靜電紡絲載藥聚乳酸（PLA）納米纖維膜的綜合實驗設計

陳品鴻，蘇燦坤，林若玫，曹慶云，倪春林，周武藝

（華南農業大學 材料與能源學院 生物質3D打印研究中心，廣東 廣州 510642）

靜電紡絲法可以用于制備納米纖維[1-4]、超濾膜[5-7]等材料，主要應用于生物醫藥[8-14]、催化[5,15-17]、污水處理[18-20]、抗菌抑菌[2,5,12,17,21-24]、能源[25-26]等領域。載藥量低、藥物突釋等問題是目前藥物緩控制釋放領域普遍存在的問題。用生物相容性良好的高分子聚合物材料和藥物的混合溶液進行靜電紡絲，可以在很大程度上提高該聚合物材料的生物可降解性和相容性，并降低生物排異反應的發生概率；也可以有效地分解釋放一些難以被人體吸收的藥物。PLA[8-10]是一種無毒、具有良好的生物相容性和可降解性的高分子聚合材料。在自然環境中，通過水解和一系列的生物代謝使得PLA的廢棄材料最終完全轉變為二氧化碳和水。恩諾沙星（ENRO）[27-28]為廣譜殺菌藥，對支原體有特效。對大腸桿菌、克雷白桿菌、沙門氏菌、變形桿菌、綠膿桿菌、嗜血桿菌、多殺性巴氏桿菌、溶血性巴氏桿菌、金葡菌、鏈球菌等都有殺菌效用；可作為動物用藥品，在動物體內半衰期長，有良好組織分布性，屬于廣效性抑菌劑，對于革蘭氏陽性菌、陰性菌及霉形體具有抑菌作用。

因此，本文設計了一種新型良好生物相容性和可降解性的高分子聚合物聚乳酸（PLA）納米纖維基復合藥物載體材料，以抗菌藥物ENRO為靶向藥物，通過高壓靜電紡絲法制備，通過優化實驗方法及制備工藝參數，獲得一種綜合性能優異的新型納米纖維復合材料。通過XRD、紅外光譜和熱重分析等對超濾膜材料進行系統檢測，對其機理進行系統分析，實驗研究結果為新型超濾膜材料的應用提供了重要的理論和實驗指導意義。

1 實驗試劑和儀器

試劑：PLA，分析純，分子量8~10萬，廣東捷進化工有限公司；N，N-二甲基甲酰胺，分析純，天津市化學試劑一廠；三氯甲烷，分析純，廣州化學試劑廠；鹽酸恩諾沙星，含量90.8 %，純度98.66%，廣州惠華動物保健品有限公司。

儀器：高壓靜電紡絲機，TL-01儀器，深圳通力微納科技有限公司；掃描電子顯微鏡，JSM-25S，JEOL公司；接觸角測量儀，上海市中晨數字技術設備有限公司；熱重差熱分析儀，DTG-60，日本島津公司；傅里葉變換紅外光譜儀，AVATAR 360E.S.P，美國尼高力公司；X射線粉末衍射儀，D8 ADVANCE，德國BRUKER公司。

2 實驗內容

2.1 載ENRO的PLA納米纖維膜的制備

往帶蓋子的塑料瓶內加入體積比為3∶7的N，N-二甲基甲酰胺和三氯甲烷，按相對于N，N-二甲基甲酰胺和三氯甲烷質量的 10%稱取一定量的 PLA加入其中，蓋好蓋子，放到50 ℃恒溫水浴磁子攪拌器中加熱2 h，再放入超聲波震蕩機超聲震蕩1 h，靜置之后得到質量比為 10%的純 PLA紡絲液。再分別按相對于PLA質量的10%、15%、20%稱取一定量ENRO，分別加入純PLA紡絲液中，超聲震蕩1 h，分別得到含藥量10%、15%、20%的ENRO/PLA紡絲液；用一支10 mL容量的注射器，吸取3 mL以上的紡絲液，將注射器固定到靜電紡絲機的推進泵上，調節針頭與接收板之間的距離為16 cm，調節高壓電源的電壓為16 kV，紡絲速率為0.5 mL/h，紡絲量為3 mL，環境溫度25 ℃；噴射完畢后，將紡絲膜進行50 ℃熱處理4 h，待用。

