静电喷雾法制备聚乳酸/布洛芬微球及其性能研究

沈雪梅，朱小龙，胡燕超，宋任远，张现峰，李 席*

（蚌埠学院，硅基新材料安徽省工程技术研究中心，功能粉体材料蚌埠市实验室，安徽蚌埠 233030）

0 前言

IBU 又名异丁苯丙酸，是一种非甾体类解热镇痛抗炎药，广泛用于术后疼痛、风湿性疼痛、牙疼、关节炎等［1］。但是IBU 的水溶性差，生物半衰期较短，维持治疗浓度需要频繁给药，易引起胃肠道副反应，并对肾脏产生一定损害。如将IBU 的制成缓释制剂既可以减少服药次数，提高病人服药的依从性，又能够减轻药物的不良反应［2-4］。缓释微球的制备方法主要有凝聚相分离法、溶剂蒸发法、喷雾干燥法等，但这些方法普遍存在实验步骤较多、制备条件苛刻、微球结构不够致密、容易发生突释等缺陷［5-7］。近些年来，一种应用静电喷雾法制备微纳米级颗粒（球或腔囊）的新型技术吸引了较多关注。它是利用高压静电场使流体雾化成微小液滴，在静电场力和外力的联合作用下，做定向运动吸附在目标物上。整个制备工艺简单、制备时间短，静电作用有效降低雾滴表面张力，降低雾滴尺寸，加速溶剂挥发，为药物释放提供更大的表面积和体积比，减少突释的发生；同时，喷雾形成的雾滴带有相同的负电荷，在空间运动中相互排斥，不易发生凝聚，分散性好［8-10］。目前，该法已广泛应用在载药控释领域，尤其是对低水溶性生物活性分子的包封和释放［11-13］。但是，采用静电喷雾法制备IBU 缓释微球尚未见报道。本文以获得美国FDA 认证的聚酯类可生物降解材料PLA［14-15］为骨架载体材料，采用静电喷雾技术制备载IBU的PLA微球，以期改善IBU 的溶解性，以提高IBU 的生物利用度，并研究不同投药量对微球形貌、结构、缓释性能的影响，为静电喷雾法在缓释微球制备领域的应用提供更多参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

PLA，4032D，美国Nature Works公司；

IBU，纯度＞99.0%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；

二氯甲烷（DCM），分析纯，国药集团化学试剂有限公司；

磷酸盐缓冲液，PBS，0.01 mol，pH=7.2～7.4，北京兰杰柯科技有限公司。

1.2 主要设备及仪器

SEM，Regulus8100，日本日立公司；

FTIR，IS10，美国赛默飞公司；

XRD，Smart Lab SE，日本Rigaku公司；

DSC，DSC823E，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；

TG，STA2500，德国耐驰公司；

紫外可见分光光度计，U3900，日本日立公司；

台式恒温振荡器，THZ-312，上海精宏实验设备有限公司。

1.3 样品制备

准确称取500 mg PLA 于10 mL DCM 中，磁力搅拌至完全溶解，分别按照投药量4%、8%、12%、16%（质量分数，下同）准确称取IBU 加入，至完全溶解，得到均一溶液待用，后用自制的高压静电喷雾装置（主要由雷弗TYD01-02注射泵，高压直流电源、静电接地装置和接收板等构成）制备样品，制备条件如下：使用10 mL注射器（不锈钢针头内径为0.8 mm）抽取上述溶液，将注射器安装于微量注射泵上，调整电压为17.5 kV、针头至接收铝箔距离为15 cm、注射速度为0.5 mL/h，得到的样品于55 ℃真空干燥3 h，备用。

1.4 性能测试与结构表征

SEM分析：样品进行喷金处理，加速电压为20 kV，观察PLA/IBU微球的表面形貌；

XRD 分析：Cu-Kα射线，扫描衍射角的范围为5°～80°，扫描速度为10°/min，电压为40 kV，电流为50 mA，分析微球的晶型；

DSC 分析：温度范围为30～300 ℃，升温速率为10 ℃/min，分析微球的熔融和结晶行为；

FTIR 分析：采用溴化钾压片法制样，测试波长范围为4 000～500 cm-1，分辨率为4 cm-1，分析微球的特征性官能团；

TG 分析：氮气气氛，流速为50 mL/min，升温速率为10 ℃/min，升温范围为室温～700 ℃，Al2O3坩埚，分析微球的热失重情况；

IBU 标准曲线的测定：准确称取IBU 标准品50 mg溶于PBS缓冲溶液中，定容至50 mL，得到1 mg/mL的母液，精密量取母液适当体积，用缓冲溶液稀释到一定倍数，得到浓度为0.75、0.5、0.25、0.1、0.05 mg/mL 的IBU标准溶液。以PBS缓冲溶液作为对照品，在扫描波长200～400 nm，扫描速度600 nm/min和狭缝宽度2 nm条件下，分别测试每个标准溶液在265 nm 下的吸光度。同样实验重复3次，取平均值后绘制标准曲线；

