薰衣草精油雙重緩釋納米纖維的構建及其性能分析

任笑鴿,郝林聰

(新疆大學 紡織與服裝學院, 新疆 烏魯木齊 830017)

薰衣草精油(OEL)是一種復雜的揮發性化合物混合物,主要包括乙酸芳樟酯、乙酸薰衣草酯等,可提供特定的植物香味,是芳香療法中常用的材料之一,作為一種補充醫學治療手段,可用于提高生活質量,包括抗焦慮[1-2]、幫助睡眠[3]、鎮靜[4-5]等。精油可以通過鼻孔吸入到嗅覺系統,在肺血管的作用下,向器官和組織擴散[4],一些研究也證明了精油的特定藥理作用[1-2,6]。在生活中,構建芳香系統相對容易,但由于精油的高揮發性,芳香系統的長期良好運行較為困難。

為了延長精油的芳香保質期以及穩定性,納米封裝[7-9]和宏觀屏蔽[10]是常用的保護精油免受降解因素(空氣、濕度、溫度等)影響的方法。在藥物和化妝品香薰領域,通過納米封裝技術制備的納米顆粒更容易與其他產品結合。壁材是納米微膠囊制備過程中關鍵因素之一。大環化合物β-環糊精(β-CD)是常用的分子納米封裝壁材,具有α-d-吡喃葡萄糖結構,無毒,在紡織品中被廣泛使用[11],疏水性內腔和合適的腔尺寸可以封裝和穩定薰衣草精油分子[12-14]。通過納米包封技術獲得的β-環糊精/薰衣草精油微膠囊具有芳香性,可與多維產品結合拓展新的應用領域。

靜電紡絲是一種制備功能性納米纖維的通用技術。通過摻雜芳香功能性物質制備納米纖維,可以很好地實現纖維的芳香功能性[15]。Ana等[16]將百里香精油添加到聚合物溶液中以獲得具有緩釋特性的抗菌纖維。Ghasemi 等[17]通過將孜然精油包裹在玉米醇溶蛋白靜電紡纖維中來抑制金黃色葡萄球菌和大腸桿菌、蠟狀芽孢桿菌和腸桿菌的生長。Li 等[18]制備了含有3種不同精油(茶樹、肉桂皮、丁香)的抗菌聚氨酯納米纖維。精油包覆在纖維中仍可以發揮作用,這為芳香緩釋納米纖維提供了新的思路。

本文通過共沉淀納米微膠囊技術制備了緩釋β-環糊精/薰衣草精油微膠囊(β-CD/OEL-IC),并通過響應面法(Box-Behnken)優化不同工藝參數對薰衣草精油包合率的影響。將緩釋β-環糊精/薰衣草精油微膠囊摻雜到聚丙烯腈(PAN)靜電紡絲溶液中,利用靜電紡絲技術制備出復合聚丙烯腈/β-環糊精/薰衣草精油微膠囊納米纖維(PAN/IC-NFs),以期為薰衣草精油的芳香療法開辟更廣闊的途徑。

1 實驗部分

1.1 材料與設備

實驗材料:薰衣草精油(伊利圣瑪依拉薰衣草制品有限公司);β-環糊精(上海麥克林生化科技股份有限公司);聚丙烯腈(平均分子量150 000, 上海麥克林生化科技股份有限公司);N, N-二甲基甲酰胺(DMF,分析純,上海阿拉丁生化科技股份有限公司);無水乙醇(分析純,天津北聯精細化學品開發有限公司)。

實驗設備:JSM-7900掃描電子顯微鏡(日本電子株式會社);FN-200s高速均質機(上海力辰儀器科技有限公司);BC/BD-429HEM電冰柜(青島海爾特種電冰柜有限公司);FD-1B-80+冷凍干燥機(北京博醫康實驗儀器有限公司);Bruker Vertex 70傅里葉紅外光譜儀(德國 Bruker 公司);HZ-D(III)循環水式多用真空泵(上海力辰儀器科技有限公司);TA-SDTQ600熱重分析儀(美國TA公司);UV-1200紫外分光光度計(上海美譜達儀器有限公司);FA2004-100電子天平(上海舜宇恒平科學儀器有限公司);MC6000微型離心機(杭州瑞誠儀器有限公司);DCAT 21動態接觸角測量儀(德國DataPhysics 公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1 初級緩釋微膠囊制備

