負載紫杉醇復合納米纖維膜的制備與理化性能研究

摘要：為減少抗腫瘤藥物紫杉醇的毒性，增強療效，采用靜電紡絲技術制備出一種新型藥物劑型即紫杉醇/聚乳酸復合納米纖維膜，運用現代分析儀器對復合納米纖維膜的形貌、化學結構變化、結晶形態以及動態接觸角等理化性能進行了測試，結果表明：復合納米纖維直徑較細，形貌良好。其中，未添加藥物的納米纖維平均直徑為593.2±160.4nm，隨著藥物質量分數的增加，纖維平均直徑進一步降低，當藥物質量分數為15%時，纖維平均直徑降至392.4±185.4nm。藥物以無定型狀態存在于纖維膜中，化學性質沒有改變。復合納米纖維膜呈拒水性質，所含藥物質量分數與拒水性間呈正相關性。

關鍵詞：復合納米纖維膜；理化性能；紫杉醇；靜電紡絲；質量分數

中圖分類號：TS171文獻標志碼：A文章編號：2095－414X（2024）05－0066－05

0引言

紫杉醇（Paclitaxel，PTX）是世界公認最有效的廣譜抗腫瘤藥物之一，主要來源于紅豆杉屬的植物，其作用機制獨特，能促進微管形成和穩定，抑制癌細胞的有絲分裂，誘導細胞凋亡，對多種實體瘤有效，被廣泛應用于肺癌、乳腺癌和卵巢癌的化療[1-2]。但紫杉醇水溶性差，存在劑量依賴毒性，易產生骨髓抑制、神經毒性、胃腸道反應以及肌肉疼痛等不良反應，使其應用受到嚴重限制[3-5]。為了提高紫杉醇制劑的臨床療效及安全性，改變其劑型就顯得十分必要和迫切。

靜電紡絲技術所制備的納米纖維一般具有比表面積大、孔隙率高等特點，已廣泛應用于生物醫藥領域[6]。通過將藥物加入紡絲液中，制備出載藥納米纖維，實現對藥物的緩慢、控制釋放，進而達到降低藥物毒性、減少服藥次數、提高藥物生物利用度的目的，目前已成為國內外學者廣泛研究的熱點問題[7-9]。如國外學者Hosseini以抗抑郁藥物氯丙咪嗪為對象，以聚乙烯醇（PVA）為基材，制備出復合納米纖維膜，研究了該藥物的釋放規律[10]。國內吳煥嶺[11]等以聚乳酸-羥基乙酸共聚物[poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA]為基材，以阿霉素（DOX）為模型藥，運用靜電紡絲技術制備出復合納米纖維膜，對藥物的釋放性能進行了探究。李亮[12]則以常用的抗生素阿莫西林為模型藥，以聚乳酸為載體，對其進行靜電紡絲制備出一種載藥敷料，研究結果表明該敷料對金黃色葡萄球菌具有良好的抗菌性能。眾多學者開展的相關研究，大都以載藥納米纖維膜的藥物釋放性能為研究重點，對負載藥物的化學結構、結晶狀態、親水性等一系列理化性能研究偏少。本文以靜電紡載藥納米纖維膜的理化性能分析為研究對象，采用生物可降解的高分子材料聚乳酸[poly（lactic acid），PLA]為載體，對抗腫瘤藥物紫杉醇運用靜電紡絲技術制備出PTX/PLA復合納米纖維膜，使用掃描電子顯微鏡（SEM）、傅里葉紅外光譜儀（FT-IR）、X-射線衍射儀（XRD）、表面/界面張力儀分別對復合纖維膜的形貌特征、化學結構變化、結晶形態以及拒水性進行分析，探討這種新型藥物劑型物理、化學方面的性質，為后續臨床應用性能的改善提供依據。

