載藥再生細菌纖維素纖維的制備及其表征

吳煥嶺(1. 鹽城工業職業技術學院 九洲藥學院， 江蘇 鹽城 224005； 2. 東華大學 化學化工與生物工程學院， 上海 201620)

載藥再生細菌纖維素纖維的制備及其表征

吳煥嶺1,2
(1. 鹽城工業職業技術學院 九洲藥學院， 江蘇 鹽城 224005； 2. 東華大學 化學化工與生物工程學院， 上海 201620)

為獲得一種具有優良生物相容性，能夠用于傷口敷料的纖維材料，以細菌纖維素為原料，以氯化鋰/二甲基乙酰胺為溶劑體系制備紡絲液，以水為凝固浴，采用濕法紡絲技術制備再生細菌纖維素纖維，進而以環丙沙星為模型藥物對再生細菌纖維素纖維進行載藥整理，制得一種可用于傷口敷料的載藥纖維。通過X射線衍射、力學性能、載藥性、釋藥性等測試對再生細菌纖維素纖維進行表征。結果表明：纖維直徑約為40 μm，表面呈溝槽結構，力學強度可達2.5 cN/dtex；細菌纖維素再生后，晶型發生了改變，從纖維素Ⅰ型轉化成纖維素Ⅱ型，且結晶度從66.3%降低至36.2%；載藥和釋藥結果顯示，再生細菌纖維素纖維在堿性條件下載藥量最高，載藥纖維在酸性條件下釋藥量最高。

再生細菌纖維素纖維； 濕法紡絲； 載藥纖維； 生物醫用材料

細菌纖維素(BC)由微生物發酵制得，具有與植物纖維素相同的分子結構，都是由葡萄糖組成的大分子多糖。與植物纖維素相比，它沒有木質素和半纖維素等伴生產物，具有高持水性、高結晶度、超精細網絡結構、極高的抗張強度和良好的生物相容性等特性[1-2]，是一種可持續利用的生物質資源。然而，由于細菌纖維素不易溶解，缺乏可加工性的特點限制了其進一步開發利用，因此，為了彌補其缺陷，更好地發揮其優勢特征，對其進行改性和材料復合方面的研究日益增多。通過原位生物生成法[3]、浸漬(后處理)法[4]、溶解再生法等對其進行改性或復合[5-6]。通過改性或復合的方式能夠擴大細菌纖維素的應用領域，增強細菌纖維素在特定領域的應用效果，在生物醫藥[7]、分離純化[8]、傳感或導電材料[9]、增強材料[10]等領域都顯示出較好的應用前景。

以前期研究[11]為基礎，本文采用溶解再生法，即采用氯化鋰/二甲基乙酰胺(LiCl/DMAc)溶劑體系將細菌纖維素溶解，利用濕法紡絲技術將紡絲液重塑制備了一種再生細菌纖維素(RBC)纖維；進而以環丙沙星為模型藥物對其進行載藥整理制備載藥纖維。通過掃描電子顯微鏡、力學性能、X射線衍射及載藥、釋藥性能等一系列表征來分析RBC纖維和載藥RBC纖維的性能。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

細菌纖維素(海南億德食品有限公司)，環丙沙星(TCI)，二甲基乙酰胺(DMAc，分析純)，氯化鋰(LiCl，分析純)。

濕法紡絲機(東華大學)，D2015W型攪拌儀(上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司)，FD-1D-50型冷凍干燥機(北京博醫康儀器有限公司)，UV-1800型紫外可見分光光度計(上海菁華科技儀器有限公司)，SHZ-82A型氣浴恒溫強力測試儀(金壇市精達儀器制造廠)，JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡(日本日立公司)，D/max-2550VB型X射線衍射儀(日本理學電器公司)，XQ-2型纖維強度儀(上海利浦應用科學技術研究所)。

1.2 細菌纖維素纖維的制備

1.2.1 細菌纖維素的溶解

首先，將細菌纖維素膜水洗純化并使用凍干機凍干，待用。其次，配制質量分數為8% 的LiCl/DMAc溶劑體系[12]。然后，將2.0 g細菌纖維素干膜置于98 g配好的溶劑中，先于90 ℃油浴加熱并攪拌2 h，再在室溫下攪拌一定時間，直至完全溶解，形成質量分數為2%的細菌纖維素紡絲液。

