静电纺载药PCL/PU高取向纳米纤维的制备及其性能研究

王新明，陈文，胡知之，2，朱建民，刘兆斌，马可*

静电纺载药PCL/PU高取向纳米纤维的制备及其性能研究

王新明1，陈文1，胡知之1，2，朱建民3，刘兆斌3，马可1*

（1. 辽宁科技大学 化工学院，辽宁 鞍山 114051；2. 辽宁奥克华辉新材料有限公司，辽宁 辽阳 111003；3. 奥克控股集团股份公司，辽宁 辽阳 111003）

近年来，生物相容性纳米复合材料在药物释放等生物医学领域的应用越来越受到人们的关注。制备了PCL与聚氨酯（PU）复合的高取向载药纳米纤维，以改善高聚物纳米纤维在药物缓释、生物组织培养中的性能，扩大应用市场，为复合纤维膜在药物的控制释放方面的应用提供依据。

纳米纤维；高取向；药物缓释

在过去的20年中， 纳米级药物传输系统（DDSs）已经引起了制药、生物技术和医疗保健行业的关注[1-4]，并且已经开发了许多新的DDSs[5-10]。随着纳米技术的发展和一些历史性的突破[11-13]，纳米纤维由于其简单的生产方法和高比表面积而被广泛应用于DDSs中。DDSs需要满足药物在靶点的可控释放、高载药量、生物降解性、无毒性和成本效益等主要要求。药物洗脱支架、纳米制剂药物、提高疗效的装置和药物涂层等DDS技术使药物靶向给药减少了药物的副作用。

聚己内酯（PCL）是DDSs中最有前途的可生物降解聚合物之一，因为其力学和生物学特性使其适合于生物医学应用。PCL是一种半结晶脂肪族聚酯，具有较低的玻璃化转变温度（-60 ℃），具有广泛的体内和体外生物相容性[14-15]。美国食品和药物管理局已批准PCL用于大量DDS和其他生物医学应用[16]。聚氨酯（PU）是另一种广泛使用的高弹性聚合物，由硬段和软段组成。二者混合聚合物的优点是可以从每种聚合物中创建具有互补特性的新复合材料。例如，PCL可以提供高生物相容性、生物降解性以及物理和机械稳定性，而PU可以增强弹性。多项研究表明，取向性纳米纤维在促进细胞生长和引导组织再生方面起着细胞生长的促进作用，细胞沿轴向排列生长，其定向生长排列的方向影响细胞的分化、增殖及功能[17-18]。构建纳米尺度的高取向结构有可能获得与天然细胞外基质较为接近的结构诱导细胞在支架中的生长、增殖等功能。

为制得高取向性的载药纳米纤维[19]，本文将使用这种混纺纳米纤维作为应用于临床药物缓释载体的材料。主要从混纺纳米纤维的制备并对其进行表征分析和释药动力学三个方面对水杨酸的药物缓释效果的影响进行了研究。

1 实验部分

1.1 实验仪器与药品

1.1.1 仪器

扫描电子显微镜（SEM； 3FEI Apreo）；傅立叶变换红外光谱（FTIR）分析（NicoletiS10，美国赛默飞世尔科技有限公司）；紫外-可见分光光度计（Lambda900，美国珀金埃尔默仪器（上海）有限公司）。

1.1.2 药品与试剂

PCL（Mn:70 000～90 000）（麦克林公司），PU（台湾日胜 75a）水杨酸（FW=138.12）、磷酸盐缓冲盐水（PBS；1/15 mol·L-1，pH 7.2）、乙醇、THF(四氢呋喃和二甲基甲酰胺（DMF）购自Sigma Aldrich（日本）或Wako Pure Chemicals（日本）。所有的化学药品都无需进一步提纯。水在使用前经过二次蒸馏。

1.2 实验步骤

1.2.1 静电纺溶液的制备

以（DCM）/（DMF）=（6∶4）为溶剂制备质量分数为25%的PCL静电纺溶液，以（DMF）∶（THF）=1∶1为溶剂制备质量分数为22%的PU静电纺溶液，将水杨酸与溶质（1∶20）混合。将PCL溶液与PU溶液按体积比3∶1, 2∶1混合，配置混合静电纺溶液1，2。药物含量与聚合物质量之比为1∶100。

1.2.2 高取向纳米纤维膜的制备

使用了北京富友马有限公司制造的静电纺丝设备。将PCL溶液放入10 mL注射器（SS-10T；Terumo，东京，日本）中，并将不锈钢针（NN-2138 N；Terumo）连接到高压电源。对于PCL溶液，施加电压为14 kV，针尖到接收器的距离为20 cm。对于PU溶液，施加电压为18 kV，针尖到基体的距离为20 cm。溶液流速为0.3 mm·min-1。对于PCL：PU混纺溶液，施加电压为15 kV，针尖到基体的距离为20 cm。溶液流速为0.3 mm·min-1。

1.2.3 药物释放测试

通过将所有纳米复合材料浸入PBS（pH 7.4，50 mL）中并在100 r·min-1下恒温摇动混合物3天，来研究所制备样品的药物释放特性。为了确定PBS的药物浓度，应在特定的时间间隔内取4 mL等分试样的测试溶液。 然后加入4 mL新鲜的PBS溶液以维持溶液体积。紫外可见（UV-Vis）分光光度计用于测定收集的测试溶液中水杨酸的浓度。为了确定水杨酸的浓度，预先准备了水杨酸在UV-Vis吸收光谱中的校准曲线。另外，将测试温度保持在37 ℃，并使用摇动水浴锅（常州天瑞，HY-5A）以100 r·min-1摇动溶液。