体外缓释曲线的绘制：准确称取30 mgIBU标准品、100 mg投药量不同的PLA/IBU微球于处理后的透析袋中，加入5 mLPBS缓冲溶液，两端密封，放入含有100 mL PBS 缓冲溶液的烧杯中，用保鲜膜密封，于（37.0±0.5）℃、转速为100 r/min 下进行恒温振荡。定时取样4.0 mL，同时补加4.0 mL 新鲜介质。测定每个样品在265 nm下的吸光度。同样实验重复5次，并按照式（1）计算累计释药率（%），绘制微球中IBU的释放曲线。

2 结果与讨论

2.1 形貌表征

图1 为电压为17.5 kV、接收距离为15 cm、注射速度为0.5 mL/h 时，静电喷雾法制备得到投药量不同的PLA/IBU 微球的SEM 照片和粒径频率分布直方图。由SEM 照片可知，在该制备条件下，投药量不同的PLA/IBU微球均呈分散性较好、表面带有孔隙的三维球形结构，这是由于DCM快速挥发，高分子链和IBU在液滴中的迁移速率较慢，微球来不及收缩，待DCM挥发完全后，微粒内部形成孔洞，宏观上便表现为多孔微球［11，16］。利用Nano Measurer 1.2随机选取50个微球绘制出的粒径频率分布直方图发现，不同投药量的微球粒径分布于2.4～11.2 μm，IBU含量为4%、8%、12%、16%时，微球的平均粒径分别为7.76、4.61、7.18、6.61 μm，可见微球粒径并没有因IBU含量的增加而呈一定变化关系，说明在能形成分散微粒的浓度范围内，药物浓度的提高对微球粒径无显著影响［17］。相比较而言，含12%IBU 的微球成型性较好、圆润饱满，粒径介于5.6 μm～8.8 μm的占比为83%，平均粒径为7.18 μm，并且微孔密布，易于药物负载。随着投药量的增加，微球形貌不规则程度增加，甚至出现轻微黏连现象，这是由于随着IBU 含量的增加，静电喷雾不稳定导致［18］。

图1 不同投药量的PLA/IBU微球的SEM照片和粒径频率分布直方图Fig.1 SEM images and particle size frequency distribution histograms of PLA/IBU microspheres with different dosages

2.2 XRD分析

图2 为IBU、静电喷雾法制备的纯PLA 微球和PLA/IBU微球 的XRD谱图。由图2可知，IBU 在6.12 °、12.28 °、16.85 °、17.71 °、19.15 °、20.14 °和22.44°处有明显的晶体衍射峰，表明IBU 为晶体结构，纯PLA 微球在2θ=16 °附近出现一个宽且弱的吸收峰，为非晶态结构。不同投药量的PLA/IBU 微球XRD 谱图无明显归属于IBU 特征衍射峰，仅仅和纯PLA 微球一样在2θ=16°附近出现一个宽且弱的吸收峰，表明静电喷雾过程IBU 的晶格被破坏，IBU 以分子或无规则状态高度分散在PLA基质中，PLA/IBU微球呈现出与PLA 相似的无定形结构，这是由于静电喷雾过程接收距离相对较短，溶剂挥发速度较快，IBU 没有足够的时间结晶，加之PLA 链与IBU 之间的相互作用，结晶过程受到抑制［19］。随着投药量的增加，IBU 在16.85 °处的最强峰强度有提高的趋势，表明药物在微球中有微量晶体析出的趋势［20］。

图2 不同投药量的PLA/IBU微球的XRD谱图Fig.2 XRD spectrum of PLA/IBU microspheres with different dosages

2.3 DSC分析

图3 为IBU、静电喷雾法制备的纯PLA 微球和PLA/IBU微球的DSC曲线。由图3可知，IBU 在75.74 ℃处出现尖而窄的熔融吸热峰，熔融焓ΔHm为128.90 J/g，表明IBU 为晶体结构［21］。纯PLA 微球在164.94 ℃处出现宽而弱的熔融吸热峰，熔融焓ΔHm为53.38 J/g。当采用静电喷雾法制备样品时，随着IBU投药量的增加，PLA/IBU微球的Tm由164.94 ℃逐渐降低到156.09 ℃，熔融范围逐渐增大，熔融焓相比较纯IBU的128.90 J/g 降低至42.98～55.38 J/g 范围内，说明IBU的晶格被破坏，虽然IBU分子容易进入PLA不定形结构中诱导PLA生成晶体，但非均相形成的晶体结构并不完美，导致Tm降低，熔融范围变宽［18］。另一方面，不同投药量的PLA/IBU 微球中没有归属于IBU 的熔融峰，而是呈现出与纯PLA微球相同的熔融趋势，也说明IBU完全负载于PLA中，与XRD的研究结果一致。

图3 不同投药量的PLA/IBU微球的DSC曲线Fig.3 DSC curves of PLA/IBU microspheres with different dosages

