聚天冬氨酸基纤维水凝胶的制备及其释药性能

李思捷， 张彩丹

(嘉兴学院 材料与纺织工程学院， 浙江 嘉兴 314000)

药物缓释体系的开发成为现代医药领域的研究热点[1-3]，与一般给药方式相比，药物缓释体系以某种物质为载体进行药物负载，可使药物缓慢释放进入体内，避免频繁给药引起血液中药物浓度起伏过大，有利于降低药物的毒副作用，增加药物的安全性和有效性。随着现代制药技术的飞速发展，人们对药物释放体系提出了更高的要求，期望药物能够在特定部位释放[4-5]，因此，开发智能药物缓释体系尤为重要。

近年来，环境敏感型水凝胶在智能药物缓释领域得到广泛关注[6-7]。环境敏感型水凝胶能够在外界刺激(温度、pH、电场、磁场等)作用下发生体积溶胀或收缩，作为药物载体可控制药物在不同环境中的释放速度。在众多环境敏感型水凝胶中，聚天冬氨酸(PASP)水凝胶因其无毒、生物相容性好、可生物降解而备受青睐[8-9]。PASP水凝胶含有大量的羧基功能团，具有pH值敏感性，可利用pH值变化调控体内药物的扩散和释放，应用于胃肠道药物缓释体系[10]。传统的PASP水凝胶通常为块状或膜状的水凝胶，缺乏贯穿孔洞结构，导致溶胀速度慢，且易在溶胀的过程中发生破裂，限制了PASP水凝胶的应用。

近些年来，静电纺丝技术因可制备直径较小的纳米纤维、工艺简单可控、可纺物质种类繁多等优点，在水凝胶制备领域得到应用[11-13]。静电纺纳米纤维膜由直径细小的纳米纤维沉积成型，其孔隙率高，结构易调控，内部丰富的贯穿孔洞结构形成水分子扩散通道，可大大提高水凝胶的响应速度[14]。然而，PASP静电纺水凝胶纤维直径较细，进行溶胀吸药后释放速度快且强力较低，难以应用于智能药物缓释体系。本文采用同轴静电纺丝的方法，将具有pH值敏感性的PASP水凝胶作为皮层，控制不同pH值下的药物释放；以具有良好力学性能和生物性能的热塑性聚氨酯(TPU)作为芯层，将5-氟尿嘧啶作为药物模型载入TPU内，形成PASP/TPU纤维水凝胶智能药物缓释体系。探索制备过程中的纺丝工艺、后处理工艺对PASP/TPU纤维水凝胶形貌结构及性能的影响，并分析不同pH值条件下的药物释放行为。

1 实验部分

1.1 实验材料

聚琥珀酰亚胺(PSI)，相对分子质量为3.2×104，实验室合成[15]；热塑性聚氨酯(TPU)，江苏高鼎精细化工有限公司；5-氟尿嘧啶，上海阿拉丁试剂有限公司；N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，上海化学试剂有限公司；乙二胺、氢氧化钠(NaOH)、盐酸(HCl)，上海凌峰化学试剂有限公司。

1.2 试样制备

1.2.1 PSI与TPU纺丝溶液的制备

常温下，称取一定质量的PSI溶于DMF溶液中，搅拌均匀后静置脱泡，制得质量分数为30%的PSI纺丝溶液；称取一定量的5-氟尿嘧啶溶于DMF中，再加入纺丝原料TPU，搅拌均匀后静置脱泡，制得含有5-氟尿嘧啶的载药TPU纺丝溶液，其中，TPU纺丝溶液质量分数为15%，5-氟尿嘧啶的含量为TPU质量的8%。

1.2.2 载药PSI/TPU纤维膜的制备

以载药TPU纺丝溶液作为内层溶液，PSI纺丝溶液作为外层溶液，内外层溶液分别由硅胶管连接至同轴静电纺喷头的内外层毛细管。同轴喷头内层毛细管的内外径分别为0.6、0.9 mm，外层毛细管内径为1.6 mm。同轴静电纺丝过程中，设定纺丝电压为25 kV，内外层溶液的流速由不同的注射泵独立控制，设置外层PSI纺丝溶液推进速度为 1.0 mL/h，并固定不变，调节内层TPU纺丝溶液的推进速度，制备得到不同皮芯厚度的载药PSI/TPU纤维膜。

