皮膚吸附靜電噴霧載藥微球的制備及其吸附性能研究

毛越洋 徐靜文 張宇軒 沈文

文章編號(hào)：2096-398X2024）03-0076-07

（陜西科技大學(xué) 生物與醫(yī)藥學(xué)院，? 陜西 西安 710021）

摘 要：為了開發(fā)一種促進(jìn)傷口愈合的新型生物醫(yī)用敷料，利用靜電噴霧技術(shù)制備了三種載藥微球.采用掃描電子顯微鏡、紅外光譜、親疏水性測(cè)試等表征了微球的形貌、結(jié)構(gòu)、濕潤性能，結(jié)果表明三種微球的最適合負(fù)載藥物的濃度：1%濃度聚乳酸（PLA），3%濃度丙烯酸樹脂（PAR），1%濃度的殼聚糖（CS），三種微球均具有良好的潤濕性和包封效果.通過皮膚吸附性實(shí)驗(yàn)表明，可以定性分析微球確實(shí)吸附在皮膚表面，進(jìn)一步模擬自然環(huán)境下微球損失率的測(cè)定，定量說明了微球在皮膚表面的黏附情況.

關(guān)鍵詞：靜電噴霧； 載藥微球； 皮膚吸附

中圖分類號(hào)：R944.9??? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Study on preparation and adsorption properties of electrostatic spray drug-carrying microspheres with skin adsorption function

MAO Yue-yang， XU Jing-wen， HANG Yu-xuan， SHEN Wen*

School of Biological and Pharmaceutical Sciences， Shaanxi University of Science & Technology， Xi′an 710021， China）

Abstract：In order to develop a novel biomedical dressing to promote wound healing，three types of drug-loaded microspheres were prepared using electrostatic spraying technology.Scanning electron microscopy，infrared spectroscopy，and hydrophilicity test were used to characterize the morphology，structure，and wetting properties of the microspheres，and the results showed that the three microspheres had the most suitable concentrations for loading drugs：1% concentration of polylactic acid PLA），3% concentration of acrylic resin PAR），and 1% concentration of chitosan CS），and that the three microspheres had good wetting and encapsulation effects.The skin adsorption experiments showed that the microspheres could be qualitatively analyzed to be indeed adsorbed on the skin surface，and further simulated the determination of microsphere loss rate in the natural environment，which quantitatively illustrated the adhesion of the microspheres on the skin surface.

Key words：electrostatic spray; drug-loaded microspheres; skin absorption

0 引言

皮膚是人類最重的器官，能夠起到屏障和保護(hù)作用［1］.但是由于其位于體表，不免會(huì)與各種化學(xué)物質(zhì)接觸、受到各種物理因素影響，導(dǎo)致皮膚組織功能的喪失.皮膚受到嚴(yán)重?fù)p傷后，有可能會(huì)生成大量的瘢痕組織，給病人生活質(zhì)量帶來重大影響.因此，開發(fā)能夠促進(jìn)創(chuàng)面細(xì)胞遷移、增殖和分化的新型生物醫(yī)用材料，從而實(shí)現(xiàn)創(chuàng)面的快速修復(fù)，具有重大的醫(yī)學(xué)意義和市場(chǎng)價(jià)值［2］.傳統(tǒng)的傷口敷料主要包括凝膠和薄膜兩大類.這兩類敷料主要通過其結(jié)構(gòu)特征而發(fā)揮隔菌、透氣的作用，同時(shí)負(fù)載一部分具有抗菌抗炎功能的藥物來進(jìn)一步加速傷口愈合.這部分敷料在應(yīng)用中往往存在兩大問題.其一是透氣性能不足導(dǎo)致傷口處溫度升高缺氧進(jìn)而影響傷口的愈合速率［3，4］.其二就是敷料與皮膚的貼合程度不足，導(dǎo)致其易于脫落或者造成體感不適［5］.針對(duì)上述問題，載藥微球被提出用于促進(jìn)傷口愈合.