首先將1 g β-環糊精分散在體積比為2∶1的水與乙醇溶液中,利用高速均質設備在(10 000±300) r/min條件下高速均質處理5 min,而后將一定量的薰衣草精油加入上述溶液中繼續攪拌1 min制備均勻混合液。在一定的溫度條件下將均質后的混合液在1 300 r/min機械攪拌條件下進行包合攪拌,得到微膠囊乳液。最后在4℃低溫下靜置4 h后進行過濾、凍干后獲得微膠囊粉末,即制得β-環糊精/薰衣草精油微膠囊粉末。

1.2.2 二級緩釋納米纖維制備

首先稱取0.9g聚丙烯腈粉末加入到DMF溶劑中制備質量分數為6%的聚丙烯腈溶液,60℃水浴加熱攪拌36 h,然后準確稱取1.8 g β-環糊精/薰衣草精油微膠囊粉末緩慢加入到聚丙烯腈紡絲液中,室溫下繼續攪拌30 min,最后通過靜電紡絲技術在16 kV、紡絲距離18cm、注射速度0.8 mL/min條件下制備聚丙烯腈/β-環糊精/薰衣草精油微膠囊納米纖維,同時配備質量分數為18%的PAN/DMF紡絲溶液制備聚丙烯腈納米纖維(PAN-NFs)作對比。

1.3 測試與表征

1.3.1 薰衣草精油的測定

利用紫外-可見分光光度計對溶液中薰衣草精油定量分析。以無水乙醇作為空白對照樣,以1μL/mL薰衣草精油標準溶液在280～300 nm處進行吸光度測試,得出最大吸光度對應波長,然后依次稀釋制備4倍(0.25μL/mL)、8倍(0.125μL/mL)、16倍(0.062 5μL/mL)、32倍(0.031 25μL/mL)、64倍(0.015 625μL/mL)、128倍(0.007 812 5μL/mL)的薰衣草精油/無水乙醇標準液。利用紫外分光光度計分別測出吸光度值A,得到關于精油體積濃度C的擬合回歸方程。

1.3.2 微膠囊熱分析

稱取一定質量β-環糊精/薰衣草精油微膠囊樣品,采用熱重分析儀分析樣品的熱穩定性,測試參數為氮氣環境、氣流速度20 mL/min、溫度范圍室溫至400℃、升溫速率10℃/min。

1.3.3 微膠囊形態分析

將β-環糊精/薰衣草精油微膠囊粉末黏在導電膠上進行噴金。通過掃描電子顯微鏡觀察微膠囊的微觀外貌。

1.3.4 化學結構表征

利用傅里葉變換紅外光譜儀測試材料的官能團。固體粉末樣品的紅外光譜使用KBr為背景。對于純液體薰衣草精油、β-環糊精/薰衣草精油微膠囊、聚丙烯腈/β-環糊精/薰衣草精油微膠囊納米纖維和聚丙烯腈納米纖維,使用衰減全內反射(ATR)模式。在4 000～400cm-1范圍內記錄所有樣品的光譜,分辨率為4cm-1。

1.3.5 水接觸角測量

將聚丙烯腈/β-環糊精/薰衣草精油微膠囊納米纖維膜和聚丙烯腈納米纖維膜剪成1cm×1cm大小的試樣,平貼在載玻片表面,滴加5μL蒸餾水,利用DCAT 21 動態接觸角測量儀測試納米纖維的水接觸角。

1.3.6 β-環糊精/薰衣草精油微膠囊包合率及芳香保持率測定

利用電子天平分別稱取1 g β-環糊精/薰衣草精油微膠囊、1 g聚丙烯腈/β-環糊精/薰衣草精油微膠囊納米纖維樣品,置于2個直徑為6cm的玻璃培養皿中,在25℃、無風條件下靜置。在第0、1、2、3、4、5、6、7、9、11、13、21 d,分別取一定量樣品,精準稱量后分散在5 mL無水乙醇中,利用低溫超聲設備進行超聲萃取30 min,然后吸取上清液進行離心處理,離心處理后再去上清液,根據測試出的最佳紫外吸收波長測試提取液的吸光度。利用標準溶液濃度與吸光度的標準擬合方程計算β-環糊精/薰衣草精油微膠囊中精油的體積,其與微膠囊制備過程中薰衣草精油總添加量的比值,即為薰衣草精油的包合率。

