靜電紡載藥PCL/PU高取向納米纖維的制備及其性能研究

王新明，陳文，胡知之，2，朱建民，劉兆斌，馬可*

靜電紡載藥PCL/PU高取向納米纖維的制備及其性能研究

王新明1，陳文1，胡知之1，2，朱建民3，劉兆斌3，馬可1*

（1. 遼寧科技大學(xué) 化工學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；2. 遼寧奧克華輝新材料有限公司，遼寧 遼陽 111003；3. 奧克控股集團股份公司，遼寧 遼陽 111003）

近年來，生物相容性納米復(fù)合材料在藥物釋放等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越受到人們的關(guān)注。制備了PCL與聚氨酯（PU）復(fù)合的高取向載藥納米纖維，以改善高聚物納米纖維在藥物緩釋、生物組織培養(yǎng)中的性能，擴大應(yīng)用市場，為復(fù)合纖維膜在藥物的控制釋放方面的應(yīng)用提供依據(jù)。

納米纖維；高取向；藥物緩釋

在過去的20年中， 納米級藥物傳輸系統(tǒng)（DDSs）已經(jīng)引起了制藥、生物技術(shù)和醫(yī)療保健行業(yè)的關(guān)注[1-4]，并且已經(jīng)開發(fā)了許多新的DDSs[5-10]。隨著納米技術(shù)的發(fā)展和一些歷史性的突破[11-13]，納米纖維由于其簡單的生產(chǎn)方法和高比表面積而被廣泛應(yīng)用于DDSs中。DDSs需要滿足藥物在靶點的可控釋放、高載藥量、生物降解性、無毒性和成本效益等主要要求。藥物洗脫支架、納米制劑藥物、提高療效的裝置和藥物涂層等DDS技術(shù)使藥物靶向給藥減少了藥物的副作用。

聚己內(nèi)酯（PCL）是DDSs中最有前途的可生物降解聚合物之一，因為其力學(xué)和生物學(xué)特性使其適合于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。PCL是一種半結(jié)晶脂肪族聚酯，具有較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（-60 ℃），具有廣泛的體內(nèi)和體外生物相容性[14-15]。美國食品和藥物管理局已批準PCL用于大量DDS和其他生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用[16]。聚氨酯（PU）是另一種廣泛使用的高彈性聚合物，由硬段和軟段組成。二者混合聚合物的優(yōu)點是可以從每種聚合物中創(chuàng)建具有互補特性的新復(fù)合材料。例如，PCL可以提供高生物相容性、生物降解性以及物理和機械穩(wěn)定性，而PU可以增強彈性。多項研究表明，取向性納米纖維在促進細胞生長和引導(dǎo)組織再生方面起著細胞生長的促進作用，細胞沿軸向排列生長，其定向生長排列的方向影響細胞的分化、增殖及功能[17-18]。構(gòu)建納米尺度的高取向結(jié)構(gòu)有可能獲得與天然細胞外基質(zhì)較為接近的結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)細胞在支架中的生長、增殖等功能。

為制得高取向性的載藥納米纖維[19]，本文將使用這種混紡納米纖維作為應(yīng)用于臨床藥物緩釋載體的材料。主要從混紡納米纖維的制備并對其進行表征分析和釋藥動力學(xué)三個方面對水楊酸的藥物緩釋效果的影響進行了研究。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器與藥品

1.1.1 儀器

掃描電子顯微鏡（SEM； 3FEI Apreo）；傅立葉變換紅外光譜（FTIR）分析（NicoletiS10，美國賽默飛世爾科技有限公司）；紫外-可見分光光度計（Lambda900，美國珀金埃爾默儀器（上海）有限公司）。

