靜電噴霧法制備聚乳酸/布洛芬微球及其性能研究

沈雪梅，朱小龍，胡燕超，宋任遠，張現峰，李 席*

（蚌埠學院，硅基新材料安徽省工程技術研究中心，功能粉體材料蚌埠市實驗室，安徽蚌埠 233030）

0 前言

IBU 又名異丁苯丙酸，是一種非甾體類解熱鎮痛抗炎藥，廣泛用于術后疼痛、風濕性疼痛、牙疼、關節炎等［1］。但是IBU 的水溶性差，生物半衰期較短，維持治療濃度需要頻繁給藥，易引起胃腸道副反應，并對腎臟產生一定損害。如將IBU 的制成緩釋制劑既可以減少服藥次數，提高病人服藥的依從性，又能夠減輕藥物的不良反應［2-4］。緩釋微球的制備方法主要有凝聚相分離法、溶劑蒸發法、噴霧干燥法等，但這些方法普遍存在實驗步驟較多、制備條件苛刻、微球結構不夠致密、容易發生突釋等缺陷［5-7］。近些年來，一種應用靜電噴霧法制備微納米級顆粒（球或腔囊）的新型技術吸引了較多關注。它是利用高壓靜電場使流體霧化成微小液滴，在靜電場力和外力的聯合作用下，做定向運動吸附在目標物上。整個制備工藝簡單、制備時間短，靜電作用有效降低霧滴表面張力，降低霧滴尺寸，加速溶劑揮發，為藥物釋放提供更大的表面積和體積比，減少突釋的發生；同時，噴霧形成的霧滴帶有相同的負電荷，在空間運動中相互排斥，不易發生凝聚，分散性好［8-10］。目前，該法已廣泛應用在載藥控釋領域，尤其是對低水溶性生物活性分子的包封和釋放［11-13］。但是，采用靜電噴霧法制備IBU 緩釋微球尚未見報道。本文以獲得美國FDA 認證的聚酯類可生物降解材料PLA［14-15］為骨架載體材料，采用靜電噴霧技術制備載IBU的PLA微球，以期改善IBU 的溶解性，以提高IBU 的生物利用度，并研究不同投藥量對微球形貌、結構、緩釋性能的影響，為靜電噴霧法在緩釋微球制備領域的應用提供更多參考。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PLA，4032D，美國Nature Works公司；

IBU，純度＞99.0%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；

二氯甲烷（DCM），分析純，國藥集團化學試劑有限公司；

磷酸鹽緩沖液，PBS，0.01 mol，pH=7.2～7.4，北京蘭杰柯科技有限公司。

1.2 主要設備及儀器

SEM，Regulus8100，日本日立公司；

FTIR，IS10，美國賽默飛公司；

XRD，Smart Lab SE，日本Rigaku公司；

DSC，DSC823E，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；

TG，STA2500，德國耐馳公司；

紫外可見分光光度計，U3900，日本日立公司；

臺式恒溫振蕩器，THZ-312，上海精宏實驗設備有限公司。

1.3 樣品制備

準確稱取500 mg PLA 于10 mL DCM 中，磁力攪拌至完全溶解，分別按照投藥量4%、8%、12%、16%（質量分數，下同）準確稱取IBU 加入，至完全溶解，得到均一溶液待用，后用自制的高壓靜電噴霧裝置（主要由雷弗TYD01-02注射泵，高壓直流電源、靜電接地裝置和接收板等構成）制備樣品，制備條件如下：使用10 mL注射器（不銹鋼針頭內徑為0.8 mm）抽取上述溶液，將注射器安裝于微量注射泵上，調整電壓為17.5 kV、針頭至接收鋁箔距離為15 cm、注射速度為0.5 mL/h，得到的樣品于55 ℃真空干燥3 h，備用。