載藥微球擁有較高的比表面積，可以吸附在傷口處促進(jìn)血液凝固并釋放藥物抑制細(xì)菌增殖.常用的微球基材包括天然高分子和合成高分子兩類.殼聚糖［6］、海藻酸鈉［7］、透明質(zhì)酸［8］等天然高分子擁有優(yōu)秀的生物相容性，材料本身幾乎不會(huì)對(duì)傷口的愈合產(chǎn)生負(fù)面影響.但天然高分子大多數(shù)親水，從而導(dǎo)致天然高分子基微球更易從傷口處脫落，需要反復(fù)給藥.聚乳酸［9］、聚己內(nèi)酯［10］等合成高分子降解速率較慢、大多呈疏水性，所以合成高分子基微球?qū)ζつw的吸附效果更好，作為傷口敷料擁有顯著優(yōu)勢(shì).載藥微球還能夠更好的保護(hù)藥物活性.由于載藥微球的結(jié)構(gòu)可以很好地阻斷藥物和液體及氧氣之間的接觸，生長因子等小分子多肽直接裝載至凝膠、薄膜等敷料上時(shí)活性周期往往短于微球敷料［11］.常用的載藥微球制備方法有離子交聯(lián)法［12］、相分離法［13］、反溶劑法［14］、靜電噴霧法［15］等.

靜電噴霧法是一種應(yīng)用廣泛載藥微球制備方法.其最主要優(yōu)點(diǎn)在于可以最大程度避免制備過程中溶劑對(duì)藥物活性的影響.其原理就是在高壓電場(chǎng)的作用下，導(dǎo)電液體從注射器的噴嘴噴出，形成微小液滴.當(dāng)電壓足夠大的時(shí)候，電場(chǎng)力克服液體的表面張力，使得液滴噴出并且分裂成霧狀，變?yōu)閹в须姾傻撵F滴，并且由于電場(chǎng)的作用，當(dāng)霧滴的電場(chǎng)力與表面張力處于平衡狀態(tài)時(shí)，霧滴繼續(xù)分裂，產(chǎn)生直徑更小的霧滴，形成泰勒錐，直到液滴中的溶劑完全揮發(fā)，最后變?yōu)槲ⅲ{）米粒子沉積在接收板上［16］.這些微（納）米粒子的粒徑分布具有單分散性，可以通過調(diào)整工藝參數(shù)準(zhǔn)確地控制其平均粒徑與形貌［17］.其主要優(yōu)勢(shì)在于制備過程簡單，制備條件易于實(shí)現(xiàn)，載藥量較高，制備過程對(duì)藥物活性的影響較小.

載藥微球應(yīng)用于傷口愈合的關(guān)鍵在于其皮膚吸附能力.過去的研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)粒子的直徑小于200 nm時(shí)由于其較高的比表面積，對(duì)皮膚的吸附能力也會(huì)顯著增加［18］.除此之外，疏水性微球更易與皮膚貼合還能避免因與體液接觸造成的脫落.載藥微球的粒徑分布，微觀形態(tài)形貌，親疏水性還會(huì)影響藥物的輸送，從而改變藥物的給藥途徑.本研究通過調(diào)整聚合物的種類、聚合物的濃度梯度等因素，控制微球的形態(tài)和形貌，從而得到具有良好皮膚吸附性能的載藥微球.

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

聚乳酸（Mn=18 kDa），Nature Works；聚丙烯酸樹脂Ⅳ（Mn=150 kDa），德國Rohm公司；殼聚糖（Mn=100 kDa），上海麥克林生化科技有限公司；二氯甲烷（分析純），天津科密歐試劑有限公司；乙酸（分析純），天津科密歐試劑有限公司；氯仿（分析純），天津科密時(shí)歐試劑有限公司；二甲基亞砜（分析純），天津科密歐試劑有限公司；無水乙醇（分析純），天津科密歐試劑有限公司.