1.1.2 藥品與試劑

PCL（Mn:70 000～90 000）（麥克林公司），PU（臺灣日勝 75a）水楊酸（FW=138.12）、磷酸鹽緩沖鹽水（PBS；1/15 mol·L-1，pH 7.2）、乙醇、THF(四氫呋喃和二甲基甲酰胺（DMF）購自Sigma Aldrich（日本）或Wako Pure Chemicals（日本）。所有的化學(xué)藥品都無需進一步提純。水在使用前經(jīng)過二次蒸餾。

1.2 實驗步驟

1.2.1 靜電紡溶液的制備

以（DCM）/（DMF）=（6∶4）為溶劑制備質(zhì)量分數(shù)為25%的PCL靜電紡溶液，以（DMF）∶（THF）=1∶1為溶劑制備質(zhì)量分數(shù)為22%的PU靜電紡溶液，將水楊酸與溶質(zhì)（1∶20）混合。將PCL溶液與PU溶液按體積比3∶1, 2∶1混合，配置混合靜電紡溶液1，2。藥物含量與聚合物質(zhì)量之比為1∶100。

1.2.2 高取向納米纖維膜的制備

使用了北京富友馬有限公司制造的靜電紡絲設(shè)備。將PCL溶液放入10 mL注射器（SS-10T；Terumo，東京，日本）中，并將不銹鋼針（NN-2138 N；Terumo）連接到高壓電源。對于PCL溶液，施加電壓為14 kV，針尖到接收器的距離為20 cm。對于PU溶液，施加電壓為18 kV，針尖到基體的距離為20 cm。溶液流速為0.3 mm·min-1。對于PCL：PU混紡溶液，施加電壓為15 kV，針尖到基體的距離為20 cm。溶液流速為0.3 mm·min-1。

1.2.3 藥物釋放測試

通過將所有納米復(fù)合材料浸入PBS（pH 7.4，50 mL）中并在100 r·min-1下恒溫搖動混合物3天，來研究所制備樣品的藥物釋放特性。為了確定PBS的藥物濃度，應(yīng)在特定的時間間隔內(nèi)取4 mL等分試樣的測試溶液。 然后加入4 mL新鮮的PBS溶液以維持溶液體積。紫外可見（UV-Vis）分光光度計用于測定收集的測試溶液中水楊酸的濃度。為了確定水楊酸的濃度，預(yù)先準備了水楊酸在UV-Vis吸收光譜中的校準曲線。另外，將測試溫度保持在37 ℃，并使用搖動水浴鍋（常州天瑞，HY-5A）以100 r·min-1搖動溶液。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 掃描電子顯微鏡（SEM)分析

從圖 1 中可以看出，純PCL和純PU的纖維形態(tài)分布均不均一，通過PCL混合PU靜電紡，提高了纖維的形態(tài)均勻性。

a—PCL；b—PCL–PU 3∶1；c—PCL–PU 2∶1；d—PU

PCL和PU的纖維直徑呈兩極分化，PU的直徑為PCL的四倍，純PCL納米纖維的平均直徑為315 nm，混紡PCL-PU 3∶1納米纖維的平均直徑為757 nm，PCL-PU 2∶1納米纖維的平均直徑為811 nm，純PU納米纖維的平均直徑為1 167 nm。由SEM圖可知，隨著PU含量的增加，混紡纖維的均勻性增強?；旒?、2（圖b、c）的直徑差別不大，且形態(tài)穩(wěn)定，取向度高。

2.2 FTIR光譜分析結(jié)果

FTIR光譜分析了PCL納米纖維、TPU納米纖維以及PCL-TPU納米纖維混紡物的化學(xué)成分（如圖2）。從圖中可以看出，在3 331 cm-1、1 726 cm-1和1 413 cm-1處觀察到TPU的N-H鍵、C=0鍵、C-N鍵特征峰。在1 167 cm-1和1 726 cm-1處觀察到PCL的C-O鍵、C=O鍵特征峰。PCL-TPU納米纖維共混物的光譜顯示出PCL和TPU的特征峰，其強度與PCL和TPU的比例相對應(yīng)。這一結(jié)果表明聚合物共混是均勻的。除了PCL和TPU納米纖維的特征峰之外，沒有觀察到新的峰，這證實了PCL-TPU納米纖維保留了其相應(yīng)的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