1實驗

1.1實驗材料及設備

1.1.1實驗材料

材料：聚乳酸（PLA，Mw=60000），上海創賽科技有限公司；二氯甲烷（DCM）、N-N二甲基甲酰胺（DMF），分析純，國藥集團化學試劑有限公司;紫杉醇（純度≥99%），成都德思特生物技術有限公司；司班80（SP-80），分析純，廣州羽萱生物科技有限公司。

1.1.2實驗儀器設備

掃描電子顯微鏡（S-4800），日本HITACHI公司；傅立葉變換紅外光譜儀（IRPrestige-21），日本Shimadz公司；X射線（粉末）（D8系列）衍射儀，德國Bruker公司；表面/界面張力儀（DCAT11），德國Dataphysics公司；靜電紡絲機（TL-0123），中國深圳市通力微納科技有限公司。

1.2負載紫杉醇復合納米纖維膜的制備及性能測試1.2.1負載紫杉醇復合納米纖維膜的制備

經過前期預實驗，已摸索出合適的溶劑組成，即采用二氯甲烷（DCM）與N-N二甲基甲酰胺（DMF）的混合溶劑體系（DCM/DMF的質量比為3：1）。稱取經過烘干處理的一定質量的PLA，為增加其在混合溶劑中的溶解性能，添加質量分數為2%SP-80作為增溶劑，配制濃度為8%的PLA紡絲液。運用磁力攪拌器攪拌10 h左右，形成分散均勻的紡絲溶液。取5ml紡絲液加入到注射器中，放置于紡絲機推進器中，設置紡絲參數為：室溫、20kv的紡絲電壓、0.5mL/h的紡絲流量、17cm的接收距離、80m/s的接收輥轉動線速度。靜電紡絲30min，用于掃描電鏡分析。同樣條件下，靜電紡9h后取出纖維膜，置于烘箱中烘干用于理化性能分析。

稱取一定質量的紫杉醇粉末溶解在相同的溶劑體系中，分別配制紫杉醇質量分數為5%、10%、15%的紡絲液。在相同條件下進行靜電紡絲，取樣分析。

1.2.2纖維形貌觀察

將樣品裁剪成3cm×3cm的規格，表面噴金100s后置于電鏡中觀察分析。設置測試條件為：10 kV的加速電壓，10 mA的加速電流。對電鏡圖片中的任意30根纖維，運用Image J軟件測量其直徑值，分析平均直徑及其分布情況。

1.2.3性能測試

將纖維膜剪碎，采用KBr壓片法，運用傅立葉變換紅外光譜儀，對復合納米纖維膜進行化學結構分析；取一定量的纖維膜放入測試管中，選擇Cu靶、Kα射線、40KV的管電壓、40mA的電流，運用X射線衍射儀對復合納米纖維膜的物相進行分析。將纖維膜裁剪成50mm×10mm（長×寬）的條狀，在恒溫恒濕條件（T=20℃，RH=65%）下平衡24h后，利用表面/界面張力儀對其進行拒水性分析。

2結果與分析

2.1不同質量分數的紫杉醇/PLA掃描電鏡形貌分析采用掃描電鏡觀察到的復合納米纖維形貌及直徑分

布情況見圖1。圖1（a）、（e）為純PLA納米纖維形貌與直徑分布圖。如圖所示，纖維形態完整，呈現清晰的網狀交織結構。通過ImageJ軟件分析可知，纖維平均直徑為593.2±160.4nm。當添加質量分數為5%的紫杉醇藥物后，纖維平均直徑變細，而且離散性增加，如圖1（b）、（f）所示。當藥物質量分數達到15%時，復合納米纖維表面仍保持較好的光滑度，形貌良好，但是纖維平均直徑卻下降至392.4±185.4nm，并且出現了部分纖維粘連的現象。