1.2.3 载药PASP/TPU纤维水凝胶的制备

将载药PSI/TPU纤维膜先进行蒸汽交联处理，再进行水解处理，使皮层PSI生成PASP水凝胶，获得载药PASP/TPU纤维水凝胶，具体步骤如下。

蒸汽交联：将3 mL乙二胺溶液置于10 mL的小烧杯中，然后将小烧杯和载药PSI/TPU纤维膜放入2 L的密封大烧杯中，乙二胺挥发形成蒸汽与PSI发生交联反应，反应温度为30 ℃，时间为6 h。

水解：将交联后的载药PSI/TPU纤维膜置于浓度为0.5 mol/L的NaOH溶液(溶剂为水和乙醇，体积比为1∶4)中进行水解，反应时间为0.5 h，水解后利用乙醇进行洗涤，然后真空干燥，获得载药PASP/TPU纤维水凝胶。

1.3 测试与表征

1.3.1 纤维膜形貌观察

将纤维膜进行喷金处理后，采用TM3000型扫描电子显微镜(SEM，日本Hitachi公司)观察纤维膜的形貌特征。

采用JEM-2100型透射电子显微镜(TEM，日本JEOL公司)对纤维的皮芯结构进行观察表征。

1.3.2 化学结构测试

采用Nexus 670型红外光谱仪(FT-IR，美国Thermo-Nicolet公司)衰减全反射法对不同纤维膜的化学结构和功能团进行分析，扫描波数范围为4 000～650 cm-1。

1.3.3 力学性能测试

采用XQ-2型纤维强伸度仪(上海新纤仪器有限公司)对纤维膜的拉伸性能进行测试。样品宽度为5 mm，设定夹持距离为20 mm，拉伸速度为 10 mm/min。将负荷-伸长曲线转换为应力-伸长曲线，计算公式为

式中：σ为应力，MPa；F为拉伸负荷，N；a为样品宽度， mm；h为样品厚度，mm。

1.3.4 吸水倍率测试

采用茶袋法对PASP/TPU纤维水凝胶不同pH值下的溶胀倍率进行测试，溶液的pH值由HCl或NaOH进行调节。将质量约为0.1 g的干燥PASP/TPU纤维水凝胶置于茶袋，浸入不同pH值溶液中 2 h，然后将茶袋提起悬挂5 min，称量溶胀后的PASP/TPU纤维水凝胶的质量。吸水倍率计算公式为

式中：SR为吸水倍率，g/g；Wt为溶胀后纤维水凝胶质量，g；W0为干燥状态下纤维水凝胶质量，g。

1.3.5 药物体外释放测试

精密称取5-氟尿嘧啶100 mg，置于100 mL的容量瓶中，用PBS缓冲溶液溶解制成1 000 μg/mL的储备液。再将储备液稀释为10、30、80、150、300、500、800 μg/mL系列质量浓度的5-氟尿嘧啶溶液。采用LC-100型高效液相色谱仪(HPLC，上海伍丰科学仪器有限公司)测定5-氟尿嘧啶的含量，检测波长为265 nm，流动相为磷酸水溶液(pH值为3.0)/甲醇(体积比为95∶5)。测定不同质量浓度下5-氟尿嘧啶溶液的吸收峰面积，绘制药物标准曲线。

取10 mg载药PASP/TPU纤维水凝胶于离心管中，加入15 mL的PBS缓冲溶液，在37 ℃下恒温振荡，每隔一定时间取出释放介质1 mL，同时加入 1 mL 以保持释放介质体积不变， 测定不同pH值下释放介质中的5-氟尿嘧啶吸收峰面积，根据药物标准曲线方程计算药物浓度，绘制5-氟尿嘧啶体外释放曲线。

