引入布洛芬电纺聚乳酸纳米纤维的制备及抑菌性能研究

周应学，杨 梅，王 罡，徐春兰, 范晓东

(1.西安工程大学 纺织与材料学院高分子材料与工程系，陕西 西安 710048； 2.西北工业大学 理学院应用化学系，陕西 西安 710072; 3.西北工业大学 生命学院生物学系，陕西 西安 710072)



引入布洛芬电纺聚乳酸纳米纤维的制备及抑菌性能研究

周应学1，杨 梅1，王 罡2，徐春兰3, 范晓东2

(1.西安工程大学 纺织与材料学院高分子材料与工程系，陕西 西安 710048； 2.西北工业大学 理学院应用化学系，陕西 西安 710072; 3.西北工业大学 生命学院生物学系，陕西 西安 710072)

以β-环糊精(β-CD)为主体分子和布洛芬(IBU)为客体小药物分子，通过沉淀法制备了β-CD/IBU包合物(β-CD/IBU IC)，将其引入平均相对分子质量为1×105的聚乳酸(PLA)基体中进行静电纺丝，电纺溶液的PLA质量分数为8%，混合溶剂氯仿与N，N-二甲基甲酰胺质量比为80:20，泵速为0.5 mm/min，外加电压为30 kV，室温24 ℃，接收距离为25 cm，在此条件下制得含IBU及β-CD及其包合物的PLA纳米纤维，对包合物及其PLA纳米纤维的结构与性能进行了研究。结果表明：β-CD与IBU生成了包合物；引入β-CD，IBU及其包合物的PLA纳米纤维的热性能较纯PLA纳米纤维的低；PLA纳米纤维和PLA/IBU纳米纤维为均一的无珠结构，PLA/(β-CD/IBU IC)纳米纤维呈现有珠纤维；引入IBU的PLA纳米纤维对金黄色葡萄球菌具有较好的抑菌性能。

聚乳酸纤维 静电纺丝 纳米纤维 β-环糊精 布洛芬 结构 性能

聚乳酸(PLA)具有良好的生物相容性、可降解性、优异的机械性能和良好的加工性，广泛应用于生物医学领域，如手术缝合线、骨科固定及组织修复材料、药物控制释放体系等。然而，PLA较高的水解敏感性、较大脆性使得其应用受到限制。为改善PLA的性能，如可控降解，结晶性及韧性，共混、共聚改性及新型成型工艺方法均可以达到其目的。静电纺丝是有效和通用的制备功能纳米纤维和纳米纤维网的方法。由于纳米纤维独特的性能，如大的比表面积、纳米多孔结构，基于静电纺的纳米纤维膜适用于过滤、健康护理、织物、能量储存、传感器等。电纺纳米纤维及其纳米纤维网也潜在地应用于生物技术和活性食品包装，因此活性剂如抗菌剂[1]、抗氧剂[2]、香精油乃至益生菌[3]等均可有效地封装进电纺的纳米纤维基体中。

对于PLA的静电纺丝，近年来已成为其研究热点，如共轴静电纺丝[4]、熔融静电纺丝、结合不同的收集工艺而进行的纳米纤维管的制备及直线型纳米纤维[5]。Mariya等[6]分别以高相对分子质量的PLA(相对分子质量7.5×104)，与PLA-N, N-二甲基氨基-2-甲基丙烯酸乙酯嵌段聚合物在氯仿中经静电纺丝制备了新的复合纤维，得到的纤维平均直径为1 400～1 700 nm。立构复合物的形成由差示扫描量热(DSC)和X射线衍射(XRD)分析得到证明。

环糊精(CD)是一类由α-D-吡喃葡萄糖单元通过1,4-糖苷键首尾相连形成的一系列环状低聚糖的总称，通常含有6～12个D-吡喃型葡萄糖单元。CD具有独特的性能，可与各种客体分子形成包合复合物，如药物、抗菌剂、食品添加剂及印染助剂等，可提高稳定性、溶解性、生物利用率和功能性，并能控制/缓释这些客体分子。以CD包合物功能化电纺纳米纤维因综合了纳米纤维和CD包合物的功能而更具吸引力[7]。