根據文獻[13]可知，靜電紡噴射細流半徑與通過紡絲液射流中的電流、射流流動速率以及射流表面電荷分布等有關，滿足的關系式如公式（1）、（2）所示：

式（1）、（2）中的符號含義如下：I—通過紡絲液射流中的電流，Q—射流的流動速率，E—靜電場的電場強度，ρ—射流的流體密度，r—靜電紡噴射細流的半徑，z—以噴頭為原點指向接受裝置的縱向坐標。其中β和a是常數，δ也是一個常數，其數值大小與高聚物溶液的電導率和濃度呈正相關。假設靜電紡絲時射流流動速率Q保持不變，通過紡絲液射流中的電流I就取決于δ的大小了。如公式（2）所示，當δ增大時，I隨之增大。根據公式（1）可知，射流噴射細流半徑就會減小，收集到的纖維直徑隨之減小。本實驗中，當小分子藥物的質量分數增加后，紡絲液的電導率隨之增加，δ的增大使得通過紡絲液射流中的電流I增大，纖維平均直徑因而變細且紡絲過程中的不穩定現象隨之加劇[14]。另一方面，在同樣的溶液濃度下，藥物質量分數的增加使得成纖高聚物PLA的含量相對減少，纖維平均直徑也將隨之變細。

2.2紅外光譜分析

圖2是樣品的紅外光譜圖中，其中，a圖是PLA納米纖維膜的紅外光譜圖，b圖是添加了質量分數為15%的紫杉醇復合納米纖維膜紅外光譜圖。a圖中3453 cm-1處的寬峰是-OH的伸縮振動，3000 cm-1的弱峰是-CH3不對稱伸縮振動峰，1653cm-1處的特征峰是-C=O的不對稱雙鍵伸縮振動峰，證實了靜電紡絲后聚乳酸的化學結構并沒有發生改變。b圖中708 cm-1的特征峰是紫杉醇分子結構式中苯環取代區-CH面外彎曲振動峰，1246 cm-1處的峰同樣是紫杉醇中芳香環化后C-H振動吸收峰，1709 cm-1處的特征峰是聚乳酸分子結構式中-C=O的振動吸收峰，3483 cm-1處的強峰是-OH的伸縮振動峰。因此，所制備的復合納米纖維膜中既含有藥物紫杉醇的特征峰又含有載體聚乳酸的特征峰，除此之外再無新的特征峰，這就說明藥物與載體聚乳酸之間并沒有發生化學反應，藥物性質得以保留。究其原因，是因為靜電紡絲技術只是一種物理加工技術，不會改變物質的原有化學結構[15-16]。

2.3 XRD分析

圖3中，a、b、c、d圖分別是紫杉醇質量分數為0、5%、10%、15%的樣品X射線衍射圖。如圖所示，這4張X射線衍射圖的外觀完全一樣，都是在2θ為15°、23°、27°有較強的衍射峰，而在其他各處并沒有出現新的衍射峰，查閱文獻可知[17]，純品紫杉醇的X射線衍射圖在5.8°、9.1°、12.56°等處均有強峰，且峰高而尖銳，但是這些峰在復合納米纖維膜中都沒有出現，這說明紫杉醇藥物是以無定形狀態存在于載體聚乳酸中的。就其原因，可能是靜電紡絲的速度較快，在極短的時間內纖維被伸直拉長，高聚物的分子鏈和小分子的紫杉醇藥物來不及高度取向排列，從而無法形成晶體結構所致。

2.4拒水性能分析

利用表面/界面張力儀測得的復合納米纖維膜前進角和后退角的值如表1所示。當紫杉醇的質量分數為0時，所紡的纖維膜前進角為84.7°，后退角為73.4°。當加入抗腫瘤藥物紫杉醇后，復合納米纖維膜的前進角變大，后退角也變大，兩者差值也在增大。隨著紫杉醇質量分數的增加，這兩個角度繼續增大。當紫杉醇質量分數達到15%時，纖維膜的前進角增加至106.5°，后退角增加至82.0°，兩者差值達到24.5°。