空白樣是將1 g β-環糊精與0.12 mL精油物理攪拌后的混合物。以β-環糊精/薰衣草精油微膠囊、聚丙烯腈/β-環糊精/薰衣草精油微膠囊納米纖維和空白樣在相同環境中放置、取樣第0 d測出的精油體積濃度記為100%,分別放置第1、2、3、4、5、6、7、9、11、13、21 d的精油體積濃度,換算為百分含量后即為其芳香保持率。

2 結果與討論

2.1 微膠囊制備工藝優化及熱穩定性分析

薰衣草精油的吸光度與薰衣草的來源和提取方法有關。圖1(a)為薰衣草精油的吸收光譜曲線,由此曲線可以確定薰衣草精油的最大吸收波長。薰衣草精油分散在乙醇溶液中,通過紫外吸收光譜儀檢測發現,在波長275～305 nm范圍內,溶液吸光度先增大后減小,在測試波長為292 nm處吸光度值達到最高。圖1(b)為薰衣草精油吸光度與體積濃度的標準曲線,其符合朗伯比爾定律,由此可以計算薰衣草精油的含量。圖1(c)為薰衣草精油的包合率與薰衣草精油用量、包合溫度和包合攪拌時間的關系。在固定壁材β-環糊精為1 g條件下,包合率與薰衣草精油用量、包合時間、包合溫度均呈現先上升后下降的變化趨勢。

圖1 薰衣草精油及微膠囊制備影響因素Fig.1 OEL and optimization of β-CD/OEL-IC.(a)Relationship between the absorbance and wavelength of OEL;(b)Relationship of absorbance and concentration;(c)Univariate analysis of β-CD/OEL-IC

為了進一步優化分析條件,基于單因素結果進行 Box-Behnken 分析,圖2所示為精油用量、包合溫度和包合攪拌時間之間的交互關系。圖2(a)(b)表明包合率隨著薰衣草精油用量的增加先增加后減小,這可能是因為溶液中薰衣草精油的體積濃度對精油分子進入β-環糊精空腔有很大影響;在低用量下,薰衣草精油體積濃度低,β-環糊精分子與精油分子之間的相互作用弱,不能產生足夠的疏水驅動作用;精油用量過多時,多余的精油分子無法進入到β-環糊精分子空腔中,微膠囊的形成也可能受到薰衣草精油內大分子的相互作用影響。圖2(b)(c)表明隨著時間的增加,包合率降低,因為在相同的薰衣草精油用量和包合溫度下,薰衣草精油隨著時間增長持續揮發。圖2(a)(c)表明當精油用量和包合攪拌時間固定時,包合溫度對包合率的影響很小,可能原因是薰衣草精油的熱分解在研究溫度范圍內基本沒有變化,溫度對精油分子的熱運動影響較小。由圖2可知,薰衣草精油添加量0.12 mL、攪拌時間1.48 h、溫度39.2℃時,薰衣草精油的包合率最高(83.962 7%),相對標準偏差為0.018。經過5次獨立實驗計算出實際平均包合率為83.2%。

圖2 響應面分析Fig.2 Response suface analysis. (a) Dosage and temperature;(b) Dosage and time;(c) Temperature and time

圖3所示為β-環糊精/薰衣草精油微膠囊與純β-環糊精的熱穩定性分析。

圖3 微膠囊熱穩定性分析Fig.3 Thermogravimetric analysis of β-CD/OEL-IC

β-環糊精/薰衣草精油微膠囊形成后,由于β-環糊精和薰衣草精油的相互作用導致其與純β-環糊精熱重曲線存在差異。薰衣草精油的分解曲線表明其主要的質量損失發生在溫度30℃以上,當反應溫度達到150℃ 時,薰衣草精油幾乎完全分解。β-環糊精的熱分析曲線可以觀察到2個階段的質量損失,溫度低于100℃和高于275℃時,β-環糊精都出現質量損失,這些質量損失歸因于β-環糊精的失水和主要熱分解。β-環糊精/薰衣草精油微膠囊的分解曲線顯示出2個階段的質量損失,265℃以下的初始質量損失是由于薰衣草精油損失,而280℃以上的質量損失主要對應于β-環糊精的熱降解。對比可知β-環糊精空腔對薰衣草精油受熱的揮發和降解具有一定的保護作用。