2.2 載藥PLA納米纖維膜體外釋放實驗

將已稱量剪取好的載藥PLA納米纖維膜裝于透析袋中，在模擬體液中進行體外緩釋實驗。研究載藥 PLA納米纖維膜幾種不同載藥量的緩釋行為，通過模型擬合確定其骨架型的釋放機制，反向確定藥物在孔道內部的高效負載，并研究骨架型緩釋制劑的釋藥機理。

稱取氯化鉀（KCl）固體 0.20 g，磷酸氫二鉀（KH2PO4）固體 0.27 g，十二水合磷酸氫二鈉（Na2HPO4·12H2O）固體3.48 g，氯化鈉（NaCl）固體8.01 g，把上述固體溶解（如果固體溶解趨勢不大，使用超聲波清洗儀超聲一段時間，使固體完全溶解），轉移到1 000 mL容量瓶中，定容至刻度線，得到PBS緩沖液。

準確稱取0.01 g具有不同載藥量的載藥PLA納米纖維膜3份于透析袋中，在0、0.5、1.5、3、6、12、24、48和72 h等不同時間段從錐形瓶中取出3 mL溶液（每個錐形瓶取3份），測定吸光度（在270 nm波長下測定），測定完畢后將測試液補回原體系溶液。

3 結果與討論

3.1 SEM表征分析

圖1是在紡絲電壓為16 kV，接收距離為16 cm，速率為0.5 mL/h的相同紡絲工藝條件下，制備的靜電紡絲純 PLA納米纖維膜和不同ENRO質量分數的靜電紡絲載ENRO/PLA納米纖維膜的SEM圖，放大倍數均為10 000倍。表1列出了靜電紡絲純PLA納米纖維膜和不同載藥量 ENRO/PLA納米纖維膜的平均直徑。由圖1可以看出：靜電紡絲純PLA納米纖維膜和靜電紡絲載 ENRO/PLA納米纖維膜直徑分布比較均勻，均具有較好的可紡性。靜電紡絲純PLA納米纖維表面成絲很好，纖維連續，表面光滑，也不存在影響外觀的珠節，而加了 ENRO的靜電紡絲載ENRO/PLA納米纖維表面出現了一定程度的粘連，尤其是圖1(c)和1(d)樣品，這主要是由于ENRO的加入起到了鹽成分的作用，它使得紡絲液的導電性增加，使得作用在溶液上的電場力增加，進而從針頭出來的溶液量增加，紡絲過程中溶劑不能完全揮發，最終導致纖維出現粘連現象。由表1的數據可以看出：隨著ENRO含量的增加，纖維直徑減小。這是由于隨著加入ENRO含量的增加，紡絲液的黏度和表面張力減小，同時電導率增大。黏度和表面張力的減小使得射流更容易分散，電導率的增大使得噴射流表面的電荷密度增大，載有更多的電荷，在電場中受到更大的牽伸力，更有利于纖維的拉伸和細化，導致直徑變小，3種因素的共同作用導致了靜電紡絲纖維直徑的減小。從圖1(c)和圖 1(d)都可以看出，在纖維的表面有一些突起的小顆粒，這是由于ENRO溶于紡絲溶劑揮發后負載或鑲嵌在PLA納米纖維上，特別是圖1(d)，這種小顆粒的分布更多，故可以說明載 10%、15%和 20%ENRO/PLA納米纖維膜的載藥量依次遞增。

圖1 各樣品的SEM圖

表1 各樣品的平均直徑

3.2 接觸角測試分析

圖2為純PLA納米纖維膜和不同載藥量ENRO/PLA納米纖維膜的接觸角圖。表2列出了純PLA納米纖維膜和不同載藥量 ENRO/PLA納米纖維膜的接觸角。材料表面的親/疏水性可以通過接觸角來評價，材料表面的接觸角越小，其親水性越好，反之，其親水性越差。材料表面的接觸角除了和材料的物質構成有關，還和材料表面的粗糙程度有關。首先，構成材料的纖維大分子中親水基團的多少和基團極性的強弱對纖維的潤濕性有很大的影響。由于 PLA中含有大量的酯鍵，親水性比較差，因此由PLA制備的靜電紡絲薄膜潤濕性能不好[29]；其次，不溶于水的ENRO藥物的加入，也可以在一定程度上降低靜電紡絲納米纖維膜的潤濕性能；另外，材料表面的粗糙度對材料的親/疏水性的影響也很大。靜電紡絲納米纖維膜的表面并不是視覺上的完全均一、光滑的，而是粗糙的，材料表面越粗糙，越難潤濕[30]。由實驗結果可以看出，靜電紡絲純 PLA納米纖維膜和靜電紡絲載 ENRO/PLA納米纖維膜的接觸角均大于 90°，即靜電紡絲純 PLA納米纖維膜和靜電紡絲載 ENRO/PLA納米纖維膜都是表面疏水，說明靜電紡絲純PLA納米纖維膜和靜電紡絲載ENRO/PLA納米纖維膜都屬于疏水性材料。另外，靜電紡絲載ENRO/PLA納米纖維膜的接觸角均大于靜電紡絲純PLA納米纖維膜的接觸角，且載10%、15%和20% ENRO/PLA納米纖維膜的接觸角依次稍微遞增，這也說明了載10%、15%和20% ENRO/PLA納米纖維膜的載藥量依次遞增。

