可降解聚乳酸多孔微球的制备探究

戴平望

(漳州市产品质量检验所，福建 漳州 363000)

多孔微球属于高分子微球材料中的一类，因比表面积大、稳定性好、可控性强和表面渗透能力强等特点，在材料科学、生物工程、医学研究等领域均有着广泛的应用［1］。聚乳酸(PLA)是一种新型的生物降解材料，具有良好的生物可降解性，能被自然界中微生物完全降解或在生物体内经过酶分解最终生成二氧化碳和水，是理想的绿色高分子材料。聚乳酸以其具有无毒性、可控制生物降解、原料易得、生物相容性较好等优点，可用于制备微球的壁材［2］，因此，聚乳酸逐渐发展成为一种备受关注的可生物降解的生物医用高分子材料。

制备聚乳酸多孔微球的方法有很多，最常用的制备方法按其呈孔机制可以分为双亲嵌段共聚法、成孔剂法、相分离法、喷雾干燥法等［3-5］，可以根据应用过程所需要微球粒径、孔的结构、孔隙大小、孔控制性效果等条件，选择不同的方法制备聚乳酸多孔微球。本实验以聚乳酸为壁材，碳酸氢铵为致孔剂，采用双乳液溶剂挥发法制备多孔聚乳酸微球。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

聚乳酸(PLA-GH401)，东莞市锦湖塑胶原料有限公司;二氯甲烷、碳酸氢铵、乙酸、明胶、盐酸、碳酸氢钠、碳酸钠均为分析纯。

DSX-120 数显搅拌机;HH·S11-2-S 电热恒温水浴锅;ZK-82A 型真空干燥箱;TG209F1 热重分析仪。

1.2 聚乳酸多孔微球的制备

1.2.1 初乳液的精制 0.4 g 明胶在加热条件下溶解在10 mL 去离子水，待溶液冷却后，加入0.5 g 碳酸氢铵，玻棒搅拌溶解，制备得内水相。另外，将1.0 g 聚乳酸溶解在20 mL 二氯甲烷溶液中，转移至三颈烧瓶中，加入内水相，在1 000 r/min 转速下进行匀浆30 min，得到初乳液。在初乳化过程中，用5%的醋酸溶液进行中和。

1.2.2 外水相的制备 配制质量分数为1.0%的明胶溶液作为外水相乳化剂。

1.2.3 微球的形成 初乳化结束后，量取75 mL 的明胶溶液加入初乳液中，连续搅拌4 h。在二次乳化过程，注意控制温度以及搅拌速度，使得有机溶剂挥发，微球得到固化。抽滤、洗涤、干燥，得PLA 多孔微球。

2 结果与讨论

2.1 乳化环境酸碱性对微球的影响

采用碳酸氢铵作为致孔剂，使得乳化剂具有碱性，而在碱性条件下，乳酸聚合在一起，乳化结束后，溶液澄清，没有形成微球。加入盐酸中和，也没有形成微球，聚乳酸大部分聚合在一起。用醋酸中和，可以较好制得微球。

2.2 聚乳酸浓度对微球的影响

其它微球制备条件不变的情况下，分别用质量分数为4%，5%，7.5%的聚乳酸制备微球，在显微镜下观察微球形状，结果见图1。由图1a 可知，多孔微球的粒径大小不一，孔隙较密集而小;图1b 和图1c 多孔微球的孔状结构较疏松，并且孔径较大。聚乳酸浓度对微球的形态有着较明显的影响，浓度越高，沉积速度越慢，微球粒径越大，结构疏松，释药速度加快。当聚乳酸超过一定浓度，有机相在分散介质中会析出大量聚乳酸，粘结成团［6］，不能形成微球。

图1 不同浓度聚乳酸制得的多孔微球的SEM 图Fig.1 SEM spectrum of porous microspheres with different concentrations of PLA

2.3 初乳化过程搅拌速度对微球的影响

初乳化搅拌速率对微球粒径影响较大，有机相在水相中乳化时，搅拌桨的转动使搅拌桨周围的液体高速转动，而靠近容器内壁的液体由于与内壁的摩擦而运动速度相对较慢，两者之间的速度差产生的剪切力把有机相剪碎，在乳化剂的作用下分散到水相中。固定其它微球制备条件，分别以初乳化转速为800，1 000，1 200 r/min，制备聚乳酸多孔微球，在显微镜下观察微球粒径与表面形态，结果见图2。

图2 初乳化过程中不同搅拌速度制得的多孔微球的SEM 图Fig.2 SEM spectrum of porous microspheres with different mixing speed in early emulsification process

由图2 可知，这三种搅拌速度都较适宜聚乳酸多孔微球的形成，虽然微球粒径大小不均一，但是微球的成孔情况还是较理想的。若搅拌速度过低，聚乳酸的成球情况较不理想。

2.4 乳化剂(明胶)浓度对微球的影响［7-8］

分别配制浓度为0.5%，0.75%，1.0%，1.5%的明胶溶液，保持其它微球制备条件不变，制备聚乳酸多孔微球，在显微镜下观察微球形状与表面形态，结果见表1。

表1 明胶浓度对聚乳酸微球的影响Table 1 Gelatin concentration effects on PLA microspheres

由表1 可知，随着乳化剂浓度的增加，其粘度显著增加，微球间相互碰撞的阻力增大，微球分散均匀，凝聚现象减少，粒径也随之减小。乳化剂的加入，有利于乳液更好的成球，而乳化剂浓度过高时，搅拌容易形成泡沫。

2.5 内水相和外水相体积比对微球的影响

固定其它微球制备条件，分别选取内外水相体积比为1∶5，1∶7.5，1∶10 制备PLA 微球，显微镜下观察微球形状，结果见表2。

表2 内水相与外水相体积比对微球形态的影响Table 2 Inland waters within web of phase volume ratio on the microspheres morphology

