聚天冬氨酸基纖維水凝膠的制備及其釋藥性能

李思捷， 張彩丹

(嘉興學院 材料與紡織工程學院， 浙江 嘉興 314000)

藥物緩釋體系的開發成為現代醫藥領域的研究熱點[1-3]，與一般給藥方式相比，藥物緩釋體系以某種物質為載體進行藥物負載，可使藥物緩慢釋放進入體內，避免頻繁給藥引起血液中藥物濃度起伏過大，有利于降低藥物的毒副作用，增加藥物的安全性和有效性。隨著現代制藥技術的飛速發展，人們對藥物釋放體系提出了更高的要求，期望藥物能夠在特定部位釋放[4-5]，因此，開發智能藥物緩釋體系尤為重要。

近年來，環境敏感型水凝膠在智能藥物緩釋領域得到廣泛關注[6-7]。環境敏感型水凝膠能夠在外界刺激(溫度、pH、電場、磁場等)作用下發生體積溶脹或收縮，作為藥物載體可控制藥物在不同環境中的釋放速度。在眾多環境敏感型水凝膠中，聚天冬氨酸(PASP)水凝膠因其無毒、生物相容性好、可生物降解而備受青睞[8-9]。PASP水凝膠含有大量的羧基功能團，具有pH值敏感性，可利用pH值變化調控體內藥物的擴散和釋放，應用于胃腸道藥物緩釋體系[10]。傳統的PASP水凝膠通常為塊狀或膜狀的水凝膠，缺乏貫穿孔洞結構，導致溶脹速度慢，且易在溶脹的過程中發生破裂，限制了PASP水凝膠的應用。

近些年來，靜電紡絲技術因可制備直徑較小的納米纖維、工藝簡單可控、可紡物質種類繁多等優點，在水凝膠制備領域得到應用[11-13]。靜電紡納米纖維膜由直徑細小的納米纖維沉積成型，其孔隙率高，結構易調控，內部豐富的貫穿孔洞結構形成水分子擴散通道，可大大提高水凝膠的響應速度[14]。然而，PASP靜電紡水凝膠纖維直徑較細，進行溶脹吸藥后釋放速度快且強力較低，難以應用于智能藥物緩釋體系。本文采用同軸靜電紡絲的方法，將具有pH值敏感性的PASP水凝膠作為皮層，控制不同pH值下的藥物釋放；以具有良好力學性能和生物性能的熱塑性聚氨酯(TPU)作為芯層，將5-氟尿嘧啶作為藥物模型載入TPU內，形成PASP/TPU纖維水凝膠智能藥物緩釋體系。探索制備過程中的紡絲工藝、后處理工藝對PASP/TPU纖維水凝膠形貌結構及性能的影響，并分析不同pH值條件下的藥物釋放行為。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

聚琥珀酰亞胺(PSI)，相對分子質量為3.2×104，實驗室合成[15]；熱塑性聚氨酯(TPU)，江蘇高鼎精細化工有限公司；5-氟尿嘧啶，上海阿拉丁試劑有限公司；N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，上海化學試劑有限公司；乙二胺、氫氧化鈉(NaOH)、鹽酸(HCl)，上海凌峰化學試劑有限公司。

1.2 試樣制備

1.2.1 PSI與TPU紡絲溶液的制備

常溫下，稱取一定質量的PSI溶于DMF溶液中，攪拌均勻后靜置脫泡，制得質量分數為30%的PSI紡絲溶液；稱取一定量的5-氟尿嘧啶溶于DMF中，再加入紡絲原料TPU，攪拌均勻后靜置脫泡，制得含有5-氟尿嘧啶的載藥TPU紡絲溶液，其中，TPU紡絲溶液質量分數為15%，5-氟尿嘧啶的含量為TPU質量的8%。

1.2.2 載藥PSI/TPU纖維膜的制備

以載藥TPU紡絲溶液作為內層溶液，PSI紡絲溶液作為外層溶液，內外層溶液分別由硅膠管連接至同軸靜電紡噴頭的內外層毛細管。同軸噴頭內層毛細管的內外徑分別為0.6、0.9 mm，外層毛細管內徑為1.6 mm。同軸靜電紡絲過程中，設定紡絲電壓為25 kV，內外層溶液的流速由不同的注射泵獨立控制，設置外層PSI紡絲溶液推進速度為 1.0 mL/h，并固定不變，調節內層TPU紡絲溶液的推進速度，制備得到不同皮芯厚度的載藥PSI/TPU纖維膜。