2.4 FTIR分析

图4 为IBU、静电喷雾法制备的纯PLA 微球和PLA/IBU 微球的FTIR 谱图。由图4 可知，在IBU 结构中，3 000 cm-1附近丰富的谱带主要是由于—OH 和饱和C—H 的伸缩振动共同造成的，1 720 cm-1处的强吸收峰对应于羧基上C=O 的伸缩振动，1 508 cm-1和1 458 cm-1为苯环的特征骨架振动。此外，936 cm-1为羧基中—OH 的面外变形振动，866 cm-1和776 cm-1为对应于苯环中对位取代C—H 的面外变形振动。在纯PLA 微球结构中，2 999 cm-1和2 952 cm-1附近有2 个吸收峰，对应于饱和C—H 的伸缩振动，1 764 cm-1处的强吸收峰对应于C=O 的伸缩振动，1 630 cm-1对应于端羧基中C=O 的伸缩振动，在1 184、1 084cm-1处为C—O—C 的不对称、对称伸缩振动峰，此外3 660～3 290 cm-1为游离—OH 的伸缩振动峰。对于PLA/IBU 微球，PLA 的特征官能团吸收峰仍然存在，且位置不变，其中饱和C—H（2 999、2 952 cm-1处）、C=O（1 764 cm-1处）和C—O—C（1 184、1 084 cm-1处）的伸缩振动强度明显增加，出现了苯环中对位取代C—H的面外变形振动峰，说明IBU 成功负载于PLA 中［22］。整个静电喷雾过程没有新的特征峰产生，表明PLA/IBU微球的制备过程中未发生化学变化，未产生新化合物。不同投药量的PLA/IBU缓释微球在FTIR谱图中未呈现出不同，说明投药量在4 %～16 %的微球中IBU 均被包埋于PLA中。

图4 不同投药量的PLA/IBU微球的FTIR谱图Fig.4 FTIR spectrum of PLA/IBU microspheres with different dosages

2.5 TG分析

图5 为IBU、静电喷雾法制备的纯PLA 微球和PLA/IBU 微球的TG 曲线。由图5 知，IBU 和纯PLA微球均有一个明显的失重阶段，分别于100 ℃和280 ℃左右开始失重，220 ℃和380 ℃左右失重完全，且均失重迅速，而PLA/IBU微球呈现出2个质量损失趋势，第一个趋势为120～280 ℃，这是由于IBU 的热分解导致，第二个趋势为280～390 ℃，这可归因于PLA 的热分解。随着IBU投药量的增加，2个随热失重的趋势越发分明，IBU 的热分解速率也逐步提高，但均小于纯IBU，说明PLA/IBU微球较IBU的热稳定性有一定提高。

图5 不同投药量的PLA/IBU微球的TG曲线Fig.5 TG curves of PLA/IBU microspheres with different dosages

2.6 缓释性能分析

对IBU 标准曲线的测定结果进行线性分析，在0.05～0.75 mg/mL的浓度范围内，265 nm 处IBU 的紫外吸光度和IBU的质量浓度线性关系良好，直线回归方程为：A=2.236 4c+0.039 5（R2=0.999 6）。参照体外缓释性能测试，IBU 和不同投药量的PLA/IBU 微球的释放曲线见图6，图中不同投药量的PLA/IBU 微球在48 h 内释放速度较快，随后进入缓慢释放阶段，在释放初期均未出现突释现象。IBU 原料药在8 h 以内释药70%以上；投药量4%的PLA/IBU 微球在48 h以内释药19%，累计释药时间192 h 以上，释药量为35%，说明载药微球具有明显的缓释效果；当投药量提高到16 %时，PLA/IBU 微球在48 h 以内释药52 %，最终药物累计释放量可达57 %，由此可见，随着IBU 含量的增加，药物释放速率越快，累计释放率越高，这是因为药物的释放特征与药物在微球中的分布状态有关，投药量越高，药物分布于微球表面越多，在初始阶段，表面的药物可快速释放，随后嵌入在微囊内部的药物缓慢释放，使药物释放速度逐渐减慢［23］。从实验结果看，采用静电喷雾法制备的PLA/IBU 微球能够实现对负载IBU 产生缓释的作用，并且降低投药量，使药物负载在微球内部，可以显著提高初期缓释性能。

图6 不同投药量的PLA/IBU微球的缓释曲线Fig.6 Sustained release curves of PLA/IBU microspheres with different dosages

3 结论

（1）采用高压静电喷雾装置，以PLA为骨架载体材料、IBU 为模型药物，在电压17.5 kV、接收距离15 cm、注射速度0.5 mL/h、针头内径0.8 mm 参数下，能够成功制备出均匀圆整、分散性较好的球状微囊，并且在能形成分散微粒的浓度范围内，药物浓度的提高对微球粒径无显著影响；

（2）对PLA/IBU 微球进行结构表征和性能研究发现，PLA/IBU 微球为无定形结构，IBU 以分子或无规则状态高度分布在PLA 基质中，各组分结构未发生变化，热稳定性较IBU 原料药有一定提高。静电喷雾法制备的PLA/IBU 微球均具有良好的控释能力，并且随着投药量的增加，药物释放速率和累计释放率逐渐提高，因此可以通过控制投药量，有效调控微球中药物在初期的释放行为。该结论拓展了静电喷雾法在缓释微球领域的应用，后期还可以进一步深入研究PLA/IBU微球的形成机理，以及载药微球在体内的释放行为。