a—PCL；b—PCL–PU；c—PU

2.3 水楊酸標準曲線的繪制

配制溶液的質(zhì)量濃度為20×10-6、60×10-6、100×10-6、150×10-6的水楊酸溶液。然后根據(jù)測試結(jié)果繪制水楊酸的標準曲線，以不同濃度的水楊酸溶液的吸光度為縱坐標，用其質(zhì)量濃度作為橫坐標。如圖3，水楊酸的回歸方程：=0.001 1+0.011 3，相關(guān)系數(shù)：2=0.998 8。

2.4 藥物緩釋動力學(xué)

水楊酸從納米纖維膜的累積釋放在大約30 h內(nèi)達到平衡（圖4）。水楊酸從純PCL納米纖維和純紫膠納米纖維中的釋放如圖所示。與PU納米纖維相比，純PCL納米纖維在整個釋放過程中水楊酸的釋放較快，在20 h即達到釋放平衡。而PU納米纖維在42.5 h后達到釋放平衡。PCI/PU復(fù)合納米纖維的釋藥速率介于二者之間，達到了通過共混纖維對藥物釋放速率的調(diào)控。

圖3 水楊酸溶液的標準曲線

圖4 藥物緩釋釋放曲線

3 結(jié)果與討論

實驗通過靜電紡制備了純PCL，純PU，和PCL/PU(2∶1、3∶1)混紡四種高取向納米纖維，然后對所制備的樣品進行了表征測試并觀察其性能。 結(jié)果表明，以上4種材料均可成功制備為高取向納米纖維，但混紡PCL/PU納米纖維有更好的均一性，且纖維直徑在800 nm左右，滿足藥物緩釋膜的需求。藥物緩釋結(jié)果表明，纖維膜的藥物緩釋速率由PCL的含量的增加而增快，且純PCL有明顯的突釋現(xiàn)象，在前5 h內(nèi)達到80%的釋藥量。為避免突釋現(xiàn)象，本實驗通過PCL/PU比例影響藥物釋放速率。本實驗力求在減弱突釋現(xiàn)象的同時，避免藥物滯留在載體內(nèi)造成的損耗。因此PCl-PU 3∶1的混紡纖維表現(xiàn)最佳，突釋現(xiàn)象大幅度減弱，且藥物釋放量達到了80%以上。這些特性滿足了納米纖維在組織再生應(yīng)用中的需求。

感謝遼寧奧克華輝新材料有限公司提供的實驗材料、設(shè)備以及技術(shù)支持。

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Fabrication and Characterization of Highly Oriented Electrospun Drug-loaded PCL/PU Nanofibers composites

1,1,1,2,3,3,1

（1. University of Science and Technology Liaoning, Anshan Liaoning 114051, China;2. Liaoning Oxiran Huahui New Material Co., Ltd., Liaoyang Liaoning 111003, China;3.Oxiran Holding Group Stock Company, Liaoyang Liaoning 111003, China）

In recent years, the application of biocompatible nanocomposites in biomedical fields such as drug release has attracted more and more attention. In this paper, PCL and polyurethane (PU) composite highly oriented drug-loaded nanofibers were prepared to improve the performance of polymer nanofibers in drug sustained release and biological tissue culture, expand the application market, and provide the basis for the application of composite fiber membrane in drug controlled release.

Nanofibers; High orientation; Sustained drug release

遼寧科技大學(xué)校級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目資助（項目編號：X202110146072）；遼寧科技大學(xué)?；穑椖烤幪枺?020QN05）。

2021-04-13

王新明（1996-），女，遼寧省營口市人，研究方向：聚酰亞胺纖維。

馬可（1990-），女，講師，博士，研究方向：納米纖維，藥物緩釋，物理化學(xué)。

R969.1

A

1004-0935（2023）01-0014-04