聚乳酸/高烏甲素復合微/納米纖維膜的制備及性能研究

王燦燦,陳樂樂,李正逗,陳 霞,杜欣芮,姜飛飛,張 繼,3*

(1.西北師范大學 生命科學學院,甘肅 蘭州 730070;2.甘肅省特色植物有效成分制品工程技術研究中心,甘肅 蘭州 730070;3.西北師范大學 新農村發展研究院,甘肅 蘭州 730070)

近年來,隨著生物納米復合材料的發展,開發新的可持續、生態友好型材料受到人們的廣泛關注[1-2]。在生物醫學領域,許多新型結構材料的制備都離不開靜電紡絲技術。靜電紡絲是一種基于靜電場將聚合物紡制成納米或微米級連續纖維的技術[3-6]。靜電紡納米纖維因其高孔隙率、大比表面積和強吸附能力等優點在現代醫學領域中具有廣闊的應用前景[7]。傳統的紗布和繃帶雖然可以使傷口愈合,卻存在著傷口感染的風險,隨著科技的發展,新型靜電紡纖維傷口輔料已被廣泛應用于生物醫用材料中[8-9]。與傳統紗布敷料相比,通過靜電紡絲制備的納米纖維膜具有高孔隙率、優異的延展性、與細胞生長外基質高度相似的微環境、抑菌性能、可控的潮濕環境、促進細胞生長和遷移、無需換藥及避免二次創傷等眾多優點,可加快傷口的愈合[10-14]。目前,單一材料的靜電紡納米纖維膜很難同時滿足以上多種需求,而通過共混、交聯等技術制備的復合納米纖維膜則具有更大的優勢[15]。M.S.KARIZMEH等[16]通過靜電紡絲制備了一種由聚己內酯、殼聚糖、聚氨酯和蜂膠乙醇提取物組成的傷口敷料,敷料具有良好的力學性能、抗菌性能和生物相容性。朱吉昌等[17]利用靜電紡絲技術開發了由聚乳酸(PLA)/細菌纖維素/殼聚糖組成的理想傷口修復材料。

PLA因具有良好的生物相容性和生物可吸收性被開發應用于生物醫學材料[18-20]。氫溴酸高烏甲素(LAH)是從烏頭屬植物中分離的具有代表性的單酯二萜生物堿,是國內首創的非依賴性鎮痛新藥,具有消炎、鎮痛、退熱、局部麻醉等作用[21-28]。若將PLA、LAH進行混合,利用靜電紡絲技術制備PLA/LAH復合微/納米纖維膜,利用其中LAH的消炎、鎮痛等功效則可應用于醫用輔料。作者以PLA和LAH為原料,采用靜電紡絲技術制備了PLA微/納米纖維膜及PLA/LAH復合微/納米纖維膜,研究了纖維膜的表面形貌、化學結構、力學性能、藥物緩釋及抗炎性能。

1 實驗

1.1 主要試劑和實驗儀器

PLA：分析純,重均相對分子質量為60 000,美國Sigma-Aldrich公司產;二氯甲烷：分析純,天津市富宇精細化有限公司產;氧化鋅(ZnO)：15～30 nm,上海麥克林生化科技有限公司產;LAH：重均相對分子質量為665.62,上海阿拉丁生化科技股份有限公司產;溴化鉀：光譜純,天津市光復精細化工研究所產;磷酸氫二鈉：分析純,上海滬崢生物科技有限公司產;磷酸二氫鈉：分析純,無錫市展望化工試劑有限公司產。

Nicolet iS10傅里葉變換紅外光譜儀：美國Thermo公司制;JD500-3電子天平：沈陽龍騰電子有限公司制;UV 9100B紫外-可見分光光度計：北京萊伯泰科儀器有限公司制;LGJ-18S真空冷凍干燥機：北京松源華興科技發展有限公司制;JRA-6數顯磁力攪拌水浴鍋：金壇市杰瑞爾電器有限公司制;JDF05型靜電紡絲機：長沙納儀儀器科技有限公司制;SHA-C恒溫振蕩器：常州國華儀器有限公司制;KQ-250DE型超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司制;Ultra Plus熱場發射掃描電鏡：德國Zeiss公司制。