根據表面/界面張力儀的測量原理，可知接觸角的大小可以由固-液-氣接觸線上界面張力平衡求得：

即σsg-σsl=σlg cos θ，由此可以求得：

式中θ、σlg、σsg、σsl分別為接觸角、液-氣、固-氣及固-液界面的界面張力，這就是著名的Young方程[18]。Young方程是理想狀態下的方程，被測固體的表面是理想的光滑表面，因而測出的接觸角是唯一值[19]。但是，大多數情況下，固體表面都是有一定粗糙度的，此時的接觸角與Young方程中的接觸角并不一致。

為解決這一問題，有學者[20]指出，當液滴置于粗糙表面時，在固-液-氣接觸線上必然存在一個由于固體表面粗糙引起的附加力作用。這個附加力具有靜摩擦力的性質，稱之為滯后阻力f，定義為固-液-氣接觸線上單位長度上的滯后阻力，f>0且方向和σsl方向一致。因此，液滴在粗糙固體表面的受力情況發生了改變，受力示意圖如圖4所示。根據熱力學平衡條件，可進一步導出下列關系式：

為后退角

因此，粗糙表面的固體接觸角可分為前進角和后退角，兩者差值隨固體表面粗糙度的增大而增加。本實驗中，復合納米纖維膜前進角大于90°，表明該膜具有拒水性，這是因為PLA分子結構式中沒有親水性基團所致。當納米纖維復合體系中添加了拒水性的藥物后，紡絲溶液導電性進一步增加，使得紡絲不穩定性加劇，引起納米纖維膜表面粗糙度增加，前進角進一步隨之加大。藥物質量分數越高，復合納米纖維膜的前進角就越大，其拒水性也進一步增強。本實驗中復合納米纖維膜的拒水性隨藥物質量分數的增加而增強，表明這種藥物新劑型不容易吸濕變性，能夠保存更長時間，這對于其臨床應用價值的提升具有積極意義。

3結論

（1）通過靜電紡絲技術將抗癌藥物紫杉醇負載于聚乳酸納米纖維膜中，隨著藥物質量分數的增加，形成的纖維平均直徑變細，分布趨于紊亂，但纖維表面仍保持較好的光滑度，形貌良好。

（2）FTIR結果顯示，在靜電紡絲過程中，紫杉醇并沒有與聚乳酸發生化學反應，藥物性能保持不變。XRD結果表明，紫杉醇在復合纖維膜中以無定型狀態存在。表面/界面張力儀測試結果顯示，加入藥物后，復合納米纖維膜的拒水性進一步增加。

（3）靜電紡絲技術制備的載藥納米纖維膜是一種新型藥物劑型，理化性能優良，具有良好的臨床應用前景。

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Research on Preparation and Physicochemical Properties of Paclitaxel Loaded Composite Nanofiber Membranes

WANG Juan1，WEI Anfang2，ZHANG Xianyan2

（1.School of Pharmacy，Wannan Medical College，WuhuAnHui 241002，China;

2.Anhui Laboratory of Functional Coordinated Complexes for Materials Chemistry and Application，WuhuAnHui 241002，China）

Abstract：In order to reduce the toxicity of anti-tumor drug Paclitaxel and enhance its curative effect，a new drug dosage form that is pacli-taxel/poly（lactic acid）composite nanofiber film is prepared by electrospinning technology.Modern analytical instruments are used to test the morphology，chemical structure changes，crystal morphology and Dynamic Contact Angle of the composite nanofiber film.The results show that the composite nanofibers have fine diameters and good morphology.The average diameter of nanofiber without drug addition is 593.2±160.4nm，and with the increase of drug mass fraction，the average fiber diameter further decreases and when the drug mass fraction is 15%，the average fiber diameter drops to 392.4±185.4nm.The drug exists in the fiber membrane in an amorphous state，and there is no chemical reaction between the drug and the carrier poly（lactic acid）.The composite nanofiber membrane shows water repellent properties，and the drug mass fraction is positively correlated with water repellency of the composite.

Keywords：composite nanofiber membrane;physicochemical properties;Paclitaxel;Electrospinning;mass fraction

（責任編輯：李強）