布洛芬(IBU)是水不溶性的非甾类消炎药，其主要用于消炎，止痛，同时也有保护神经元免受谷氨酸盐毒性，且有潜在的抗真菌活性。CD作为主体分子，亦可与PLA包合，其包合物的性能受PLA的相对分子质量影响较大[8]。作者拟以一定相对分子质量的PLA为基体，引入β-环糊精(β-CD)和客体小药物分子IBU，在适当的工艺条件下，制备含有β-CD包合药物分子的PLA纳米纤维网，并比较加入和不加入β-CD及客体小分子IBU的纤维结构形貌，热性能及抑金黄色葡萄球菌等相关性能，为开发一种新的抗菌织物或纳米纤维提供一定的参考。

1 实验

1.1 试剂

PLA：工业级，平均相对分子质量为1×105，熔体流动指数170 ℃下，每10 min 1.78 g，浙江海正生物材料有限公司提供；IBU：纯度大于等于97%，Sigma-Aldrich公司提供；N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和氯仿：分析纯，经4Å分子筛干燥使用，国药集团化学仪器有限公司提供；β-CD：纯度大于等于98%,分析纯，天津博迪生物化学有限公司提供。

1.2 β-CD/IBU包合物(β-CD/IBU IC)的制备

以共沉淀法制备包合物。取一定量的β-CD溶于去离子水中，室温下制成饱和溶液；取一定量的IBU溶于10 mL去离子水中制成悬浊液，并逐滴加入上述饱和β-CD溶液中，50 ℃强烈搅拌2 h，室温下搅拌过夜，得到浑浊的β-CD/IBU溶液并出现沉淀。过滤，水洗多次，真空干燥得到β-CD/IBU IC。

1.3 电纺溶液的制备

以1 g PLA溶解在一定量的氯仿中，搅拌过夜得透明溶液。加入一定量DMF，控制氯仿/DMF质量比为80:20。PLA质量分数为总溶液的8%。混合溶液室温下搅拌4 h得电纺溶液。为了比较，分别配制PLA/IBU电纺溶液、PLA/β-CD电纺溶液、PLA/(β-CD/IBU IC)电纺溶液及PLA/IBU/(β-CD/IBU IC)电纺溶液。其中，PLA质量分数固定为8%，氯仿/DMF质量比固定为80:20，含IBU的电纺溶液中IBU含量固定为PLA质量分数的5%。相应配方见表1。

表1 电纺溶液组成

Tab.1 Composition of electrospinning solution

试样wPLA，%wβ-CD1)，%wIBU1)，%wβ-CD/IBUIC1)，%1#82#8303#854#855#81266#833

1)相对于聚合物PLA的质量分数。

1.4 静电纺丝

以5 mL注射器取电纺溶液，使用内径为0.5 mm，外径为0.8 mm的金属针头，水平置于北京永康乐业科技发展有限公司SS2554型静电纺丝仪上的注射泵间。高压电源电极夹住注射针头，以铝箔覆盖于滚筒收集器表面。针头到收集器距离调整为25 cm，泵速为0.5 mm/min，外加电压为30 kV，室温24 ℃下电纺得到了沉积于铝箔的纳米纤维网。在同一工艺条件下制备不同的纳米纤维网，在室温下放置除去残余溶剂后研究其相关性能。

1.5 测试与表征

傅里叶变换红外光谱(FTIR)：利用Thermo Scientific Nicolet iS10型红外光谱仪通过溴化钾压片法进行测定。

核磁共振氢谱(1H-NMR)：由瑞士Bruker AvanceⅢ 400型核磁共振仪在室温下进行测定，以氚代氯仿(CDCl3)或氘代二甲基亚砜(DMSO-d6)为溶剂，四甲基硅烷为内标。

黏度：利用美国TA公司的AR2000ex流变仪进行测定。锥板直径为40 mm，锥角2°，试样厚度0.06 mm，剪切速率100 s-1，剪切频率1 Hz。

XRD：在日本岛津制作所的XRD-7000广角X射线仪上进行测定。扫描范围为5°～30°，Cu靶，加速电压为40 kV，发射狭缝为1°，扫描速度为4(°)/min。

热性能：在美国TA公司DSC 2910型差示扫描量热仪和美国TA公司TGAQ50型热重分析(TG)仪上进行测定。DSC测试以10 ℃/min升至320 ℃；产物TG测试以20 ℃/min升温至650 ℃。测定在氮气气氛进行，氮气流速50 mL/min。