1.2 儀器與設(shè)備

FEI Verios 460高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，美國FEI公司；Vertex70傅里葉變換紅外光譜儀，德國布魯克公司；Y1515恒流泵，保定融柏恒流泵制造有限公司；FM-1012型靜電紡絲設(shè)備，北京富友馬科技有限責(zé)任公司.

1.3 微球制備

1.3.1 空白靜電噴霧微球的制備

稱取不同質(zhì)量的PLA（Mw=18 kDa），PAR（Ⅳ型，Mw=150 kDa），CS（Mw=100 kDa）作為基礎(chǔ)材料，按照表1所示比例配制不同的靜電噴霧溶液.各取4 mL上述不同濃度的PLA溶液、CS溶液和PAR溶液進(jìn)行靜電噴霧.高壓正極連接針頭，負(fù)極連接10×10 cm2的鋁箔.噴霧條件為：相對(duì)濕度55%，溫度25 ℃，針尖與接收端的距離為10 cm，電壓18 kV，注射速率7 mL/h.

鋁箔上收集到的樣品即為空白靜電噴霧微球，室溫保存.探究上述不同聚合物類型對(duì)應(yīng)的濃度對(duì)微球形貌的影響，篩選最優(yōu)微球制備濃度.

1.3.2 載藥靜電噴霧微球的制備

根據(jù)表1篩選出的三種聚合物靜電噴霧微球制備的最優(yōu)濃度（1%PLA，3%PAR，1.0%CS）在溶液中加入占溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的姜黃素（Cur）.各取4 mL上述PLA/Cur溶液、PAR/Cur溶液和CS/Cur溶液進(jìn)行靜電噴霧.高壓正極連接針頭，負(fù)極連接10×10 cm2的鋁箔.噴霧條件為：相對(duì)濕度55%，溫度25 ℃，針尖與接收端的距離為10 cm，電壓18 kV，注射速率7 mL/h.

鋁箔上收集到的樣品即為載藥靜電噴霧微球，室溫保存.探究藥物的加入對(duì)微球形貌的影響.

[BT4-+1mm]1.4 形貌與結(jié)構(gòu)表征

1.4.1 SEM

將靜電噴霧微球凍干處理后，裁剪成小塊置于導(dǎo)電膠上，在真空條件下進(jìn)行噴金處理，之后使用SEM進(jìn)行微球的形態(tài)形貌表征，得到的電鏡圖使用ImageJ軟件手動(dòng)測(cè)量微粒的直徑，最后用Origin Pro 2023軟件繪制粒徑分布直方圖并擬合分布曲線.

1.4.2 FTIR

使用傅里葉紅外光譜儀對(duì)制備的載藥微球進(jìn)行表征，取微量的樣品和干燥后的Br粉末混合并研磨均勻，壓片成功后測(cè)試.

1.5 親疏水性測(cè)試

制備水接觸角表征所需的樣品，使用表面潤濕角儀測(cè)量靜電噴霧微球的水接觸角，每個(gè)樣品分別滴入三次5 μL的水，三次滴入互不影響，滴下后立即拍照，記錄水滴左右兩側(cè)的角度數(shù)據(jù)，每組樣品測(cè)出三組數(shù)據(jù)，取左右側(cè)和三組數(shù)據(jù)的平均值來確定水接觸角的大小.計(jì)算平均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差，用Origin Pro 2023繪制相應(yīng)的水接觸角柱狀圖.

1.6 姜黃素標(biāo)曲測(cè)定

精密稱定10.50 mg姜黃素，用無水乙醇超聲溶解后轉(zhuǎn)入100 mL容量瓶中，得到0.105 mg/mL的對(duì)照品溶液，精密量取100、200、300、400、500、600、700 μL至10 mL棕色容量瓶后定容，搖勻，使用426 nm最大波長，紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)定，繪制姜黃素標(biāo)準(zhǔn)曲線.