由表2 可知，在这三种内外水相体积比的条件下，对微球的形成影响不大。但是内外水相体积比应该在一定的范围内，不然可能会对微球的成孔情况以及收率造成较大的作用。并且，内水相体积过小时，微球可能无明显的多孔结构，因为气体起泡剂的量不够多，在乳化过程产生的气体量少，导致微球的孔状结构不明显;若外水相的体积过大，在连续乳化过程中会产生大量泡沫，不利于有机物的挥发。

2.6 致孔剂对微球成孔情况的影响

其他制备微球条件不变，分别在内水相中加入同样质量分数的碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸氢铵三种起泡剂制得多孔微球，在显微镜下观察微球形状以及表面情况，结果见图3。

图3 不同致孔剂制得的多孔微球的SEM 图Fig.3 SEM spectrum of porous microspheres with different pore agents

由图3 可知，以盐作为致孔剂，微球孔状结构较疏松，孔隙较大;由碳酸氢铵为致孔剂，微球的孔隙较小，较均匀。由于碳酸氢铵在分解过程直接分解成氨气和二氧化碳，更有利于微球孔的形成。碳酸氢钠和碳酸钠虽然在乳化过程也有气体释出，致孔效果还不错，但是还有部分盐离子留在微球中，还需要根据微球的应用过程中的需要进行后续处理。

2.7 内水相添加稳定剂对微球的影响

其他条件不变，分别以内水相中加入明胶和空白对照下的条件制得微球，在光学显微镜下观察微球形态，结果见表3。

表3 内水相添加稳定剂对微球制备的影响Table 3 Inland waters by adding stabilizer effect on microsphere preparation

由表3 可知，内水相加入明胶时，由于明胶具有表面活性作用，能够使初乳更稳定，在该条件下得到的微球孔状结构比内水相没有添加任何表面活性剂来得明显［9］。

2.8 聚乳酸多孔微球的电镜扫描

多孔结构与溶剂的挥发速度有关，如溶剂挥发速度慢则微球多孔结构不明显，主要是内水相液滴相互聚集致使在外层聚合物膜中分布较少，Giovagnoli 等［10］的研究结果也证实了溶剂的挥发速度是影响微球多孔性的重要因素。本实验经过条件优化，以碳酸氢铵为致孔剂，明胶为乳化剂，在内外水相体积比为1∶7.5，初乳化搅拌速度为1 000 r/min的条件下得到的聚乳酸微球，孔状结构较为明显，微球粒径大小较为均一(见图4)。

图4 优化条件下的聚乳酸微球SEM 图Fig.4 SEM spectrum of PLA with optimized conditions

2.9 聚乳酸多孔微球的热重分析

聚乳酸微球的热重分析(TG 曲线)见图5。

图5 聚乳酸以及聚乳酸微球热重谱图Fig.5 TG of PLA and PLA microspheres

由图5 可知，聚乳酸微球在300 ℃之前质量没发生很大的变化，在300 ℃后，质量急剧下降，表明聚乳酸多孔微球发生了分解，分解的温度大致持续到380 ℃，而后材料质量继续下降，可能是聚乳酸在残留的杂质催化下继续分解。另外，在100 ℃左右时，曲线也出现了下降，可能试样中还含有微量水分，在此温度下质量出现减少。聚乳酸材料的分解温度大致为330 ℃，聚乳酸微球比聚乳酸分解温度低，可能因为聚乳酸微球在酸或有机溶剂的催化下，更容易断键分解。

3 结论

以聚乳酸为壁材，碳酸氢铵为致孔剂，明胶为乳化剂，在内外水相体积比为1∶7.5，初乳化搅拌速度为1 000 r/min 的条件下，得到的聚乳酸微球孔状结构较好。其中乳化环境需要用醋酸进行中和，并且初乳化过程加入稳定剂有利于形成较好的微球。

［1］ Kim T K，Yoon J J，Lee D S，et al.Gas foamed open porous biodegradable polymeric microspheres［J］.Biomaterials，2006，27:152-159.

［2］ 顾书英，詹辉，任杰出.聚乳酸/PBAT 共混物的制备及其性能研究［J］.中国塑料，2006，20(10):39-43.

［3］ 郭秋楠，张昭良，郭兴林.生物可降解高分子多孔微球制备与应用的研究进展［J］.功能材料，2011，42(17):208-209.

［4］ Ahmed A R，Bodmeier R.Preparation of preformed porous PLGA microparticles and antisense oligonucleotides loading［J］.European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics，2009，71:264-270.

［5］ Arnold M M，Gorman E M，Schieber L J，et al.Nano cipro encapsulation in monodisperse large porous PLGA microparticles［J］. Journal of Controlled Release，2007，121:100-109.

［6］ 杨帆，谭载友，林茵，等. 红霉素聚乳酸微球制备工艺的研究［J］.中国现代应用药学杂志，2002，19(4):290-292.

［7］ 谢建强，张岩，王毅飞，等. 乳化剂对修复微胶囊合成的影响［J］.中国胶黏剂，2007，16(5):21-23.

［8］ 周磊，曹立新，苏革.乳化剂对原位聚合法制备微胶囊的影响［J］.功能材料，2009，40(5):755-758.

［9］ 马光辉，苏志国. 高分子微球材料［M］. 北京:化学工业出版社，2005:80-81.

［10］Giovagnoli S，Blasi P，Schoubben A，et al. Preparation of large porous biodegradable microspheres by using a simple double-emulsion method for capreomycin sulfate pulmonary delivery［J］. International Journal of Pharmaceutics，2007，333(1/2):103-111.