1.2 PLA/LAH復合微/納米纖維膜的制備

1.2.1 PLA微/納米纖維膜的制備

在室溫條件下,分別稱取質量為1.69,2.31,2.95,3.62,4.33 g的PLA,將其分別加入到20 mL二氯甲烷中,配置成質量濃度分別為80,100,120,140,160 mg/mL的PLA溶液,在25 ℃下持續攪拌4～12 h至溶液混合均勻,得到透明的PLA紡絲溶液;將PLA紡絲溶液移至靜電紡絲機的注射器中,調節靜電紡絲參數電壓為8 kV、紡絲溶液流速為1 mL/h、紡絲噴頭與接收滾筒之間的距離為12 cm、滾筒轉速為250 r/min,制得纖維膜;將得到的纖維膜置于真空干燥箱內,在25 ℃下干燥24 h,直至纖維膜厚度達到0.1 mm,得到PLA微/納米纖維膜。PLA質量濃度為80,100,120,140,160 mg/mL的PLA微/納米纖維膜試樣分別標記為1#、2#、3#、4#、5#。

1.2.2 PLA/LAH復合微/納米纖維膜的制備

在配置好的質量濃度為120 mg/mL的PLA紡絲液中加入適量LAH,充分攪拌至溶液混合均勻,超聲分散,得到均勻透明的紡絲液,其中LAH的質量分數分別為6%、8%、10%、12%、14%;將紡絲液移至靜電紡絲機的注射器中,調節靜電紡絲參數電壓為8 kV、紡絲液流速為1 mL/h、紡絲噴頭與接收滾筒之間的距離為12 cm、滾筒轉速為250 r/min,制得纖維膜;將得到的復合纖維膜置于真空干燥箱內,在25 ℃下干燥24 h,直至纖維膜厚度達到0.1 mm,得到PLA/LAH復合微/納米纖維膜。LAH質量分數為6%、8%、10%、12%、14%的PLA/LAH復合微/納米纖維膜試樣分別標記為6#、7#、8#、9#、10#。

1.3 分析與測試

微觀形貌：將微/納米纖維膜噴金處理后,通過熱場發射掃描電鏡(SEM)觀察微/納米纖維膜的形貌,放大倍數10 000,同時利用Image J軟件統計得到纖維直徑分布。

力學性能：將PLA微/納米纖維膜剪成長100 mm、寬2 mm的樣條,利用微型測厚儀測試纖維膜的厚度,然后在常溫下測試纖維膜的力學性能,拉伸速率為50 mm/min。

化學結構：將微/納米纖維膜剪成直徑為5 mm的小圓片,溴化鉀壓片,采用傅里葉變換紅外光譜儀測定微/納米纖維膜的紅外光譜(FTIR),波數為400～4 000 cm-1。

藥物緩釋性能：選取pH為6.8的磷酸鹽緩沖液模擬體液測試LAH在緩沖液中的吸光值,通過全波長掃描確定LAH的最高吸收峰在241 nm處,因此選擇241 nm作為測定波長;將PLA/LAH復合微/納米纖維膜稱重后放入透析袋中,間隔一定時間取出5 mL溶液,并補加同等溫度的磷酸鹽緩沖液5 mL,測定取出溶液的吸光值;根據線性回歸方程計算不同時刻PLA/LAH復合微/納米纖維膜的累計藥物釋放率。

抗炎性能：通過二甲苯致小鼠耳廓腫脹試驗測試腫脹度來表征,腫脹度越小,表示抗炎效果越好。隨機選取30只體重為18～20 g的雄性小鼠,平均分為3組,使用脫毛膏對小鼠背部脫毛,脫毛后24 h給藥,第1至第3組分別敷無藥紗布、PLA/LAH復合微/納米纖維膜、通絡祛痛膏;在敷藥的第3,5,7 d后給藥,末次給藥后將濃度為100%的二甲苯300 μm涂擦在各小鼠左耳的前后兩面,1 h后用頸椎脫臼法處死小鼠,沿耳廓基線剪下雙耳,用直徑為7 mm的打孔器在同一位置打下耳片,然后立即用分析天平稱重,左右耳片質量之差即為腫脹度。