1.7 皮膚吸附性能測(cè)試

1.7.1 主動(dòng)吸附性能測(cè)試

本研究設(shè)計(jì)了如圖1所示的微球吸附裝置，從而減少外力對(duì)微球吸附性能的影響.將豬皮垂直方向固定在固定板上，漏斗完全封閉的蓋在豬皮之上，將載藥微球取固定量放置在漏斗的頸前端，使用洗耳球進(jìn)行快速吹氣，可以將微球吸附在豬皮表面.

將進(jìn)行上述步驟的豬皮，裁剪成小塊，用鑷子取上層極薄皮制樣后，使用光學(xué)顯微鏡放大400倍后觀察.

1.7.2 吸附穩(wěn)定性測(cè)試

將豬皮切割成3 cm的圓形并將其內(nèi)層粘貼至垂直放置的固定板上.分別取2 mg PLA-Cur微球、PAR-Cur微球和CS-Cur微球均勻涂抹在不同圓形豬皮表面.用恒流泵輸送洗脫液沖洗涂抹微球處的皮膚1 min并收集洗脫液.洗脫液為PBS緩沖液（pH7.2～7.4），恒流泵流速分別設(shè)置為20 mL/min、40 mL/min、60 mL/min.

洗脫液加入無水乙醇稀釋，攪拌24 h至Cur完全釋放后測(cè)量吸光度.測(cè)量姜黃素標(biāo)準(zhǔn)曲線，根據(jù)姜黃素標(biāo)準(zhǔn)曲線算出洗脫液中的藥物含量即藥物損失量.根據(jù)公式（1）計(jì)算藥物損失率.

損失率=藥物損失量/（吸附微球質(zhì)量×載藥量）×100%（1）

2 結(jié)果與討論

2.1 微球的形貌分析

2.1.1 PLA靜電噴霧微球

不同濃度的PLA靜電噴霧微球的微觀形貌如圖2所示.當(dāng)PLA濃度在0.1%～1%時(shí)，隨著PLA濃度升高微球的直徑和球度逐漸增大，并且微球表面出現(xiàn)多孔.當(dāng)PLA濃度在1%～5%時(shí)，隨著PLA濃度增大微球逐漸向纖維轉(zhuǎn)化.當(dāng)PLA濃度增加到5%時(shí)，幾乎不再生成微球，而是生成了靜電紡絲纖維.這一現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于PLA分子間鏈纏結(jié)力隨著濃度增大而增大，當(dāng)PLA濃度在0.1%～1%時(shí)，鏈纏結(jié)力較弱，故分子團(tuán)聚成直徑較小的納米粒.當(dāng)濃度達(dá)1%時(shí)，鏈纏結(jié)力相對(duì)較強(qiáng)導(dǎo)致微球直徑增加，微球表面的溶劑率先揮發(fā)留下孔洞.PLA濃度增大至1%～5%時(shí)，PLA溶液粘度和電導(dǎo)率同時(shí)增大，PLA分子鏈纏結(jié)力繼續(xù)增大，達(dá)到靜電紡絲的條件，形成纖維.

結(jié)合微球的粒徑分布情況（圖3）以及特殊的多孔結(jié)構(gòu)帶來的高表面能，選擇1%濃度的PLA作為微球制備的最優(yōu)濃度進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn).

2.1.2 PAR靜電噴霧微球

不同濃度的PAR靜電噴霧微球的微觀形貌如圖4所示.PAR（Ⅳ）分子鏈纏結(jié)力較大，故所有濃度的PAR微球的黏連情況都較為顯著.但是其較大的分子鏈纏結(jié)力使1%和3%濃度PAR的微球呈現(xiàn)類似紅細(xì)胞的雙凹圓盤形.這種結(jié)構(gòu)擁有更高的表面積和更大的表面能，對(duì)于藥物的負(fù)載擁有顯著優(yōu)勢(shì).粒徑分布（圖5）表明3%濃度PAR的微球粒徑更加均勻.綜上考慮，選擇PAR3.0%濃度的微球進(jìn)行后續(xù)的負(fù)載藥物研究.

