静电纺丝载药聚乳酸（PLA）纳米纤维膜的综合实验设计

陈品鸿，苏灿坤，林若玫，曹庆云，倪春林，周武艺

（华南农业大学 材料与能源学院 生物质3D打印研究中心，广东 广州 510642）

静电纺丝法可以用于制备纳米纤维[1-4]、超滤膜[5-7]等材料，主要应用于生物医药[8-14]、催化[5,15-17]、污水处理[18-20]、抗菌抑菌[2,5,12,17,21-24]、能源[25-26]等领域。载药量低、药物突释等问题是目前药物缓控制释放领域普遍存在的问题。用生物相容性良好的高分子聚合物材料和药物的混合溶液进行静电纺丝，可以在很大程度上提高该聚合物材料的生物可降解性和相容性，并降低生物排异反应的发生概率；也可以有效地分解释放一些难以被人体吸收的药物。PLA[8-10]是一种无毒、具有良好的生物相容性和可降解性的高分子聚合材料。在自然环境中，通过水解和一系列的生物代谢使得PLA的废弃材料最终完全转变为二氧化碳和水。恩诺沙星（ENRO）[27-28]为广谱杀菌药，对支原体有特效。对大肠杆菌、克雷白杆菌、沙门氏菌、变形杆菌、绿脓杆菌、嗜血杆菌、多杀性巴氏杆菌、溶血性巴氏杆菌、金葡菌、链球菌等都有杀菌效用；可作为动物用药品，在动物体内半衰期长，有良好组织分布性，属于广效性抑菌剂，对于革兰氏阳性菌、阴性菌及霉形体具有抑菌作用。

因此，本文设计了一种新型良好生物相容性和可降解性的高分子聚合物聚乳酸（PLA）纳米纤维基复合药物载体材料，以抗菌药物ENRO为靶向药物，通过高压静电纺丝法制备，通过优化实验方法及制备工艺参数，获得一种综合性能优异的新型纳米纤维复合材料。通过XRD、红外光谱和热重分析等对超滤膜材料进行系统检测，对其机理进行系统分析，实验研究结果为新型超滤膜材料的应用提供了重要的理论和实验指导意义。

1 实验试剂和仪器

试剂：PLA，分析纯，分子量8~10万，广东捷进化工有限公司；N，N-二甲基甲酰胺，分析纯，天津市化学试剂一厂；三氯甲烷，分析纯，广州化学试剂厂；盐酸恩诺沙星，含量90.8 %，纯度98.66%，广州惠华动物保健品有限公司。

仪器：高压静电纺丝机，TL-01仪器，深圳通力微纳科技有限公司；扫描电子显微镜，JSM-25S，JEOL公司；接触角测量仪，上海市中晨数字技术设备有限公司；热重差热分析仪，DTG-60，日本岛津公司；傅里叶变换红外光谱仪，AVATAR 360E.S.P，美国尼高力公司；X射线粉末衍射仪，D8 ADVANCE，德国BRUKER公司。

2 实验内容

2.1 载ENRO的PLA纳米纤维膜的制备

往带盖子的塑料瓶内加入体积比为3∶7的N，N-二甲基甲酰胺和三氯甲烷，按相对于N，N-二甲基甲酰胺和三氯甲烷质量的 10%称取一定量的 PLA加入其中，盖好盖子，放到50 ℃恒温水浴磁子搅拌器中加热2 h，再放入超声波震荡机超声震荡1 h，静置之后得到质量比为 10%的纯 PLA纺丝液。再分别按相对于PLA质量的10%、15%、20%称取一定量ENRO，分别加入纯PLA纺丝液中，超声震荡1 h，分别得到含药量10%、15%、20%的ENRO/PLA纺丝液；用一支10 mL容量的注射器，吸取3 mL以上的纺丝液，将注射器固定到静电纺丝机的推进泵上，调节针头与接收板之间的距离为16 cm，调节高压电源的电压为16 kV，纺丝速率为0.5 mL/h，纺丝量为3 mL，环境温度25 ℃；喷射完毕后，将纺丝膜进行50 ℃热处理4 h，待用。

2.2 载药PLA纳米纤维膜体外释放实验

将已称量剪取好的载药PLA纳米纤维膜装于透析袋中，在模拟体液中进行体外缓释实验。研究载药 PLA纳米纤维膜几种不同载药量的缓释行为，通过模型拟合确定其骨架型的释放机制，反向确定药物在孔道内部的高效负载，并研究骨架型缓释制剂的释药机理。