表观形貌：从铝箔上剥离电纺纤维少许，粘于导电胶上，表面喷铂金，在日本电子株式会社的JSM-6700F高分辨场发射扫描电镜上观察电纺纳米纤维表面形貌，加速电压20 kV。

1.6 抑菌活性实验

以制备的纳米纤维网为样本，以琼脂圆盘扩散法考察其对革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌的抗菌活性。将电纺的纳米纤维网切成直径为1 cm的圆盘,置于含有1×1012个/mL金黄色葡萄球菌的100 μL培养液的琼脂中，37 ℃恒温24 h，测量晕圈直径并以光学相机记录试样对金黄色葡萄球菌的抗菌活性。

2 结果与讨论

2.1 结晶结构

2.1.1 FTIR

由图1可看出，纯β-CD的特征吸收峰在1 030，1 080，1 158 cm-1处，对应于C—C/C—O耦合伸缩振动吸收和C—O—C糖环的不对称伸缩振动；而IBU在1 718 cm-1处显示—COO—的伸缩振动吸收，1 507,1 458,1 419 cm-1处为苯环的特征吸收峰，867 cm-1处为苯环1，4取代的指纹吸收峰；包合复合物在1 512，1 459，1 415 cm-1处体现出苯环骨架特征吸收峰，1 731 cm-1和1 040 cm-1处分别为—COO—和—C—O—C—的伸缩振动吸收峰，则说明β-CD与IBU生成了包合物。另外，由图1还可看出，引入IBU的电纺纤维在944 cm-1处出现了微弱的吸收峰，与纯IBU的941 cm-1处相对应，证明有IBU引入了体系。

图1 试样的FTIR光谱

2.1.21H-NMR

由图2可以看出，在化学位移(δ)2.47处为IBU上(CH3)2CHCH2—亚甲基的质子吸收峰，3.723处为IBU的—CH(CH3)COOH上的质子峰；而对于β-CD/IBU IC，(CH3)2CHCH2—亚甲基的质子吸收峰移向高场δ 2.410处，—CH(CH3)COOH上的质子峰位置受包合复合影响与β-CD的4,5,6位置上的氢质子重叠，且峰形明显加宽。这也说明IBU与β-CD进行了包合。同时，β-CD与IBU的包合计量比由CD在δ为4.83处(H-1)的峰与IBU在δ为7.14处(H- 4)的质子吸收峰的积分比计算，其计量比约为1:1。

图2 试样的1H-NMR

2.1.3 XRD

由图3可见，β-CD在2θ为9.61°, 12.89°, 13.53°, 15.80°, 18.27°，19.23°，22.68°出现主要衍射峰；IBU的主要衍射峰在2θ为6.10°, 12.21°，16.60°，18.82°，19.10°，20.17°，22.35°处；而β-CD/IBU IC的主要衍射峰出现在2θ为12.42°，16.73°，19.20°，23.42°处。

图3 试样的XRD光谱

在2θ为16.73°, 19.20°处的峰为包合复合物的通道型结构，证明IBU与β-CD形成了包合结构[9-10]。而在2θ为12.42°处也是IBU尖锐吸收峰。另外，对于电纺纤维，2θ为16.7°处表现出强的衍射峰，表明纤维中有结晶结构形式存在，与纯PLA纳米纤维的宽的XRD相比，主要为结晶药物分子与PLA的相互作用所形成的结晶。加入β-CD/IBU IC的PLA纳米纤维的XRD谱图(图3b)与引入 β-CD和IBU的PLA纳米纤维相似，在2θ为16.76°和2θ 为19.14°处表现出强的衍射峰，表明纤维中有结晶结构，主要为β-CD/IBU的通道型结构[11]。XRD数据证明在溶液制备和电纺过程中β-CD/IBU通道型包合聚集分散到了PLA纳米纤维基体中。

2.1.4 DSC

对固态包合物进行DSC表征，这也是有效判断包合复合的方法之一。如果在包合物中存在未包合的客体分子，在DSC曲线上可以观察到其熔点(Tm)[9]。由图4可看出，纯IBU的Tm为78.1 ℃。对β-CD/IBU IC，101.3 ℃为形成的包合物的熔融吸热峰，76.5 ℃有小的吸热峰为存在的未包合的IBU，这一点在加入IBU的纤维中(即图4中3#和4#试样)明显可以观察到，这也与XRD的结果相一致。