圖2 各樣品的接觸角圖

表2 各樣品的接觸角

3.3 XRD測試分析

圖3為靜電紡絲純PLA納米纖維膜和不同載藥量的靜電紡絲載ENRO/PLA納米纖維膜的 X射線衍射譜圖，展示了PLA和ENRO的晶體存在形式，以及ENRO在PLA納米纖維中的存在形式。如圖3曲線a得知，PLA無固定的晶相；由曲線e得知，ENRO有固定的晶相，且在 2θ為 12.5°、14.8°、16°、17°、18.2°、21.4°、23.2°、25.5°和 27.2°有很強的吸收峰。由曲線a、b和c得知，載藥后的 PLA納米纖維與純ENRO在 2θ為 12.5°、14.8°、16°、17°、18.2°、21.4°、23.2°、25.5°和27.2°均有很強的峰，而且載10%、15%和20%ENRO/PLA納米纖維膜的峰值依次遞增，且都比純ENRO的峰值低，故可以確定載 10%、15%和 20%ENRO/PLA納米纖維膜的載藥量依次遞增。表明ENRO藥物已經成功地載入到載ENRO/PLA納米纖維膜中，并且ENRO以晶體形式存在于載ENRO/PLA納米纖維膜中。

圖3 各樣品X射線衍射譜圖

3.4 紅外測試分析

從圖4可以看出，靜電紡絲純PLA納米纖維膜和靜電紡絲載 ENRO/PLA納米纖維膜存在相似的特征吸收峰，靜電紡絲純PLA納米纖維膜的紅外光譜圖在1 760、1 628、1 456和1 386 cm–1有吸收峰，分別對應于PLA結構中—COO—中的—C==O的特征吸收峰、—OH彎曲振動吸收峰、—COO對稱和非對稱彎曲振動吸收峰，且這些特征峰沒有發生明顯移動，存在于靜電紡絲載ENRO/PLA納米纖維膜的紅外光圖譜中；此外，PLA結構在1 185和1 090 cm–1也有特征峰，這些特征峰同時也存在于靜電紡絲純 PLA納米纖維膜和靜電紡絲載ENRO/PLA納米纖維膜中；而ENRO和靜電紡絲載 ENRO/PLA納米纖維膜的吸收峰明顯區別于靜電紡絲純 PLA納米纖維膜的是，前兩者均在1 505、1 259、951和881 cm–1有吸收峰，分別對應的是 C-F的伸縮振動、C-N（芳基碳）的伸縮振動、C-H在苯基間位二取代的變形振動特征吸收峰，同時因為ENRO結構式中也存在羧基，所以有一部分峰與PLA重合，而且沒有新鍵的形成，這說明ENRO存在于靜電紡絲載 ENRO/PLA納米纖維膜中，而且與 PLA為純粹的物理混合，并沒有發生化學鍵的結合。從上面特征峰的分析可以看出，ENRO和 PLA很好地混合在一起，且相對獨立，沒有發生化學鍵的結合。

圖4 各樣品的紅外光譜圖

3.5 熱重測試分析

圖5為純ENRO、靜電紡絲純PLA納米纖維膜和不同載藥量靜電紡絲載 ENRO/PLA納米纖維膜的熱重測試分析（DTA）曲線圖，主要解釋了純 ENRO、靜電紡絲純 PLA納米纖維膜和不同載藥量靜電紡絲載 ENRO/PLA納米纖維膜在熱重分析過程中的吸放熱溫度和過程。如圖5所示，純ENRO、載10%、15%和 20% ENRO/PLA納米纖維膜在溫度為 215~225 ℃均有一個吸熱過程，原因為 ENRO中脫失-OH有吸熱的峰，而純PLA納米纖維膜在此處沒有吸熱的峰，說明載 ENRO/PLA納米纖維膜中含有 ENRO藥物。純 PLA納米纖維膜、載 10%、15%和 20%ENRO/PLA納米纖維膜在 150 ℃左右有一個很小的吸熱過程，而純 ENRO在此處沒有，說明這是 PLA吸熱的峰。同時，純ENRO在315 ℃~330 ℃有一個吸熱峰，PLA在350 ℃~390 ℃也有一個吸熱峰，對應載10%、15%和20% ENRO/PLA納米纖維膜由于含有ENRO和PLA，使得曲線在305 ℃~355 ℃有一個締合的吸熱峰。