2 結果與討論

2.1 微觀形貌及纖維直徑分布

從圖1和圖2可以看出：PLA質量濃度較低時,二氯甲烷未完全揮發,纖維直徑較小,不易成絲,且粘在錫箔紙上;隨著PLA質量濃度增加,纖維直徑逐漸增加,二氯甲烷迅速揮發,纖維表面形成細小的孔洞結構;當PLA質量濃度為120 mg/mL時,3#試樣的纖維表面出現大小均一的孔洞結構(圖1c),纖維直徑分布均勻,平均直徑達到1.4 μm,具有較高比表面積和高孔隙率,用其作為載藥材料對藥物具有良好的包裹作用,同時具有良好的緩釋效果;隨著PLA質量濃度進一步增加至160 mg/mL,5#試樣因PLA濃度過高導致紡絲液堵塞噴頭,在紡絲過程中拉伸不均勻,纖維出現梭形結構(圖1e);加入LAH后,PLA/LAH復合微/納米纖維膜(10#試樣)的纖維直徑分布與3#試樣的纖維直徑分布相差不大,纖維直徑分布均勻,平均直徑達到1.2 μm,其表面存在分布均勻的孔隙結構,有利于LAH的釋放。

圖1 PLA微/納米纖維膜及PLA/LAH復合微/納米纖維膜的SEM照片Fig.1 SEM photos of PLA micro/nanofiber membranes and PLA/LAH composite micro/nanofiber membranes

圖2 3#試樣及10#試樣的纖維直徑分布Fig.2 Fiber diameter distribution of samples 3# and 10#

2.2 力學性能

從圖3和表1可以看出：隨著PLA質量濃度增加,PLA微/納米纖維膜的拉伸應力先增大后減小,當PLA質量濃度為120 mg/mL時,纖維膜的拉伸應力最大,達到3.168 MPa;在拉伸初期,PLA微/納米纖維在低應力時顯示出先非線性彈性行為后彈性行為,隨著應力增大,纖維之間排列由松散網絡結構轉變為緊密拉伸狀態,繼續拉伸,PLA微/納米纖維變形較大,但應力沒有較大的變化,一段時間后纖維較弱的地方被破壞,導致周圍PLA微/納米纖維承擔更大的應力,纖維出現屈服現象,當應力達到一定值后纖維全部斷裂;通過比較,PLA質量濃度為120 mg/mL時PLA微/納米纖維膜(3#試樣)的應變、拉伸應力、彈性模量均達到最優,分別為62.27%、3.168 MPa、0.509 MPa,表明PLA質量濃度為120 mg/mL時得到的PLA微/納米纖維膜具有良好的力學性能;加入LAH后,PLA/LAH微/納米纖維膜(10#試樣)的應變、拉伸應力、彈性模量均略低于3#試樣,這可能是因為PLA與LAH結合不充分導致纖維膜的應變和拉伸應力下降,但10#試樣仍表現出良好的力學性能。

表1 PLA及PLA/LAH微/納米纖維膜的力學性能Tab.1 Mechanical properties of PLA and PLA/LAH micro/nanofiber membranes

圖3 PLA及PLA/LAH微/納米纖維膜的應力-應變曲線Fig.3 Stress-strain curves of PLA and PLA/LAH micro/nanofiber membranes●—2#試樣;▲—3#試樣;◆—4#試樣;▼—5#試樣;■—10#試樣

2.3 化學結構

由圖4可看出：PLA微/納米纖維膜在波數為2 997,1 758,1 188 cm-1處出現吸收峰,分別為C—H、C=O、C—O—C的伸縮振動吸收峰;與PLA微/納米纖維膜相比,PLA/LAH復合微/納米纖維膜同樣也出現這些峰,且沒有發生明顯移動,PLA/LAH微/納米纖維膜在波數為1 600,1 580,1 500,1 450 cm-1處出現典型的芳香化合物特征吸收峰,在波數為3 275 cm-1處出現N—H的伸縮振吸收動峰,這些與LAH的特征峰無明顯偏移或改變。由此可見,PLA/LAH復合微/納米纖維膜中LAH與PLA為物理共混,并未發生化學反應。

圖4 LAH與PLA纖維膜及PLA/LAH纖維膜的FTIR圖譜Fig.4 FTIR spectra of LAH and PLA fiber membranes and PLA/LAH fiber membrane1—LAH;2—PLA/LAH微/納米纖維膜;3—PLA微/納米纖維膜