称取氯化钾（KCl）固体 0.20 g，磷酸氢二钾（KH2PO4）固体 0.27 g，十二水合磷酸氢二钠（Na2HPO4·12H2O）固体3.48 g，氯化钠（NaCl）固体8.01 g，把上述固体溶解（如果固体溶解趋势不大，使用超声波清洗仪超声一段时间，使固体完全溶解），转移到1 000 mL容量瓶中，定容至刻度线，得到PBS缓冲液。

准确称取0.01 g具有不同载药量的载药PLA纳米纤维膜3份于透析袋中，在0、0.5、1.5、3、6、12、24、48和72 h等不同时间段从锥形瓶中取出3 mL溶液（每个锥形瓶取3份），测定吸光度（在270 nm波长下测定），测定完毕后将测试液补回原体系溶液。

3 结果与讨论

3.1 SEM表征分析

图1是在纺丝电压为16 kV，接收距离为16 cm，速率为0.5 mL/h的相同纺丝工艺条件下，制备的静电纺丝纯 PLA纳米纤维膜和不同ENRO质量分数的静电纺丝载ENRO/PLA纳米纤维膜的SEM图，放大倍数均为10 000倍。表1列出了静电纺丝纯PLA纳米纤维膜和不同载药量 ENRO/PLA纳米纤维膜的平均直径。由图1可以看出：静电纺丝纯PLA纳米纤维膜和静电纺丝载 ENRO/PLA纳米纤维膜直径分布比较均匀，均具有较好的可纺性。静电纺丝纯PLA纳米纤维表面成丝很好，纤维连续，表面光滑，也不存在影响外观的珠节，而加了 ENRO的静电纺丝载ENRO/PLA纳米纤维表面出现了一定程度的粘连，尤其是图1(c)和1(d)样品，这主要是由于ENRO的加入起到了盐成分的作用，它使得纺丝液的导电性增加，使得作用在溶液上的电场力增加，进而从针头出来的溶液量增加，纺丝过程中溶剂不能完全挥发，最终导致纤维出现粘连现象。由表1的数据可以看出：随着ENRO含量的增加，纤维直径减小。这是由于随着加入ENRO含量的增加，纺丝液的黏度和表面张力减小，同时电导率增大。黏度和表面张力的减小使得射流更容易分散，电导率的增大使得喷射流表面的电荷密度增大，载有更多的电荷，在电场中受到更大的牵伸力，更有利于纤维的拉伸和细化，导致直径变小，3种因素的共同作用导致了静电纺丝纤维直径的减小。从图1(c)和图 1(d)都可以看出，在纤维的表面有一些突起的小颗粒，这是由于ENRO溶于纺丝溶剂挥发后负载或镶嵌在PLA纳米纤维上，特别是图1(d)，这种小颗粒的分布更多，故可以说明载 10%、15%和 20%ENRO/PLA纳米纤维膜的载药量依次递增。

图1 各样品的SEM图

表1 各样品的平均直径

3.2 接触角测试分析

图2为纯PLA纳米纤维膜和不同载药量ENRO/PLA纳米纤维膜的接触角图。表2列出了纯PLA纳米纤维膜和不同载药量 ENRO/PLA纳米纤维膜的接触角。材料表面的亲/疏水性可以通过接触角来评价，材料表面的接触角越小，其亲水性越好，反之，其亲水性越差。材料表面的接触角除了和材料的物质构成有关，还和材料表面的粗糙程度有关。首先，构成材料的纤维大分子中亲水基团的多少和基团极性的强弱对纤维的润湿性有很大的影响。由于 PLA中含有大量的酯键，亲水性比较差，因此由PLA制备的静电纺丝薄膜润湿性能不好[29]；其次，不溶于水的ENRO药物的加入，也可以在一定程度上降低静电纺丝纳米纤维膜的润湿性能；另外，材料表面的粗糙度对材料的亲/疏水性的影响也很大。静电纺丝纳米纤维膜的表面并不是视觉上的完全均一、光滑的，而是粗糙的，材料表面越粗糙，越难润湿[30]。由实验结果可以看出，静电纺丝纯 PLA纳米纤维膜和静电纺丝载 ENRO/PLA纳米纤维膜的接触角均大于 90°，即静电纺丝纯 PLA纳米纤维膜和静电纺丝载 ENRO/PLA纳米纤维膜都是表面疏水，说明静电纺丝纯PLA纳米纤维膜和静电纺丝载ENRO/PLA纳米纤维膜都属于疏水性材料。另外，静电纺丝载ENRO/PLA纳米纤维膜的接触角均大于静电纺丝纯PLA纳米纤维膜的接触角，且载10%、15%和20% ENRO/PLA纳米纤维膜的接触角依次稍微递增，这也说明了载10%、15%和20% ENRO/PLA纳米纤维膜的载药量依次递增。