2.1.3 CS靜電噴霧微球

不同濃度的CS靜電噴霧微球的微觀形貌如圖6所示.質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的CS微球的SEM圖種無法準(zhǔn)確區(qū)分微球與雜質(zhì)的大小差異，結(jié)果并不明顯.較低濃度的CS（質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤1%時(shí)）獲得的靜電噴霧微球的形態(tài)較為規(guī)則，為圓球狀，且微球與微球間的粘連較不明顯，未分散開的纖維較少，較高濃度的CS（質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥1%）獲得的微球粘連較嚴(yán)重，并且出現(xiàn)很明顯的纖維結(jié)構(gòu)，不適合進(jìn)行靜電噴霧微球的制備.CS微球的的粒徑分布曲線（圖7）表明，四種濃度CS微球的粒徑分布區(qū)間無明顯差異.綜合考慮，選擇CS1.0%濃度的微球進(jìn)行后續(xù)的藥物負(fù)載研究.

2.1.4 載藥微球的形貌分析

不同基材載藥微球的微觀形貌如圖8所示.

三種微球的載藥量均為10%，形貌上與未載藥的空白微球無明顯差異.PLA-Cur微球呈現(xiàn)多孔狀，這種形貌擁有更大的比表面積，能夠顯著增強(qiáng)微球的皮膚吸附性能.PAR-Cur微球出現(xiàn)粘連現(xiàn)象，與2.1.2節(jié)中PAR濃度較低時(shí)形態(tài)結(jié)構(gòu)相似.CS-Cur微球形態(tài)較為均勻，直徑最小，有利于對(duì)皮膚的吸附.

2.2 FTIR

姜黃素與PLA，PAR，CS載藥微球的紅外特征如圖9所示.由圖可知，姜黃素的酚羥基-OH特征峰位于3 509 cm-1，C=C的特征吸收峰為1 509 cm-1.三種載藥微球中均出現(xiàn)了姜黃素的-OH特征峰，C=C的特征峰的偏移，表明藥物成功被包封在聚合物中.

2.3 親疏水性測(cè)試

靜電噴霧微球的潤濕性有很多因素影響，其中主要因素是微球基材的性質(zhì)，同時(shí)制備微球的表面結(jié)構(gòu)和形貌以及粗糙程度也會(huì)影響潤濕性.潤濕性會(huì)影響微球在皮膚表面的黏附性能以及制備成復(fù)合材料在組織工程中是否有利于細(xì)胞的黏附，生長，增殖，分化等過程.

微球的水接觸角測(cè)試結(jié)果如圖10所示，選擇的微球基材PLA與PAR屬于疏水性材料，CS屬于親水性材料，親水性材料的水接觸角應(yīng)該低于90°，疏水性材料的水接觸角應(yīng)該高于90°.通過對(duì)三種基材的微球進(jìn)行潤濕性的分析.同濃度的載藥微球與純基材微球的水接觸角相近，姜黃素是疏水性藥物，可以說明載藥并不影響微球的性質(zhì)，在親水性CS微球的水接觸角圖中可以看出水接觸角并沒有明顯增加，可以體現(xiàn)微球的包封效果較好.

2.4 微球的皮膚吸附性能測(cè)試

2.4.1 微球的主動(dòng)吸附性能

模擬自然氣流條件下微球?qū)ζつw的吸附，吸附后皮膚表面的顯微鏡圖像如圖11所示.未被微球吸附的普通豬皮呈灰白色或偏紅色，三種載Cur微球皆呈明顯的黃色，故可根據(jù)豬皮表面黃色的深淺及面積大小判斷微球的吸附能力.PLA-Cur微球及PAR-Cur微球吸附的皮膚皆呈現(xiàn)大面積的黃色，而PLA-Cur微球吸附的皮膚黃色更加明亮.CS-Cur微球吸附的皮膚與未被微球吸附的皮膚差異較小，僅呈現(xiàn)淺淺的黃色.