圖5 各樣品的DTA曲線圖

圖6為純ENRO、靜電紡絲純PLA納米纖維膜和不同載藥量靜電紡絲載 ENRO/PLA納米纖維膜的熱重失重圖。展示了純ENRO、靜電紡絲純PLA納米纖維膜和不同載藥量靜電紡絲載 ENRO/PLA納米纖維膜在對應溫度下的失重過程。如圖6所示：由曲線a得知，純ENRO在260 ℃開始失重分解，420 ℃分解完全，有一個失重平臺，為ENRO的熱解，失重率為82%；由曲線b得知，純PLA納米纖維膜在300 ℃開始失重分解，385 ℃分解完全，有一個失重平臺，為PLA的熱解，失重率為99%，說明 PLA基本能熱解完全；由曲線d、曲線e和曲線f得知，載10%ENRO/PLA納米纖維膜、載15 %ENRO/PLA納米纖維膜和載20 %ENRO/PLA納米纖維膜都是在290 ℃開始熱分解，360 ℃分解完全，均有一個失重平臺，是ENRO和PLA的熱分解，失重率分別為90%、87%、83%，側面說明了載10%、15%和20% ENRO/PLA納米纖維膜的載藥量呈遞增趨勢，載20% ENRO/PLA納米纖維膜載藥量最高，也對應了前面 XRD分析結果和紅外分析結果。

圖6 各樣品的熱重失重圖

3.6 體外緩釋分析

圖7為載10%、15%和20% ENRO/PLA納米纖維膜中的ENRO在PBS緩沖液中緩釋量與時間的關系。由圖7可知：隨著ENRO藥物質量分數的增大，藥物的擴散濃度增大，這樣藥物就更加容易分散到釋放介質中。另外ENRO藥粉質量分數增大時，靜電紡絲超細纖維的平均直徑越小，負載在纖維表面的藥粉量越大，在纖維表層的藥粉可以直接釋放到介質中，所以PLA納米纖維的釋藥速率隨著ENRO質量分數的增大而加快。在前 24 h，藥物快速釋放，其中載 10%ENRO/PLA納米纖維膜的釋放量達到了73%，載15%和20% ENRO/PLA納米纖維膜更是都達到了80%以上。在后面的48 h，藥物緩慢釋放，最終載10%、15%和 20% ENRO/PLA納米纖維膜的釋放量都達到了100%。整個緩釋過程持續了72 h，充分說明了藥物的持續性，說明PLA納米纖維膜作為藥物載體的可行性以及優越性。

圖7 各樣品的體外緩釋曲線圖

4 結論

本文采用靜電紡絲技術，設計和制備了不同質量分數、不同載藥量的PLA納米纖維超濾膜，獲得的最優靜電紡絲工藝參數為：紡絲電壓為16 kV，接收距離為16 cm，紡絲速度為0.5 mL/h，每個樣品制備時間為6 h。通過對靜電紡絲納米纖維膜的性能測試及表征，以及體外釋放實驗得出了以下結論：（1）ENRO以物理分散的方式分布在納米纖維的內部及鑲嵌在其表面；（2） 靜電紡絲PLA納米纖維膜屬于疏水材料，ENRO在一定程度上降低了靜電紡絲PLA納米纖維膜的親水性能；（3）10 %的PLA紡絲液成絲粗細均勻，且沒有珠節，靜電紡絲載ENRO/PLA納米纖維的直徑在300~900 nm，且ENRO質量分數越高，靜電紡絲納米纖維的平均直徑越小。而通過SEM表面形貌觀察，還可以看出 ENRO分散在PLA納米纖維的內部及鑲嵌在其表面；（4）體外釋放實驗表明靜電紡絲 PLA納米纖維對ENRO具有很好的緩釋效果，實驗制得的靜電紡絲載 ENRO/PLA納米纖維的載藥量在 10%~20%，而且緩釋的時間高達72 h。