图4 试样的DSC曲线

2.2 热性能

由图4可知，加入β-CD和IBU的PLA纤维，都较纯PLA纤维有较小的玻璃化转变温度(Tg)；同时，PLA组分相应的Tm也降低。作为相对分子质量低的小分子，β-CD或IBU的加入可以作为一种增塑剂，阻止PLA纺丝过程中分子链的结晶，或者作为成核剂破坏分子链结晶的有序性，从而降低结晶度，使整个PLA纤维网体现出较低的Tg和低的Tm。虽然β-CD或IBU都能诱导PLA纤维的结晶，但由于结晶的缓慢和不完善，整体PLA纤维的热性能仍然较纯PLA的低。

由图5可看出，对于β-CD，其有两个失重峰，分别为105.5 ℃和312.6 ℃，对应于失水和β-CD的主降解；纯IBU的TG显示其主要的失重降解在128～265 ℃之间；对β-CD/IBU IC，其失重显示为两步：65.6～225 ℃之间为未包合分子的失重，277.5～310 ℃之间为β-CD/IBU IC的失重，同时也能观察到β-CD的降解，这表明包合复合提高了IBU的稳定性。

图5 试样的TG曲线

通过β-CD/IBU IC的失重曲线可以计算出未包合的IBU的质量约为5.1%，同时，由β-CD与IBU的包合计量比(摩尔比为1:1)，计算出IBU的质量分数为15.3%，因此在β-CD/IBU IC中约有质量分数为74%的IBU与β-CD 形成了包合态。包合物的热稳定性大大提高。另外，加入各组分的PLA纤维的热失重均表现出两个失重峰，初始失重峰为小分子的热分解，第二个失重峰为PLA的热分解；加入IBU/β-CD IC的体系，其热稳定性能降低，而加入IBU组分的体系热稳定性能有一定程度提高。这也体现出不同的组分与PLA的相互作用不同。因为β-CD的两亲性能，它可以作为成核剂，与PLA不相容，同时显示出相分离行为；而IBU的完全疏水性能使得PLA与其相容性能良好，故表现出高的热分解温度。

2.3 静电纺丝溶液性质及其纤维形貌

由图6可看出，由PLA和PLA/IBU电纺得到了均一和无珠的纳米纤维。而对于PLA/β-CD和PLA/(β-CD/IBU IC)试样，由于存在β-CD或β-CD/IBU IC晶体的聚集和在PLA基体中的分散，纳米纤维不均一。相应的纤维平均直径列于表2。

图6 静电纺丝纳米纤维的SEM照片

表2 电纺溶液黏度及电纺纳米纤维直径及其形貌

Tab.2 Viscosity of electrospinning solution and diameter and morphology of electrospun nanofibers

试样黏度/mPa·s纤维直径/nm范围平均纤维形貌1#106．2200～650420±160无珠纳米纤维2#212．5180～950680±150有珠纳米纤维3#124．3190～870600±120无珠纳米纤维4#168．4240～1080630±320有珠纳米纤维5#184．2580～1600860±480有珠纳米纤维6#173．2520～1820810±490有珠纳米纤维

由表2可见，对于PLA/(β-CD/IBU IC)电纺溶液，其黏度明显较纯PLA溶液高，这是由于存在β-CD/IBU IC晶体或β-CD/IBU IC与PLA聚合物链间的相互作用[9]。这也与DSC曲线中观察到的加入IBU或β-CD引起的PLA纤维的结晶性能一致(见图4)。因此，对PLA/(β-CD/IBU IC)纤维，由于溶液高的黏度使拉伸变小而得到了大直径的纤维，同时与均一的PLA和PLA/IBU纤维相比，纤维的标准偏差也较大。

2.4 抑菌性能

由图7可见，由于IBU的抗菌活性，PLA/IBU纳米网阻止了金黄色葡萄球菌的生长。同时，由于在相同含量的β-CD/IBU IC纳米纤维网中，其IBU的含量相对较少，也出现了阻止金黄色葡萄球菌生长区，但较PLA/IBU区域小，表明PLA/(β-CD/IBU IC)的体系和PLA/IBU都具有很好的抑菌性能。