1.2.3 載藥PASP/TPU纖維水凝膠的制備

將載藥PSI/TPU纖維膜先進行蒸汽交聯處理，再進行水解處理，使皮層PSI生成PASP水凝膠，獲得載藥PASP/TPU纖維水凝膠，具體步驟如下。

蒸汽交聯：將3 mL乙二胺溶液置于10 mL的小燒杯中，然后將小燒杯和載藥PSI/TPU纖維膜放入2 L的密封大燒杯中，乙二胺揮發形成蒸汽與PSI發生交聯反應，反應溫度為30 ℃，時間為6 h。

水解：將交聯后的載藥PSI/TPU纖維膜置于濃度為0.5 mol/L的NaOH溶液(溶劑為水和乙醇，體積比為1∶4)中進行水解，反應時間為0.5 h，水解后利用乙醇進行洗滌，然后真空干燥，獲得載藥PASP/TPU纖維水凝膠。

1.3 測試與表征

1.3.1 纖維膜形貌觀察

將纖維膜進行噴金處理后，采用TM3000型掃描電子顯微鏡(SEM，日本Hitachi公司)觀察纖維膜的形貌特征。

采用JEM-2100型透射電子顯微鏡(TEM，日本JEOL公司)對纖維的皮芯結構進行觀察表征。

1.3.2 化學結構測試

采用Nexus 670型紅外光譜儀(FT-IR，美國Thermo-Nicolet公司)衰減全反射法對不同纖維膜的化學結構和功能團進行分析，掃描波數范圍為4 000～650 cm-1。

1.3.3 力學性能測試

采用XQ-2型纖維強伸度儀(上海新纖儀器有限公司)對纖維膜的拉伸性能進行測試。樣品寬度為5 mm，設定夾持距離為20 mm，拉伸速度為 10 mm/min。將負荷-伸長曲線轉換為應力-伸長曲線，計算公式為

式中：σ為應力，MPa；F為拉伸負荷，N；a為樣品寬度， mm；h為樣品厚度，mm。

1.3.4 吸水倍率測試

采用茶袋法對PASP/TPU纖維水凝膠不同pH值下的溶脹倍率進行測試，溶液的pH值由HCl或NaOH進行調節。將質量約為0.1 g的干燥PASP/TPU纖維水凝膠置于茶袋，浸入不同pH值溶液中 2 h，然后將茶袋提起懸掛5 min，稱量溶脹后的PASP/TPU纖維水凝膠的質量。吸水倍率計算公式為

式中：SR為吸水倍率，g/g；Wt為溶脹后纖維水凝膠質量，g；W0為干燥狀態下纖維水凝膠質量，g。

1.3.5 藥物體外釋放測試

精密稱取5-氟尿嘧啶100 mg，置于100 mL的容量瓶中，用PBS緩沖溶液溶解制成1 000 μg/mL的儲備液。再將儲備液稀釋為10、30、80、150、300、500、800 μg/mL系列質量濃度的5-氟尿嘧啶溶液。采用LC-100型高效液相色譜儀(HPLC，上海伍豐科學儀器有限公司)測定5-氟尿嘧啶的含量，檢測波長為265 nm，流動相為磷酸水溶液(pH值為3.0)/甲醇(體積比為95∶5)。測定不同質量濃度下5-氟尿嘧啶溶液的吸收峰面積，繪制藥物標準曲線。

取10 mg載藥PASP/TPU纖維水凝膠于離心管中，加入15 mL的PBS緩沖溶液，在37 ℃下恒溫振蕩，每隔一定時間取出釋放介質1 mL，同時加入 1 mL 以保持釋放介質體積不變， 測定不同pH值下釋放介質中的5-氟尿嘧啶吸收峰面積，根據藥物標準曲線方程計算藥物濃度，繪制5-氟尿嘧啶體外釋放曲線。

2 結果與討論

2.1 纖維膜微觀形貌分析

2.1.1 內層流速對PSI/TPU纖維膜形貌影響

同軸靜電紡絲過程中，保持外層PSI紡絲溶液的流速為1.0 mL/h，設定內層載藥TPU紡絲溶液流速為0.5、1.0、1.5 mL/h，制備得到的PSI/TPU纖維膜形貌如圖1所示。當內層流速為0.5 mL/h時，TPU/PSI纖維表面光滑，纖維的平均直徑為(1 138±218)nm；內層流速增加為1.0 mL/h時，纖維的平均直徑增加為(1 247±183)nm；當內層流速為 1.5 mL/h 時，纖維直徑呈現出明顯的粗細不勻，平均直徑為(1 298±453)nm。綜上可知：當內層流速到0.5和1.0 mL/h時，同軸靜電紡過程穩定，纖維直徑均勻；隨著內層流速增加為1.5 mL/h時，內層溶液紡絲速度過大，導致內外層溶液流速不匹配，纖維粗細差異較大。