1.4 性能測試與結構表征

SEM分析：樣品進行噴金處理，加速電壓為20 kV，觀察PLA/IBU微球的表面形貌；

XRD 分析：Cu-Kα射線，掃描衍射角的范圍為5°～80°，掃描速度為10°/min，電壓為40 kV，電流為50 mA，分析微球的晶型；

DSC 分析：溫度范圍為30～300 ℃，升溫速率為10 ℃/min，分析微球的熔融和結晶行為；

FTIR 分析：采用溴化鉀壓片法制樣，測試波長范圍為4 000～500 cm-1，分辨率為4 cm-1，分析微球的特征性官能團；

TG 分析：氮氣氣氛，流速為50 mL/min，升溫速率為10 ℃/min，升溫范圍為室溫～700 ℃，Al2O3坩堝，分析微球的熱失重情況；

IBU 標準曲線的測定：準確稱取IBU 標準品50 mg溶于PBS緩沖溶液中，定容至50 mL，得到1 mg/mL的母液，精密量取母液適當體積，用緩沖溶液稀釋到一定倍數，得到濃度為0.75、0.5、0.25、0.1、0.05 mg/mL 的IBU標準溶液。以PBS緩沖溶液作為對照品，在掃描波長200～400 nm，掃描速度600 nm/min和狹縫寬度2 nm條件下，分別測試每個標準溶液在265 nm 下的吸光度。同樣實驗重復3次，取平均值后繪制標準曲線；

體外緩釋曲線的繪制：準確稱取30 mgIBU標準品、100 mg投藥量不同的PLA/IBU微球于處理后的透析袋中，加入5 mLPBS緩沖溶液，兩端密封，放入含有100 mL PBS 緩沖溶液的燒杯中，用保鮮膜密封，于（37.0±0.5）℃、轉速為100 r/min 下進行恒溫振蕩。定時取樣4.0 mL，同時補加4.0 mL 新鮮介質。測定每個樣品在265 nm下的吸光度。同樣實驗重復5次，并按照式（1）計算累計釋藥率（%），繪制微球中IBU的釋放曲線。

2 結果與討論

2.1 形貌表征

圖1 為電壓為17.5 kV、接收距離為15 cm、注射速度為0.5 mL/h 時，靜電噴霧法制備得到投藥量不同的PLA/IBU 微球的SEM 照片和粒徑頻率分布直方圖。由SEM 照片可知，在該制備條件下，投藥量不同的PLA/IBU微球均呈分散性較好、表面帶有孔隙的三維球形結構，這是由于DCM快速揮發，高分子鏈和IBU在液滴中的遷移速率較慢，微球來不及收縮，待DCM揮發完全后，微粒內部形成孔洞，宏觀上便表現為多孔微球［11，16］。利用Nano Measurer 1.2隨機選取50個微球繪制出的粒徑頻率分布直方圖發現，不同投藥量的微球粒徑分布于2.4～11.2 μm，IBU含量為4%、8%、12%、16%時，微球的平均粒徑分別為7.76、4.61、7.18、6.61 μm，可見微球粒徑并沒有因IBU含量的增加而呈一定變化關系，說明在能形成分散微粒的濃度范圍內，藥物濃度的提高對微球粒徑無顯著影響［17］。相比較而言，含12%IBU 的微球成型性較好、圓潤飽滿，粒徑介于5.6 μm～8.8 μm的占比為83%，平均粒徑為7.18 μm，并且微孔密布，易于藥物負載。隨著投藥量的增加，微球形貌不規則程度增加，甚至出現輕微黏連現象，這是由于隨著IBU 含量的增加，靜電噴霧不穩定導致［18］。

圖1 不同投藥量的PLA/IBU微球的SEM照片和粒徑頻率分布直方圖Fig.1 SEM images and particle size frequency distribution histograms of PLA/IBU microspheres with different dosages