图7 静电纺纳米纤维的抑菌实验照片

3 结论

a. 以共沉淀法制备了β-CD/IBU IC，β-CD与IBU以1:1摩尔比包合，由FTIR，1H-NMR，XRD，DSC分析表明，β-CD与IBU生成了包合物。

b. 引入β-CD及IBU，分别制备了PLA纳米纤维膜，其纤维膜的热性能较纯PLA纤维膜的热性能低；纤维形貌显示，由于β-CD和IBU与基体的相容性不同，电纺的PLA和PLA/IBU为均一的无珠结构，而PLA/(β-CD/IBU IC)纤维因β-CD/IBU IC结晶的聚集呈现有珠纤维。

c. 引入IBU的PLA纤维具有抑菌性能，可应用于抑菌性能辅料。

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◀国内外动态▶

帝人公司计划扩大日本对位芳纶产能

日本帝人公司表示，公司计划将日本松山工厂内的Technora品牌对位芳纶生产能力扩大10%。该扩能项目的建设工作将在2016年6月启动，预计在2017年10月建成投产。帝人公司表示，此次扩能将投资约15亿日元(1 320万美元)。帝人公司将扩大在全球范围内的Technora品牌对位芳纶的销售，以满足市场增长的需求。

帝人公司表示，公司生产的Twaron和Technora品牌对位芳纶已经用于全球各大应用市场，包括用作汽车橡胶部件的增强性材料、土木工程绳索和电缆的复合材料以及防护衣等。Technora品牌对位芳纶是在日本生产，而Twaron品牌对位芳纶是在荷兰进行生产。

(通讯员 庞晓华)

印度Filatex 在Gujarat州开始聚酯长丝生产

日本化纤协会《行业新闻》报道，印度的聚酯纤维制造厂家Filatex，从2016年3月4日开始在Gujarat州Dahej公司工厂生产聚酯长丝(FDY)。该公司已在该工厂引入了2台加工丝设备，并计划到2016年9月设置38台加工丝设备。Filatex公司创建于1990年，是印度的聚酯纤维制造厂家，被看作是单丝生产的先驱者。除了生产微细旦长丝等特殊长丝外，2008年其从德国Barmag引入了最新设备，开始生产聚酯FDY。

(通讯员 王德诚)

Preparation and antibacterial behavior of electrospun poly(lactic acid) nanofiber incorporated with ibuprofen

ZhouYingxue1, Yang Mei1, Wang Gang2, Xu Chunlan3, Fan Xiaodong2

(1.DepartmentofPolymericMaterialsandEngineering,CollegeofTextilesandMaterials,Xi′anPolytechnicUniversity,Xi′an710048; 2.DepartmentofAppliedChemistry,SchoolofScience,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi′an710072;3.DepartmentofBiology,SchoolofLifeScience,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi′an710072)

An inclusion complex of β-cyclodextrin/ibuprofen (β-CD/IBU IC) was prepared by using β-CD as the host molecule and IBU as the guest molecule via precipitation method. Poly(lactic acid) (PLA) nanofibers were prepared by incorporating β-CD, IBU and β-CD/IBU into PLA matrix with the average relative molecular mass of 1×105via electrospinning process under the conditions as followed: 8% PLA spinning solution by mass fraction, the mixed solvent of chloroform and N,N- dimethylformamide at the mass ratio of 80:20, pump speed 0.5 mm/min, applied voltage 30 kV, room temperature 24 ℃, collection distance 25 cm. The structure and properties of the β-CD/IBU inclusion complex and PLA nanofibers thereof were studied. The results showed that an inclusion complex of β-CD and IBU formed; the thermal property of PLA nanofibers incorporated with β-CD, IBU and their inclusion complex was lower than that of pure PLA nanofiber; PLA nanofiber and PLA/IBU nanofiber showed uniform structure with no aggregation when PLA/(β-CD/IBU IC) nanofiber possessed the aggregation structure; and the PLA/IBU nanofiber exhibited the fairly good antibacterial behavior against Aureus Staphylococcus.

poly(lactic acid) fiber; electrospinning; nanofiber; β-cyclodextrin; ibuprofen; structure; properties

2015-10- 08； 修改稿收到日期：2016- 03-22。

周应学(1974—)，男, 博士后, 副教授, 主要从事功能高分子材料研究。E-mail：yxzhou2001@163.com。

西安工程大学博士启动基金(BS1441)和陕西省大学生创新基金(1241);陕西省高分子科学与技术重点实验室(西北工业大学)开放基金(NCSA0003)。

TQ342+.8

A

1001- 0041(2016)03- 0001- 06