图2 各样品的接触角图

表2 各样品的接触角

3.3 XRD测试分析

图3为静电纺丝纯PLA纳米纤维膜和不同载药量的静电纺丝载ENRO/PLA纳米纤维膜的 X射线衍射谱图，展示了PLA和ENRO的晶体存在形式，以及ENRO在PLA纳米纤维中的存在形式。如图3曲线a得知，PLA无固定的晶相；由曲线e得知，ENRO有固定的晶相，且在 2θ为 12.5°、14.8°、16°、17°、18.2°、21.4°、23.2°、25.5°和 27.2°有很强的吸收峰。由曲线a、b和c得知，载药后的 PLA纳米纤维与纯ENRO在 2θ为 12.5°、14.8°、16°、17°、18.2°、21.4°、23.2°、25.5°和27.2°均有很强的峰，而且载10%、15%和20%ENRO/PLA纳米纤维膜的峰值依次递增，且都比纯ENRO的峰值低，故可以确定载 10%、15%和 20%ENRO/PLA纳米纤维膜的载药量依次递增。表明ENRO药物已经成功地载入到载ENRO/PLA纳米纤维膜中，并且ENRO以晶体形式存在于载ENRO/PLA纳米纤维膜中。

图3 各样品X射线衍射谱图

3.4 红外测试分析

从图4可以看出，静电纺丝纯PLA纳米纤维膜和静电纺丝载 ENRO/PLA纳米纤维膜存在相似的特征吸收峰，静电纺丝纯PLA纳米纤维膜的红外光谱图在1 760、1 628、1 456和1 386 cm–1有吸收峰，分别对应于PLA结构中—COO—中的—C==O的特征吸收峰、—OH弯曲振动吸收峰、—COO对称和非对称弯曲振动吸收峰，且这些特征峰没有发生明显移动，存在于静电纺丝载ENRO/PLA纳米纤维膜的红外光图谱中；此外，PLA结构在1 185和1 090 cm–1也有特征峰，这些特征峰同时也存在于静电纺丝纯 PLA纳米纤维膜和静电纺丝载ENRO/PLA纳米纤维膜中；而ENRO和静电纺丝载 ENRO/PLA纳米纤维膜的吸收峰明显区别于静电纺丝纯 PLA纳米纤维膜的是，前两者均在1 505、1 259、951和881 cm–1有吸收峰，分别对应的是 C-F的伸缩振动、C-N（芳基碳）的伸缩振动、C-H在苯基间位二取代的变形振动特征吸收峰，同时因为ENRO结构式中也存在羧基，所以有一部分峰与PLA重合，而且没有新键的形成，这说明ENRO存在于静电纺丝载 ENRO/PLA纳米纤维膜中，而且与 PLA为纯粹的物理混合，并没有发生化学键的结合。从上面特征峰的分析可以看出，ENRO和 PLA很好地混合在一起，且相对独立，没有发生化学键的结合。

图4 各样品的红外光谱图

3.5 热重测试分析

图5为纯ENRO、静电纺丝纯PLA纳米纤维膜和不同载药量静电纺丝载 ENRO/PLA纳米纤维膜的热重测试分析（DTA）曲线图，主要解释了纯 ENRO、静电纺丝纯 PLA纳米纤维膜和不同载药量静电纺丝载 ENRO/PLA纳米纤维膜在热重分析过程中的吸放热温度和过程。如图5所示，纯ENRO、载10%、15%和 20% ENRO/PLA纳米纤维膜在温度为 215~225 ℃均有一个吸热过程，原因为 ENRO中脱失-OH有吸热的峰，而纯PLA纳米纤维膜在此处没有吸热的峰，说明载 ENRO/PLA纳米纤维膜中含有 ENRO药物。纯 PLA纳米纤维膜、载 10%、15%和 20%ENRO/PLA纳米纤维膜在 150 ℃左右有一个很小的吸热过程，而纯 ENRO在此处没有，说明这是 PLA吸热的峰。同时，纯ENRO在315 ℃~330 ℃有一个吸热峰，PLA在350 ℃~390 ℃也有一个吸热峰，对应载10%、15%和20% ENRO/PLA纳米纤维膜由于含有ENRO和PLA，使得曲线在305 ℃~355 ℃有一个缔合的吸热峰。