2.2 XRD分析

圖2 為IBU、靜電噴霧法制備的純PLA 微球和PLA/IBU微球 的XRD譜圖。由圖2可知，IBU 在6.12 °、12.28 °、16.85 °、17.71 °、19.15 °、20.14 °和22.44°處有明顯的晶體衍射峰，表明IBU 為晶體結構，純PLA 微球在2θ=16 °附近出現一個寬且弱的吸收峰，為非晶態結構。不同投藥量的PLA/IBU 微球XRD 譜圖無明顯歸屬于IBU 特征衍射峰，僅僅和純PLA 微球一樣在2θ=16°附近出現一個寬且弱的吸收峰，表明靜電噴霧過程IBU 的晶格被破壞，IBU 以分子或無規則狀態高度分散在PLA基質中，PLA/IBU微球呈現出與PLA 相似的無定形結構，這是由于靜電噴霧過程接收距離相對較短，溶劑揮發速度較快，IBU 沒有足夠的時間結晶，加之PLA 鏈與IBU 之間的相互作用，結晶過程受到抑制［19］。隨著投藥量的增加，IBU 在16.85 °處的最強峰強度有提高的趨勢，表明藥物在微球中有微量晶體析出的趨勢［20］。

圖2 不同投藥量的PLA/IBU微球的XRD譜圖Fig.2 XRD spectrum of PLA/IBU microspheres with different dosages

2.3 DSC分析

圖3 為IBU、靜電噴霧法制備的純PLA 微球和PLA/IBU微球的DSC曲線。由圖3可知，IBU 在75.74 ℃處出現尖而窄的熔融吸熱峰，熔融焓ΔHm為128.90 J/g，表明IBU 為晶體結構［21］。純PLA 微球在164.94 ℃處出現寬而弱的熔融吸熱峰，熔融焓ΔHm為53.38 J/g。當采用靜電噴霧法制備樣品時，隨著IBU投藥量的增加，PLA/IBU微球的Tm由164.94 ℃逐漸降低到156.09 ℃，熔融范圍逐漸增大，熔融焓相比較純IBU的128.90 J/g 降低至42.98～55.38 J/g 范圍內，說明IBU的晶格被破壞，雖然IBU分子容易進入PLA不定形結構中誘導PLA生成晶體，但非均相形成的晶體結構并不完美，導致Tm降低，熔融范圍變寬［18］。另一方面，不同投藥量的PLA/IBU 微球中沒有歸屬于IBU 的熔融峰，而是呈現出與純PLA微球相同的熔融趨勢，也說明IBU完全負載于PLA中，與XRD的研究結果一致。

圖3 不同投藥量的PLA/IBU微球的DSC曲線Fig.3 DSC curves of PLA/IBU microspheres with different dosages

2.4 FTIR分析

圖4 為IBU、靜電噴霧法制備的純PLA 微球和PLA/IBU 微球的FTIR 譜圖。由圖4 可知，在IBU 結構中，3 000 cm-1附近豐富的譜帶主要是由于—OH 和飽和C—H 的伸縮振動共同造成的，1 720 cm-1處的強吸收峰對應于羧基上C=O 的伸縮振動，1 508 cm-1和1 458 cm-1為苯環的特征骨架振動。此外，936 cm-1為羧基中—OH 的面外變形振動，866 cm-1和776 cm-1為對應于苯環中對位取代C—H 的面外變形振動。在純PLA 微球結構中，2 999 cm-1和2 952 cm-1附近有2 個吸收峰，對應于飽和C—H 的伸縮振動，1 764 cm-1處的強吸收峰對應于C=O 的伸縮振動，1 630 cm-1對應于端羧基中C=O 的伸縮振動，在1 184、1 084cm-1處為C—O—C 的不對稱、對稱伸縮振動峰，此外3 660～3 290 cm-1為游離—OH 的伸縮振動峰。對于PLA/IBU 微球，PLA 的特征官能團吸收峰仍然存在，且位置不變，其中飽和C—H（2 999、2 952 cm-1處）、C=O（1 764 cm-1處）和C—O—C（1 184、1 084 cm-1處）的伸縮振動強度明顯增加，出現了苯環中對位取代C—H的面外變形振動峰，說明IBU 成功負載于PLA 中［22］。整個靜電噴霧過程沒有新的特征峰產生，表明PLA/IBU微球的制備過程中未發生化學變化，未產生新化合物。不同投藥量的PLA/IBU緩釋微球在FTIR譜圖中未呈現出不同，說明投藥量在4 %～16 %的微球中IBU 均被包埋于PLA中。

