-15],因此,本文選擇一級(jí)釋放模型、Higuchi模型以及Korsmeyer-Peppas模型描述白藜蘆醇從二醋酸纖維中的釋放行為,模型具體公式如下。

一級(jí)釋放模型:

Qt=Keαt+b

Higuchi模型:

Qt=Kt0.5+b

Korsmeyer-Peppas模型:

Qt=Ktn

式中:Qt為藥物在時(shí)間t時(shí)對(duì)應(yīng)的累計(jì)釋放百分比[11],%;K為速率常數(shù);n為擴(kuò)散指數(shù);α、b為所建立模型的相應(yīng)系數(shù)及截距。

3.1 不同溫度下制備的載藥纖維釋放模型

將不同溫度下制備的載藥二醋酸纖維的累計(jì)釋放百分比曲線進(jìn)行一級(jí)釋放動(dòng)力學(xué)模型、Higuchi模型、Korsmeyer-Peppas模型擬合,結(jié)果如表1及圖3所示。

表1 超臨界CO2流體不同溫度下制備的載藥二醋酸纖維的釋放模型擬合參數(shù)Tab.1 Fitting parameters of release models of drug-loaded diacetate fibers processed by supercritical CO2 fluid at different temperatures

圖3 不同流體溫度下所制備負(fù)載白藜蘆醇的二醋酸纖維的釋放擬合曲線Fig.3 Release simulation curves of resveratrol-loaded diacetate fibers at different fluid temperatures. (a) First-order release model; (b) Higuchi model; (c) Korsmeyer-Peppas model

由表1可看出,超臨界CO2流體溫度為70、80、90 ℃時(shí)制備的載藥二醋酸纖維的一級(jí)釋放模型擬合度R2分別為0.957 1、0.961 3、0.935 4,Higuchi模型擬合度R2分別為0.598 4、0.759 9、0.716 5,Korsmeyer-Peppas模型擬合度R2分別為0.666 4、0.819 9、0.763 3。說(shuō)明一級(jí)釋放模型對(duì)載藥二醋酸纖維釋放曲線的擬合度最高,均在0.93以上。此外,圖3表明一級(jí)釋放模型的擬合曲線與載藥二醋酸纖維實(shí)際釋放曲線重合度最高,說(shuō)明載藥二醋酸纖維的釋放曲線可用一級(jí)釋放動(dòng)力學(xué)模型描述。

3.2 不同壓力下制備的載藥纖維釋放模型

將不同壓力下制備的載藥二醋酸纖維的累計(jì)釋放百分比曲線進(jìn)行一級(jí)釋放動(dòng)力學(xué)模型、Higuchi模型、Korsmeyer-Peppas模型擬合,結(jié)果如表2及圖4所示。

表2 超臨界CO2流體不同壓力下制備的載藥二醋酸纖維的釋放模型擬合參數(shù)Tab.2 Fitting parameters of release models of drug-loaded diacetate fibers processed by supercritical CO2 fluid at different pressures

圖4 不同流體壓力下所制備負(fù)載白藜蘆醇的二醋酸纖維的釋放擬合曲線Fig.4 Release simulation curves of resveratrol-loaded diacetate fibers at different fluid pressures. (a) First-order release model; (b) Higuchi model; (c) Korsmeyer-Peppas model

由表2可知,超臨界CO2流體在不同壓力12、16、20 MPa條件下制備的載藥二醋酸纖維的一級(jí)釋放模型擬合度R2分別為0.996 3、0.976 9、0.966 4,Higuchi模型擬合度R2分別為0.443 8、0.797 9、0.968 5,Korsmeyer-Peppas模型擬合度R2分別為0.587 4、0.850 2、0.965 4。同樣顯示一級(jí)釋放動(dòng)力學(xué)模型對(duì)載藥二醋酸纖維釋放曲線的擬合度最高,且圖4中一級(jí)釋放模型的擬合曲線與載藥二醋酸纖維實(shí)際釋放曲線重合度最高。

綜上可知,一級(jí)釋放動(dòng)力學(xué)模型更適合描述不同超臨界CO2流體溫度、壓力條件下制備的負(fù)載白藜蘆醇的二醋酸纖維的釋放行為。

4 結(jié) 論

本文考察了超臨界CO2流體溫度、壓力對(duì)負(fù)載有白藜蘆醇的二醋酸纖維在釋放介質(zhì)乙醇中釋放行為的影響,同時(shí)建立釋放動(dòng)力學(xué)模型,可為制備具有良好釋放性能的載藥二醋酸纖維提供參考依據(jù),通過研究得到如下主要結(jié)論。

1)由于更高超臨界CO2流體溫度、壓力下制備的載藥二醋酸纖維藥物的負(fù)載量更高,從而導(dǎo)致藥物白藜蘆醇從二醋酸纖維中的絕對(duì)釋放量、絕對(duì)釋放速率均更高。

2)溫度、壓力的升高引起CO2流體對(duì)二醋酸纖維滲透、溶脹作用增強(qiáng),導(dǎo)致更高溫度、壓力條件下制備的載藥二醋酸纖維累計(jì)釋放百分比、累計(jì)釋放速率更低,接近釋放平衡時(shí),白藜蘆醇在二醋酸纖維中的殘留率可達(dá)50%。

3)由于部分白藜蘆醇分布于二醋酸纖維內(nèi)部,導(dǎo)致初始釋放一定時(shí)間后,白藜蘆醇釋放到介質(zhì)乙醇中的速率反而有一定上升。

4)相較Higuchi模型、Korsmeyer-Peppas模型,白藜蘆醇從二醋酸纖維中的釋放行為更符合一級(jí)釋放動(dòng)力學(xué)模型,擬合度R2均在0.93以上。