2 结果与讨论

2.1 纤维膜微观形貌分析

2.1.1 内层流速对PSI/TPU纤维膜形貌影响

同轴静电纺丝过程中，保持外层PSI纺丝溶液的流速为1.0 mL/h，设定内层载药TPU纺丝溶液流速为0.5、1.0、1.5 mL/h，制备得到的PSI/TPU纤维膜形貌如图1所示。当内层流速为0.5 mL/h时，TPU/PSI纤维表面光滑，纤维的平均直径为(1 138±218)nm；内层流速增加为1.0 mL/h时，纤维的平均直径增加为(1 247±183)nm；当内层流速为 1.5 mL/h 时，纤维直径呈现出明显的粗细不匀，平均直径为(1 298±453)nm。综上可知：当内层流速到0.5和1.0 mL/h时，同轴静电纺过程稳定，纤维直径均匀；随着内层流速增加为1.5 mL/h时，内层溶液纺丝速度过大，导致内外层溶液流速不匹配，纤维粗细差异较大。

图1 不同内层流速下PSI/TPU纤维膜的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)

由图1(d)内层流速为1.0 mL/h的PSI/TPU纤维的透射电镜照片可知，由于TPU与PSI材料的密度不同，PSI/TPU纤维的TEM照片有着明显的内外层边缘轮廓，且两层的厚度稳定。表明同轴静电纺丝法可制备得到皮芯结构稳定的PSI/TPU纤维膜。

2.1.2 内层流速对PASP/TPU纤维水凝胶形貌影响

PSI/TPU纤维膜经交联和水解处理后的PASP/TPU纤维水凝胶，形貌如图2所示。可以看出，PASP/TPU纤维水凝胶中纤维呈弯曲状态，堆积密度变大。当内层流速为0.5 mL/h时，PASP/TPU纤维水凝胶的纤维出现较为明显的皮芯剥离现象，这是由于PSI/TPU纤维的皮层PSI较厚，当PSI经过交联、水解反应生成PASP水凝胶时，发生体积溶胀，而芯层TPU则出现一定程度的收缩，导致皮芯层剥离；内层流速为1.0 mL/h时，PASP/TPU纤维水凝胶的纤维皮芯剥离现象得到缓解，纤维直径均匀；随着内层流速增加为1.5 mL/h，交联和水解反应加剧了PASP/TPU纤维水凝胶的纤维粗细不匀。由此可知，当内层流速为1.0 mL/h时，PASP/TPU纤维水凝胶可获得较好的皮芯结构。

图2 不同内层流速下PASP/TPU纤维水凝胶的扫描电镜照片(×3 000)Fig.2 SEM images of PASP/TPU fiber hydrogel withdifferent core flow rate(×3 000)

2.2 化学结构分析

图3 不同纤维膜的红外光谱图Fig.3 FT-IR spectra of different fiber membranes

图4 PSI交联水解生成PASP水凝胶反应示意图Fig.4 Illustration of PSI generated into PASP hydrogel with crosslinking and hydrolysis

2.3 力学性能分析

PSI/TPU纤维膜和PASP/TPU纤维水凝胶的拉伸曲线如图5所示。可知，随着内层流速的增加，PSI/TPU纤维膜的断裂应力和伸长率增加。这是由于随着内层流速的增加，皮芯结构PSI/TPU纤维的芯层TPU厚度增加，TPU不仅具有良好的生物相容性，而且具有优异的力学性能，使PSI/TPU纤维膜的力学性能得到提高。

图5 不同内层流速的PSI/TPU纤维膜和纤维水凝胶的拉伸曲线Fig.5 Tensile curve of PSI/TPU fiber membranes(a) and PASP/TPU fiber hydrogel(b) with different core flow rate

由图5(b)可知，与PSI/PU纤维膜相比，PASP/TPU纤维水凝胶的断裂应力明显下降，断裂伸长率增加至200%以上。PSI/TPU纤维的皮层PSI断裂伸长率较小，包覆在弹性较强的芯层TPU表面，限制了TPU的伸长。当PSI生成PASP水凝胶后，皮层PASP的力学性能较差，PASP/TPU纤维水凝胶的力学性能主要由芯层组分TPU决定，导致断裂应力下降，断裂伸长率增加。此外，随着内层流速的增加，芯层组分TPU厚度增加，PASP/TPU纤维水凝胶的断裂应力和断裂伸长率随之增加。