2 实验结果与讨论

2.1 扫描电子显微镜（SEM)分析

从图 1 中可以看出，纯PCL和纯PU的纤维形态分布均不均一，通过PCL混合PU静电纺，提高了纤维的形态均匀性。

a—PCL；b—PCL–PU 3∶1；c—PCL–PU 2∶1；d—PU

PCL和PU的纤维直径呈两极分化，PU的直径为PCL的四倍，纯PCL纳米纤维的平均直径为315 nm，混纺PCL-PU 3∶1纳米纤维的平均直径为757 nm，PCL-PU 2∶1纳米纤维的平均直径为811 nm，纯PU纳米纤维的平均直径为1 167 nm。由SEM图可知，随着PU含量的增加，混纺纤维的均匀性增强。混纺1、2（图b、c）的直径差别不大，且形态稳定，取向度高。

2.2 FTIR光谱分析结果

FTIR光谱分析了PCL纳米纤维、TPU纳米纤维以及PCL-TPU纳米纤维混纺物的化学成分（如图2）。从图中可以看出，在3 331 cm-1、1 726 cm-1和1 413 cm-1处观察到TPU的N-H键、C=0键、C-N键特征峰。在1 167 cm-1和1 726 cm-1处观察到PCL的C-O键、C=O键特征峰。PCL-TPU纳米纤维共混物的光谱显示出PCL和TPU的特征峰，其强度与PCL和TPU的比例相对应。这一结果表明聚合物共混是均匀的。除了PCL和TPU纳米纤维的特征峰之外，没有观察到新的峰，这证实了PCL-TPU纳米纤维保留了其相应的化学结构。

a—PCL；b—PCL–PU；c—PU

2.3 水杨酸标准曲线的绘制

配制溶液的质量浓度为20×10-6、60×10-6、100×10-6、150×10-6的水杨酸溶液。然后根据测试结果绘制水杨酸的标准曲线，以不同浓度的水杨酸溶液的吸光度为纵坐标，用其质量浓度作为横坐标。如图3，水杨酸的回归方程：=0.001 1+0.011 3，相关系数：2=0.998 8。

2.4 药物缓释动力学

水杨酸从纳米纤维膜的累积释放在大约30 h内达到平衡（图4）。水杨酸从纯PCL纳米纤维和纯紫胶纳米纤维中的释放如图所示。与PU纳米纤维相比，纯PCL纳米纤维在整个释放过程中水杨酸的释放较快，在20 h即达到释放平衡。而PU纳米纤维在42.5 h后达到释放平衡。PCI/PU复合纳米纤维的释药速率介于二者之间，达到了通过共混纤维对药物释放速率的调控。

图3 水杨酸溶液的标准曲线

图4 药物缓释释放曲线

3 结果与讨论

实验通过静电纺制备了纯PCL，纯PU，和PCL/PU(2∶1、3∶1)混纺四种高取向纳米纤维，然后对所制备的样品进行了表征测试并观察其性能。 结果表明，以上4种材料均可成功制备为高取向纳米纤维，但混纺PCL/PU纳米纤维有更好的均一性，且纤维直径在800 nm左右，满足药物缓释膜的需求。药物缓释结果表明，纤维膜的药物缓释速率由PCL的含量的增加而增快，且纯PCL有明显的突释现象，在前5 h内达到80%的释药量。为避免突释现象，本实验通过PCL/PU比例影响药物释放速率。本实验力求在减弱突释现象的同时，避免药物滞留在载体内造成的损耗。因此PCl-PU 3∶1的混纺纤维表现最佳，突释现象大幅度减弱，且药物释放量达到了80%以上。这些特性满足了纳米纤维在组织再生应用中的需求。

感谢辽宁奥克华辉新材料有限公司提供的实验材料、设备以及技术支持。

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Fabrication and Characterization of Highly Oriented Electrospun Drug-loaded PCL/PU Nanofibers composites

1,1,1,2,3,3,1

（1. University of Science and Technology Liaoning, Anshan Liaoning 114051, China;2. Liaoning Oxiran Huahui New Material Co., Ltd., Liaoyang Liaoning 111003, China;3.Oxiran Holding Group Stock Company, Liaoyang Liaoning 111003, China）

In recent years, the application of biocompatible nanocomposites in biomedical fields such as drug release has attracted more and more attention. In this paper, PCL and polyurethane (PU) composite highly oriented drug-loaded nanofibers were prepared to improve the performance of polymer nanofibers in drug sustained release and biological tissue culture, expand the application market, and provide the basis for the application of composite fiber membrane in drug controlled release.

Nanofibers; High orientation; Sustained drug release

辽宁科技大学校级大学生创新创业训练项目资助（项目编号：X202110146072）；辽宁科技大学校基金（项目编号：2020QN05）。

2021-04-13

王新明（1996-），女，辽宁省营口市人，研究方向：聚酰亚胺纤维。

马可（1990-），女，讲师，博士，研究方向：纳米纤维，药物缓释，物理化学。

R969.1

A

1004-0935（2023）01-0014-04