圖4 不同投藥量的PLA/IBU微球的FTIR譜圖Fig.4 FTIR spectrum of PLA/IBU microspheres with different dosages

2.5 TG分析

圖5 為IBU、靜電噴霧法制備的純PLA 微球和PLA/IBU 微球的TG 曲線。由圖5 知，IBU 和純PLA微球均有一個明顯的失重階段，分別于100 ℃和280 ℃左右開始失重，220 ℃和380 ℃左右失重完全，且均失重迅速，而PLA/IBU微球呈現出2個質量損失趨勢，第一個趨勢為120～280 ℃，這是由于IBU 的熱分解導致，第二個趨勢為280～390 ℃，這可歸因于PLA 的熱分解。隨著IBU投藥量的增加，2個隨熱失重的趨勢越發分明，IBU 的熱分解速率也逐步提高，但均小于純IBU，說明PLA/IBU微球較IBU的熱穩定性有一定提高。

圖5 不同投藥量的PLA/IBU微球的TG曲線Fig.5 TG curves of PLA/IBU microspheres with different dosages

2.6 緩釋性能分析

對IBU 標準曲線的測定結果進行線性分析，在0.05～0.75 mg/mL的濃度范圍內，265 nm 處IBU 的紫外吸光度和IBU的質量濃度線性關系良好，直線回歸方程為：A=2.236 4c+0.039 5（R2=0.999 6）。參照體外緩釋性能測試，IBU 和不同投藥量的PLA/IBU 微球的釋放曲線見圖6，圖中不同投藥量的PLA/IBU 微球在48 h 內釋放速度較快，隨后進入緩慢釋放階段，在釋放初期均未出現突釋現象。IBU 原料藥在8 h 以內釋藥70%以上；投藥量4%的PLA/IBU 微球在48 h以內釋藥19%，累計釋藥時間192 h 以上，釋藥量為35%，說明載藥微球具有明顯的緩釋效果；當投藥量提高到16 %時，PLA/IBU 微球在48 h 以內釋藥52 %，最終藥物累計釋放量可達57 %，由此可見，隨著IBU 含量的增加，藥物釋放速率越快，累計釋放率越高，這是因為藥物的釋放特征與藥物在微球中的分布狀態有關，投藥量越高，藥物分布于微球表面越多，在初始階段，表面的藥物可快速釋放，隨后嵌入在微囊內部的藥物緩慢釋放，使藥物釋放速度逐漸減慢［23］。從實驗結果看，采用靜電噴霧法制備的PLA/IBU 微球能夠實現對負載IBU 產生緩釋的作用，并且降低投藥量，使藥物負載在微球內部，可以顯著提高初期緩釋性能。

圖6 不同投藥量的PLA/IBU微球的緩釋曲線Fig.6 Sustained release curves of PLA/IBU microspheres with different dosages

3 結論

（1）采用高壓靜電噴霧裝置，以PLA為骨架載體材料、IBU 為模型藥物，在電壓17.5 kV、接收距離15 cm、注射速度0.5 mL/h、針頭內徑0.8 mm 參數下，能夠成功制備出均勻圓整、分散性較好的球狀微囊，并且在能形成分散微粒的濃度范圍內，藥物濃度的提高對微球粒徑無顯著影響；

（2）對PLA/IBU 微球進行結構表征和性能研究發現，PLA/IBU 微球為無定形結構，IBU 以分子或無規則狀態高度分布在PLA 基質中，各組分結構未發生變化，熱穩定性較IBU 原料藥有一定提高。靜電噴霧法制備的PLA/IBU 微球均具有良好的控釋能力，并且隨著投藥量的增加，藥物釋放速率和累計釋放率逐漸提高，因此可以通過控制投藥量，有效調控微球中藥物在初期的釋放行為。該結論拓展了靜電噴霧法在緩釋微球領域的應用，后期還可以進一步深入研究PLA/IBU微球的形成機理，以及載藥微球在體內的釋放行為。