1.2.2 細菌纖維素纖維的濕法紡絲

采用濕法紡絲設備，在氮氣的壓力作用下將紡絲原液擠出噴絲孔進入凝固浴，經水洗、卷繞得到再生細菌纖維素纖維，紡絲條件如表1所示。

表1 細菌纖維素纖維的濕紡工藝參數Tab. 1 Wet spinning process parameters

注：各輥直徑均為25 cm。

1.3 測試方法

1.3.1 線密度及力學性能測試

采用中段法測定載藥纖維紗線線密度；采用XQ-2型纖維強伸度儀，按照GB/T 14344—2008《化學纖維長絲拉伸性能試驗方法》進行測試。測試條件為：夾距20 mm，拉伸速度50 mm/min，環境相對濕度65%，溫度20 ℃。

1.3.2 纖維形貌觀察

采用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察纖維的表面與斷面結構。測試纖維表面，將纖維剪成3～5 mm小段，備用；測試纖維斷面，把纖維置于液氮中冷凍脆斷，備用。測試前將纖維黏貼到專用載樣臺上進行噴金處理，噴金厚度為20～30 nm。

1.3.3 結晶性能表征

采用D/max-2550VB型X 射線衍射儀測定結晶度。銅靶 Ni 過濾，管電壓為40 kV，管電流為50 mA，2θ為5°～60°。

1.3.4 載藥及釋藥測試

為便于考察pH值對載藥性能的影響，排除體系中離子對分析載藥性能的干擾，實驗沒有采用緩沖溶液，僅使用0.1 mol/L NaOH或HCl調節pH值。首先配制2.5 mg/L環丙沙星溶液。將0.2 g(干態)細菌纖維素纖維置于5.0 mL環丙沙星的溶液中，分別在pH值為5、7、9的條件下于50 ℃振蕩浸漬4 h，對得到的載藥纖維樣品進行編號，分別為S1、S2、S3(未載藥樣品編號為S0)。用紫外分光光度計通過測試殘液中環丙沙星的量來計算纖維上的載藥量。每個樣品做3個平行試樣。

為便于考察酸堿性對釋藥的影響，僅采用中性條件下載藥的纖維樣品進行釋藥性能的測試。配制0.1 g/L環丙沙星溶液，將1.0 g(干態)細菌纖維素纖維放入50 mL環丙沙星的溶液中，在50 ℃下振蕩浸漬4 h進行載藥。然后分別將0.05 g載藥纖維置于20 mL不同pH值(分別為5、7、9)的釋藥溶液中。每隔一定時間取釋藥液1 mL,待測，并補入1 mL空白溶液。每個樣品做3個平行試樣。

2 結果與討論

2.1 RBC纖維的形貌

在掃描電鏡下觀察再生細菌纖維素纖維的微觀形貌，結果如圖1所示。可以看出，制備的再生細菌纖維素纖維形貌規整，直徑約為40 μm，表面布滿溝槽結構。這是由于再生細菌纖維素纖維在制備過程中需要經過水浴，吸收了大量水分，而后進行干燥，失水過程造成纖維表面形成溝槽。從圖1還可看出，纖維斷面呈橢圓形，結構致密，沒有明顯的孔洞結構。

圖1 RBC纖維表面和斷面的SEM照片Fig.1 SEM images of surface morphology (a) and cross-sectional morphology (b) of RBC fiber

2.2 BC膜與RBC纖維的結晶性能

圖2 BC與RBC的X射線衍射圖Fig.2 X-Ray diffractograms of BC and RBC

2.3 RBC纖維的載藥量及其力學性能

表2示出再生纖維素纖維的載藥量及力學性能。可看出：在pH=9的弱堿性條件下，細菌纖維素的載藥量最高，為36.5 μg/mg；其次是在pH=7的中性條件下細菌纖維素的載藥量為33.6 μg/mg；在pH=5的酸性條件下細菌纖維素的載藥量最低，為28.2 μg/mg。

圖3示出環丙沙星的分子結構。在載藥條件下，其與纖維素纖維不會發生強烈的共價鍵結合，二者結合主要是通過氫鍵和范德華力的吸附作用進行，同時在一定條件下會產生弱離子鍵結合。在堿性條件下載藥量最高，其次為中性條件，原因是在堿性或中性水溶液中的纖維素纖維(用Cell—OH表示)會形成Cell—O-，表面呈負電性[16]，而環丙沙星呈現正電性Cipro+，二者會發生弱離子鍵結合，起到了促進藥物上載的作用。而在酸性條件下，Cell—OH能夠接受H+，并且分子間會產生強烈的氫鍵作用，環丙沙星中—NH—也容易季胺化而帶正電，因此，二者除了氫鍵和范德華力的吸附作用之外，還存在一定的斥力作用，造成降低藥物上載纖維的結果。