2.4 藥物釋放性能

《藥劑學》中指出,若緩釋制劑在0.5～2 h內累計藥物釋放率高于30%,表明藥物存在突釋現象[29]。不同PLA/LAH復合微/納米纖維膜的體外藥物釋放曲線見圖5。

圖5 PLA/LAH復合微/納米纖維膜的體外藥物釋放曲線Fig.5 In vitro drug release curves of PLA/LAH composite micro/nanofiber membranes★—6#試樣;■—7#試樣;●—8#試樣;▲—9#試樣;▼—10#試樣

由圖5可以看出：隨著藥物釋放時間延長,PLA/LAH復合微/納米纖維膜的體外藥物釋放曲線出現藥物突釋及藥物緩釋兩種現象,在藥物釋放的前2 h內藥物釋放率均大于30%,存在明顯的藥物突釋現象,這種突釋現象可能是由于纖維表面藥物快速釋放造成的;隨著藥物釋放時間延長,PLA/LAH復合微/納米纖維膜在藥物釋放2～120 h均出現了明顯的藥物緩釋現象,且隨著LAH含量的增加,累積藥物釋放率增加;當藥物釋放時間達120 h,6#試樣的累積藥物釋放率穩定在60%,7#、8#、9#、10#試樣的累積藥物釋放率均大于等于80%,10#試樣的累積藥物釋放率最高,達89%。這與TENG G X等[23]制備的聚乙烯醇(PVA)/LAH納米纖維膜相比,突釋時間快,藥物釋放率高,緩釋時間長。總的來說,PLA/LAH復合微/納米纖維膜具有良好的藥物釋放性能,可應用于醫用傷口敷料。

2.5 抗炎性能

選擇PLA/LAH復合微/納米纖維膜(10#)試樣進行二甲苯致小鼠耳廓腫脹試驗,通過測試腫脹度表征其抗炎性能,腫脹度越小,表示抗炎效果越好。由表2可知,敷無藥紗布、PLA/LAH復合微/納米纖維膜、通絡祛痛膏后,二甲苯致小鼠耳廓的腫脹度分別為8.10,4.90,5.48 mg,說明PLA/LAH復合微/納米纖維膜、通絡祛痛膏均可明顯抑制二甲苯致小鼠耳廓的腫脹,具有顯著的抗炎效果,而且PLA/LAH復合微/納米纖維膜與通絡祛痛膏的抗炎效果相當。

表2 PLA/LAH復合微/納米纖維膜的抗炎性能Tab.2 Anti-inflammatory properties of PLA/LAH composite micro/nanofiber membrane

3 結論

a.以PLA和LAH為原料,采用靜電紡絲技術制備了不同PLA濃度的PLA微/納米纖維膜及不同LAH含量的PLA/LAH復合微/納米纖維膜。PLA/LAH復合微/納米纖維膜的纖維直徑分布均勻,具有較高的機械強度,以及藥物釋放性能和抗炎性能,可用于具有抗炎、鎮痛和緩釋等效果的手術線、創傷貼膜敷料等醫用材料。

b.當PLA的質量濃度為120 mg/mL時,PLA微/納米纖維膜的纖維直徑分布均勻,平均直徑達到1.4 μm,具有較高比表面積和高孔隙率,拉伸應力最大,達到3.168 MPa。添加LAH后,并未明顯改變纖維膜的纖維直徑和形貌,PLA與LAH之間是物理結合,并未發生化學反應。

c.PLA/LAH復合微/納米纖維膜在藥物釋放2～120 h出現明顯的藥物緩釋現象,且隨著LAH含量的增加,累積藥物釋放率增加。當藥物釋放時間達120 h,LAH質量分數為14%的PLA/LAH復合微/納米纖維膜的累積藥物釋放率最高,達89%。

d.二甲苯致小鼠耳廓腫脹試驗表明,分別敷LAH質量分數為14%的PLA/LAH復合微/納米纖維膜與通絡祛痛膏,二甲苯致小鼠耳廓的腫脹度分別為4.90,5.48 mg,說明PLA/LAH復合微/納米纖維膜具有顯著的抗炎效果,且與通絡祛痛膏的抗炎效果相當。