因此合成高分子微球擁有更好的皮膚吸附能力.而PLA微球相比PAR微球直徑更小，同時(shí)具備多孔結(jié)構(gòu)帶來的高比表面積，因此擁有著更加優(yōu)異的主動(dòng)皮膚吸附能力.

2.4.2 微球的吸附穩(wěn)定性

姜黃素的標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖12所示.根據(jù)此標(biāo)曲計(jì)算的PLA-Cur微球、PAR-Cur微球和CS-Cur微球被涂抹在皮膚表面后被不同流速洗脫液洗脫的損失率如圖13所示.從圖中可以看出三種基材的微球被不同流速的洗脫液洗脫后的損失率均低于40%，表明三種基材的載藥微球均具有良好的皮膚吸附性能.隨著流速增大，三者損失率均呈上升趨勢(shì).但PLA-Cur微球的損失率上升趨勢(shì)最小，證明PLA-Cur微球擁有最優(yōu)異的皮膚吸附性能.CS-Cur微球的損失率始終高于合成聚合物，證明親水性高分子的皮膚吸附能力相對(duì)較差，易受到汗液等外界因素影響而脫離皮膚.而合成高分子主要呈疏水性，皮膚親和力更強(qiáng).PAR-Cur微球的直徑更大且不具備多孔結(jié)構(gòu)，因此相較于PLA-Cur微球皮膚吸附性能更差.

3 結(jié)論

本文基于靜電噴霧法制備了PLA、PAR、CS皮膚吸附式微球，研究了微球的微觀形貌、親疏水性能以及皮膚吸附能力.根據(jù)SEM圖，篩選出PLA、CS、PAR三種微球的最適合負(fù)載藥物的濃度：1%PLA、3%PAR、1%CS.SEM結(jié)果表明10%載藥量的PLA-Cur微球、PAR-Cur微球和CS-Cur微球形貌與載藥前無明顯差異，CS-Cur微球形態(tài)較為均勻，粒徑較??；PAR-Cur微球出現(xiàn)粘連現(xiàn)象；PLA-Cur微球呈現(xiàn)多孔狀，多孔結(jié)構(gòu)可以顯著增強(qiáng)微球的比表面積加強(qiáng)皮膚吸附性能，并且為藥物的持續(xù)釋放提供基礎(chǔ).FTIR結(jié)果表明，載藥微球均出現(xiàn)了姜黃素的紅外特征峰，姜黃素已經(jīng)成功的負(fù)載在三種微球上.親疏水測(cè)試結(jié)果表明三種微球皆具有良好的包封效果，載藥前后微球的親疏水性無明顯變化.皮膚吸附性能測(cè)試的結(jié)果表明，PLA-Cur微球擁有更加優(yōu)異的主動(dòng)吸附能力，并且吸附穩(wěn)定性更好.這基于其合成高分子材料的疏水性以及多孔結(jié)構(gòu)帶來的高比表面積，未來可以為傷口愈合敷料提供技術(shù)支持，提升靜電噴霧傷口敷料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用.

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【責(zé)任編輯：蔣亞儒】

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（22308207）； 陜西省科技廳科技計(jì)劃項(xiàng)目（2023-YBSF-379）； 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院自主創(chuàng)新基金項(xiàng)目（CX21）3030）

作者簡介：毛越洋（1999—），男，黑龍江哈爾濱人，在讀碩士研究生，研究方向：靜電紡絲組織工程支架

通訊作者：沈 文（1982—），男，陜西咸陽人，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，博士，研究方向：藥物制劑及生物醫(yī)用高分子材料，shenwensm@sust.edu.cn