2.4 溶胀性能分析

PASP/TPU纤维水凝胶在不同pH值下的溶胀倍率如图6所示。可以看出，随着溶液pH值的增加，PASP/TPU纤维水凝胶的溶胀倍率增加。PASP水凝胶含有丰富的羧酸根，随着溶液pH值的改变，羧酸根发生质子化与去质子化作用，引起PASP/TPU纤维水凝胶中PASP水凝胶组分的溶胀和体积变化。当pH值较低时，羧酸基团不解离，PASP/TPU纤维水凝胶的溶胀倍率较小；随着pH值的增加，羧酸基团解离，电荷密度增加，电荷间的相互排斥作用使PASP水凝胶分子网络处于伸展状态，PASP/TPU纤维水凝胶的溶胀倍率增加[20]。此外，内层流速越大，PASP/TPU纤维水凝胶中的PASP水凝胶组分的含量减小，无凝胶性质和pH敏感性的TPU组分含量相应增加，PASP/TPU纤维水凝胶的溶胀性能变差，因此，随着内层流速的增加，PASP/TPU纤维水凝胶的溶胀倍率变小。

图6 PASP/TPU纤维水凝胶不同pH值条件下的溶胀倍率变化Fig.6 Swelling ratio curve of PASP/TPU fiber hydrogel with different pH value

2.5 释药性能分析

2.5.1 标准曲线的绘制

利用高效液相色谱测试5-氟尿嘧啶溶液的吸收峰面积并进行线性回归拟合，以吸收峰面积y为纵坐标，5-氟尿嘧啶的质量浓度x为横坐标，得到标准回归方程为y=2 012.7x(R2=0.999 7)，标准曲线如图7所示。

2.5.2 药物体外释放分析

不同流速和不同pH值下载药PASP/TPU纤维水凝胶的药物释放率曲线如图8所示。由图8(a)可知，随着时间的增加，不同内层流速下获得的PASP/TPU纤维水凝胶药物累计释放率逐渐增加并趋于平缓。药物的累计释放率随着内层流速的增加而减小，当药物释放12 h时，3个试样的累计释放率分别达到83.2%、73.5%、67.8%。随着内层流速的增加，PASP/TPU纤维水凝胶的载药芯层TPU的厚度增加，纤维的比表面积减小，药物的释放速度相对较慢。而根据图2可知，内层流速过大会导致皮层PASP水凝胶的剥离，皮芯结构受到破坏。

图8 载药PASP/TPU纤维水凝胶体外释放曲线Fig.8 In vitro drug release curves of drug loadedPASP/TPU fiber hydrogel. (a) Different core flow rate; (b) Different pH value

由图8(b)内层流速为1.0 mL/h的载药PASP/TPU纤维水凝胶，在pH值为1、7、9的缓冲溶液中的缓释曲线可知，随着pH值的增加，PASP/TPU纤维水凝胶的药物释放速度加快，累计药物释放率增加。这是因为在酸性环境下，pH值为1时，溶液中的H+将皮层PASP水凝胶分子中的—COO-质子化为—COOH， PASP水凝胶收缩，芯层药物释放速度减缓。随着pH值增加，PASP水凝胶分子中的羧基以—COONa的形成存在，PASP水凝胶发生溶胀，导致芯层药物释放速度加快[21]。

3 结 论

以5-氟尿嘧啶为药物模型，采用同轴静电纺丝技术制备载药聚天冬氨酸/热塑性聚氨酯(PASP/TPU)纤维水凝胶，探究了制备工艺对纤维形貌结构、化学结构、力学性能、溶胀性能的影响，并分析了纤维水凝胶的药物体外释放行为，得出如下结论。

1)同轴静电纺丝过程中，保持外层聚琥珀酰亚胺(PSI)溶液流速不变，内层TPU溶液的流速越大，获得皮芯结构PSI/TPU纤维的芯层越厚，PSI/TPU纤维膜的断裂应力和断裂伸长率增加。

2)PSI/TPU纤维膜经交联、水解处理后形成PASP/TPU纤维水凝胶，且内层流速为1.0 mL/h时获得的PASP/TPU纤维水凝胶形貌结构最佳。内层流速越大，PASP/TPU纤维水凝胶的断裂应力和断裂伸长率越大，溶胀倍率越小。PASP/TPU纤维水凝胶的溶胀倍率随pH值的增加而增大。

3)PASP/TPU纤维水凝胶的释药速度随载药芯层厚度增加而减缓，且在中性和碱性环境下的药物释放速度大于酸性环境中的释放速度。

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