2.2 微膠囊和微膠囊納米纖維的形態分析

圖4所示為β-環糊精、β-環糊精/薰衣草精油微膠囊、聚丙烯腈納米纖維及聚丙烯腈/β-環糊精/薰衣草精油微膠囊納米纖維的外觀特征。純 β-環糊精(圖4(a)(b))具有不同的幾何尺寸和不規則的形狀,一些小顆粒附著在表面。β-環糊精/薰衣草精油微膠囊(圖4(c)(d))呈多層結構晶體形式,形狀規則,尺寸較小,但有些團聚。與聚丙烯腈納米纖維(圖4(e)(f))相比,聚丙烯腈/β-環糊精/薰衣草精油微膠囊納米纖維(圖4(g)(h))表面具有連續且均勻的珠狀結構,這種特殊結構可能與較高含量的β-環糊精/薰衣草精油微膠囊摻雜有關,微膠囊為小分子結構,受到靜電力的作用較弱,紡絲液在制備納米纖維的過程中,溶劑不斷揮發,而發生一定量的團聚。此外,如圖4(e)(g)所示,PAN納米纖維的水接觸角為129°,而聚丙烯腈/β-環糊精/薰衣草精油微膠囊納米纖維水接觸角為110°。聚丙烯腈/β-環糊精/薰衣草精油微膠囊納米纖維表現出親水行為,可能是由于β-環糊精/薰衣草精油微膠囊分布在納米纖維的表面引起的,β-環糊精環狀外側有大量—OH存在,表現出親水作用,水接觸角減小。

圖4 掃描電鏡及水接觸角分析Fig.4 Analysis of SEM and water contact angle

2.3 微膠囊和納米纖維的化學結構表征

圖5 傅里葉紅外結果表征Fig.5 The FTIR spectra of OEL, β-CD/OEL-IC,β-CD, PAN/IC-NFs

2.4 微膠囊和納米纖維的釋放性能分析

如圖6所示,25℃下靜置21 d后,聚丙烯腈/β-環糊精/薰衣草精油微膠囊納米纖維、β-環糊精/薰衣草精油微膠囊以及空白樣的芳香保持率分別為82.5%、75.1%和16.1%。微膠囊中薰衣草精油的釋放曲線可以描述為2個過程,即最初的快速釋放和隨后的緩慢釋放。快速釋放可能是因為部分薰衣草精油分子和β-環糊精之間沒有形成穩定的氫鍵結構或者作用較弱。聚丙烯腈/β-環糊精/薰衣草精油微膠囊納米纖維的薰衣草精油釋放曲線可以分為3個階段,前3 d快速釋放,這可能是由于微膠囊暴露在纖維表面上;第 4～7 d香氣釋放率顯著下降,可能原因是內層中的薰衣草精油被釋放;第 10～ 21 d釋放速率顯著降低,僅釋放了β-環糊精/薰衣草精油微膠囊中薰衣草精油含量的 4.85%,這可能與纖維低程度的溶脹和聚合物大分子剛性鏈有關,纖維中聚合物大分子的狹窄間隙以及分子鏈剛性抑制了精油分子的擴散。

3 結 論

本文首先制備了具有芳香緩釋功能的β-環糊精/薰衣草精油微膠囊,再利用混合靜電紡絲技術將芳香緩釋微膠囊作為添加物添加至紡絲液中,制備出具有兩級緩釋系統的芳香緩釋聚丙烯腈/β-環糊精/薰衣草精油微膠囊納米纖維,并對精油的緩釋進行了深入研究。制備芳香緩釋微膠囊最佳工藝參數為精油用量0.12 mL、攪拌時間1.48 h、攪拌溫度39.2℃,以此得到的微膠囊包合率為83.2%。以聚丙烯腈與β-環糊精/薰衣草精油微膠囊質量比為1∶2制備出的聚丙烯腈/β-環糊精/薰衣草精油微膠囊納米纖維中微膠囊含量66.6%,表面具有連續且均勻的珠狀結構,水接觸角減小約19°,21 d芳香保持率82.5%,對于研究芳香功能納米纖維,擴大精油在日常生活用品中的廣泛應用有十分重要的意義。