圖1 不同內層流速下PSI/TPU纖維膜的SEM和TEM照片Fig.1 SEM and TEM images of PSI/TPU fiber membranes with different core flow rate.(a)0.5 mL/h(×3 000)；(b)1.0 mL/h(×3 000)；(c)1.5 mL/h(×3 000)；(d)TEM image(×100 000)

由圖1(d)內層流速為1.0 mL/h的PSI/TPU纖維的透射電鏡照片可知，由于TPU與PSI材料的密度不同，PSI/TPU纖維的TEM照片有著明顯的內外層邊緣輪廓，且兩層的厚度穩定。表明同軸靜電紡絲法可制備得到皮芯結構穩定的PSI/TPU纖維膜。

2.1.2 內層流速對PASP/TPU纖維水凝膠形貌影響

PSI/TPU纖維膜經交聯和水解處理后的PASP/TPU纖維水凝膠，形貌如圖2所示。可以看出，PASP/TPU纖維水凝膠中纖維呈彎曲狀態，堆積密度變大。當內層流速為0.5 mL/h時，PASP/TPU纖維水凝膠的纖維出現較為明顯的皮芯剝離現象，這是由于PSI/TPU纖維的皮層PSI較厚，當PSI經過交聯、水解反應生成PASP水凝膠時，發生體積溶脹，而芯層TPU則出現一定程度的收縮，導致皮芯層剝離；內層流速為1.0 mL/h時，PASP/TPU纖維水凝膠的纖維皮芯剝離現象得到緩解，纖維直徑均勻；隨著內層流速增加為1.5 mL/h，交聯和水解反應加劇了PASP/TPU纖維水凝膠的纖維粗細不勻。由此可知，當內層流速為1.0 mL/h時，PASP/TPU纖維水凝膠可獲得較好的皮芯結構。

圖2 不同內層流速下PASP/TPU纖維水凝膠的掃描電鏡照片(×3 000)Fig.2 SEM images of PASP/TPU fiber hydrogel withdifferent core flow rate(×3 000)

2.2 化學結構分析

圖3 不同纖維膜的紅外光譜圖Fig.3 FT-IR spectra of different fiber membranes

圖4 PSI交聯水解生成PASP水凝膠反應示意圖Fig.4 Illustration of PSI generated into PASP hydrogel with crosslinking and hydrolysis

2.3 力學性能分析

PSI/TPU纖維膜和PASP/TPU纖維水凝膠的拉伸曲線如圖5所示。可知，隨著內層流速的增加，PSI/TPU纖維膜的斷裂應力和伸長率增加。這是由于隨著內層流速的增加，皮芯結構PSI/TPU纖維的芯層TPU厚度增加，TPU不僅具有良好的生物相容性，而且具有優異的力學性能，使PSI/TPU纖維膜的力學性能得到提高。

圖5 不同內層流速的PSI/TPU纖維膜和纖維水凝膠的拉伸曲線Fig.5 Tensile curve of PSI/TPU fiber membranes(a) and PASP/TPU fiber hydrogel(b) with different core flow rate

由圖5(b)可知，與PSI/PU纖維膜相比，PASP/TPU纖維水凝膠的斷裂應力明顯下降，斷裂伸長率增加至200%以上。PSI/TPU纖維的皮層PSI斷裂伸長率較小，包覆在彈性較強的芯層TPU表面，限制了TPU的伸長。當PSI生成PASP水凝膠后，皮層PASP的力學性能較差，PASP/TPU纖維水凝膠的力學性能主要由芯層組分TPU決定，導致斷裂應力下降，斷裂伸長率增加。此外，隨著內層流速的增加，芯層組分TPU厚度增加，PASP/TPU纖維水凝膠的斷裂應力和斷裂伸長率隨之增加。