由表2還可看出不同pH值的載藥條件對纖維力學性能的影響。載藥對線密度的影響并不大，載藥前后的線密度都是50 dtex左右；載藥對強力和強度的影響比較大，酸性載藥后的強力和強度分別降低了14% 和10%，這是由于纖維素不耐酸造成，堿性條件和中性條件下的強力和強度均略有升高；載藥對斷裂伸長率也有一定影響，在中性和酸性條件下，伸長率略有降低，而在堿性條件下略有升高。

表2 濕紡再生細菌纖維素纖維的載藥量及其力學性能Tab.2 Drug loading capacity and mechanical parameters of wet spun RBC fibers

注：①是指單位質量的纖維中載入的環丙沙星的質量。

圖3 環丙沙星的分子結構Fig.3 Chemical structure of ciprofloxacin

由以上分析可知，細菌纖維素纖維在不同pH值下的載藥量明顯不同，在弱堿性條件下的載藥量最高，其次為中性條件，并且弱堿性和中性條件下對纖維力學性能的影響小。

2.4 細菌纖維素載藥纖維的體外釋藥分析

圖4示出同一批次制備的一定量載藥纖維(0.1 g，中性條件載藥)分別在pH值為 5、7、9的條件下的累積釋藥量。可明顯看出：在pH值為5的酸性條件下的累積釋藥量最高，達到3.5 mg；其次在pH值為9的堿性條件為2.8 mg；在pH值為7的中性條件下釋藥量最低，為1.7 mg。在不同pH值下的累積釋藥量有很大不同，pH值為9時的釋藥量約為pH值為5時的2倍。這是由于藥物與纖維主要通過氫鍵和范德華力的作用以及少量離子鍵進行結合，結合不牢固，因此，解析過程比較容易。在中性條件下，纖維通過自溶脹和自解吸來釋放藥物而達到平衡，因此，釋藥量最低。在酸性條件下，由于纖維素纖維不耐酸，易發生降解，為促進釋藥提供了條件。在堿性條件下，纖維素纖維更容易水合化和溶脹，利于促進釋藥。此外，堿性條件會導致環丙沙星與纖維的弱離子鍵發生斷裂，造成堿性條件下的釋藥量較高，因此，在酸性條件和堿性條件下，除了纖維的自溶脹和自解吸作用外，電荷作用、降解作用起到了促進藥物釋放的結果。

圖4 不同pH值下載藥細菌纖維素纖維的體外釋藥量Fig.4 In vitro drug-release curves of drug-loaded RBC fibers

3 結 論

通過濕法紡絲技術成功制備了成形良好、力學性能優良的再生細菌纖維素(RBC)纖維。從BC制備RBC纖維的過程中，纖維素晶型發生了改變，從纖維素Ⅰ型轉化成纖維素Ⅱ型，且結晶度從66.3%降為36.2%。以環丙沙星為模型藥物，對RBC纖維進行載藥和釋藥性能分析，結果顯示，其在堿性條件下載藥量最高，在酸性條件下釋藥量最高。

FZXB

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Preparation and characterization of drug-loaded regenerated bacterial cellulose fiber

WU Huanling1,2
(1.JiuzhouCollegeofPharmacy,YanchengInstituteofIndustryTechnology,Yancheng,Jiangsu224005，China； 2.CollegeofChemistry,ChemicalEngineeringandBiotechnology,DonghuaUniversity,Shanghai201620，China)

The regenerated bacterial cellulose(RBC)fiber used for wound dressing and having good biocompatibility was prepared by a wet spinning process, taking bacterial cellulose as raw material, adopting LiCl/Dimethylacetamide as solvent system and using water as coagulation bath. Then ciprofloxacin was used as the model drug to prepare drug-loaded RBC fiber. The characterization of morphological, mechanical properties, XRD, drug loading and release performance were determined. The results shows that the RBC fiber has a groove surface structure with a diameter of about 40 μm. The tensile breaking strength of the RBC fiber is as high as 2.5 cN/dtex. X-ray diffraction results indicate that the crystal form of RBC fiber is transformed from cellulose crystalⅠto II, and the degree of crystallinity is reduced from 66.3% to 36.2%. The drug loading and release experiments show that the RBC fiber has the highest drug loading capacity under alkaline condition, while the drug loaded RBC fiber has the largest release amount under acid condition.Keywords regenerated bacterial cellulose fiber； wet spinning； drug-loaded fiber； biomedical materials

2016-04-27

2017-02-16

鹽城工業職業技術學院科研基金項目(ygy1512)；高等學校學科創新引智計劃建設項目(B07024)

吳煥嶺(1982—)，女，講師，博士。主要研究方向為載藥纖維的研發及釋藥機制。E-mail: wuhuanlingok@126.com。

10.13475/j.fzxb.20160407505

TS 102.5； TB 332

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