图5 各样品的DTA曲线图

图6为纯ENRO、静电纺丝纯PLA纳米纤维膜和不同载药量静电纺丝载 ENRO/PLA纳米纤维膜的热重失重图。展示了纯ENRO、静电纺丝纯PLA纳米纤维膜和不同载药量静电纺丝载 ENRO/PLA纳米纤维膜在对应温度下的失重过程。如图6所示：由曲线a得知，纯ENRO在260 ℃开始失重分解，420 ℃分解完全，有一个失重平台，为ENRO的热解，失重率为82%；由曲线b得知，纯PLA纳米纤维膜在300 ℃开始失重分解，385 ℃分解完全，有一个失重平台，为PLA的热解，失重率为99%，说明 PLA基本能热解完全；由曲线d、曲线e和曲线f得知，载10%ENRO/PLA纳米纤维膜、载15 %ENRO/PLA纳米纤维膜和载20 %ENRO/PLA纳米纤维膜都是在290 ℃开始热分解，360 ℃分解完全，均有一个失重平台，是ENRO和PLA的热分解，失重率分别为90%、87%、83%，侧面说明了载10%、15%和20% ENRO/PLA纳米纤维膜的载药量呈递增趋势，载20% ENRO/PLA纳米纤维膜载药量最高，也对应了前面 XRD分析结果和红外分析结果。

图6 各样品的热重失重图

3.6 体外缓释分析

图7为载10%、15%和20% ENRO/PLA纳米纤维膜中的ENRO在PBS缓冲液中缓释量与时间的关系。由图7可知：随着ENRO药物质量分数的增大，药物的扩散浓度增大，这样药物就更加容易分散到释放介质中。另外ENRO药粉质量分数增大时，静电纺丝超细纤维的平均直径越小，负载在纤维表面的药粉量越大，在纤维表层的药粉可以直接释放到介质中，所以PLA纳米纤维的释药速率随着ENRO质量分数的增大而加快。在前 24 h，药物快速释放，其中载 10%ENRO/PLA纳米纤维膜的释放量达到了73%，载15%和20% ENRO/PLA纳米纤维膜更是都达到了80%以上。在后面的48 h，药物缓慢释放，最终载10%、15%和 20% ENRO/PLA纳米纤维膜的释放量都达到了100%。整个缓释过程持续了72 h，充分说明了药物的持续性，说明PLA纳米纤维膜作为药物载体的可行性以及优越性。

图7 各样品的体外缓释曲线图

4 结论

本文采用静电纺丝技术，设计和制备了不同质量分数、不同载药量的PLA纳米纤维超滤膜，获得的最优静电纺丝工艺参数为：纺丝电压为16 kV，接收距离为16 cm，纺丝速度为0.5 mL/h，每个样品制备时间为6 h。通过对静电纺丝纳米纤维膜的性能测试及表征，以及体外释放实验得出了以下结论：（1）ENRO以物理分散的方式分布在纳米纤维的内部及镶嵌在其表面；（2） 静电纺丝PLA纳米纤维膜属于疏水材料，ENRO在一定程度上降低了静电纺丝PLA纳米纤维膜的亲水性能；（3）10 %的PLA纺丝液成丝粗细均匀，且没有珠节，静电纺丝载ENRO/PLA纳米纤维的直径在300~900 nm，且ENRO质量分数越高，静电纺丝纳米纤维的平均直径越小。而通过SEM表面形貌观察，还可以看出 ENRO分散在PLA纳米纤维的内部及镶嵌在其表面；（4）体外释放实验表明静电纺丝 PLA纳米纤维对ENRO具有很好的缓释效果，实验制得的静电纺丝载 ENRO/PLA纳米纤维的载药量在 10%~20%，而且缓释的时间高达72 h。