2.4 溶脹性能分析

PASP/TPU纖維水凝膠在不同pH值下的溶脹倍率如圖6所示。可以看出，隨著溶液pH值的增加，PASP/TPU纖維水凝膠的溶脹倍率增加。PASP水凝膠含有豐富的羧酸根，隨著溶液pH值的改變，羧酸根發生質子化與去質子化作用，引起PASP/TPU纖維水凝膠中PASP水凝膠組分的溶脹和體積變化。當pH值較低時，羧酸基團不解離，PASP/TPU纖維水凝膠的溶脹倍率較小；隨著pH值的增加，羧酸基團解離，電荷密度增加，電荷間的相互排斥作用使PASP水凝膠分子網絡處于伸展狀態，PASP/TPU纖維水凝膠的溶脹倍率增加[20]。此外，內層流速越大，PASP/TPU纖維水凝膠中的PASP水凝膠組分的含量減小，無凝膠性質和pH敏感性的TPU組分含量相應增加，PASP/TPU纖維水凝膠的溶脹性能變差，因此，隨著內層流速的增加，PASP/TPU纖維水凝膠的溶脹倍率變小。

圖6 PASP/TPU纖維水凝膠不同pH值條件下的溶脹倍率變化Fig.6 Swelling ratio curve of PASP/TPU fiber hydrogel with different pH value

2.5 釋藥性能分析

2.5.1 標準曲線的繪制

利用高效液相色譜測試5-氟尿嘧啶溶液的吸收峰面積并進行線性回歸擬合，以吸收峰面積y為縱坐標，5-氟尿嘧啶的質量濃度x為橫坐標，得到標準回歸方程為y=2 012.7x(R2=0.999 7)，標準曲線如圖7所示。

2.5.2 藥物體外釋放分析

不同流速和不同pH值下載藥PASP/TPU纖維水凝膠的藥物釋放率曲線如圖8所示。由圖8(a)可知，隨著時間的增加，不同內層流速下獲得的PASP/TPU纖維水凝膠藥物累計釋放率逐漸增加并趨于平緩。藥物的累計釋放率隨著內層流速的增加而減小，當藥物釋放12 h時，3個試樣的累計釋放率分別達到83.2%、73.5%、67.8%。隨著內層流速的增加，PASP/TPU纖維水凝膠的載藥芯層TPU的厚度增加，纖維的比表面積減小，藥物的釋放速度相對較慢。而根據圖2可知，內層流速過大會導致皮層PASP水凝膠的剝離，皮芯結構受到破壞。

圖8 載藥PASP/TPU纖維水凝膠體外釋放曲線Fig.8 In vitro drug release curves of drug loadedPASP/TPU fiber hydrogel. (a) Different core flow rate; (b) Different pH value

由圖8(b)內層流速為1.0 mL/h的載藥PASP/TPU纖維水凝膠，在pH值為1、7、9的緩沖溶液中的緩釋曲線可知，隨著pH值的增加，PASP/TPU纖維水凝膠的藥物釋放速度加快，累計藥物釋放率增加。這是因為在酸性環境下，pH值為1時，溶液中的H+將皮層PASP水凝膠分子中的—COO-質子化為—COOH， PASP水凝膠收縮，芯層藥物釋放速度減緩。隨著pH值增加，PASP水凝膠分子中的羧基以—COONa的形成存在，PASP水凝膠發生溶脹，導致芯層藥物釋放速度加快[21]。

3 結 論

以5-氟尿嘧啶為藥物模型，采用同軸靜電紡絲技術制備載藥聚天冬氨酸/熱塑性聚氨酯(PASP/TPU)纖維水凝膠，探究了制備工藝對纖維形貌結構、化學結構、力學性能、溶脹性能的影響，并分析了纖維水凝膠的藥物體外釋放行為，得出如下結論。

1)同軸靜電紡絲過程中，保持外層聚琥珀酰亞胺(PSI)溶液流速不變，內層TPU溶液的流速越大，獲得皮芯結構PSI/TPU纖維的芯層越厚，PSI/TPU纖維膜的斷裂應力和斷裂伸長率增加。

2)PSI/TPU纖維膜經交聯、水解處理后形成PASP/TPU纖維水凝膠，且內層流速為1.0 mL/h時獲得的PASP/TPU纖維水凝膠形貌結構最佳。內層流速越大，PASP/TPU纖維水凝膠的斷裂應力和斷裂伸長率越大，溶脹倍率越小。PASP/TPU纖維水凝膠的溶脹倍率隨pH值的增加而增大。

3)PASP/TPU纖維水凝膠的釋藥速度隨載藥芯層厚度增加而減緩，且在中性和堿性環境下的藥物釋放速度大于酸性環境中的釋放速度。

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