薰衣草精油双重缓释纳米纤维的构建及其性能分析

任笑鸽,郝林聪

(新疆大学 纺织与服装学院, 新疆 乌鲁木齐 830017)

薰衣草精油(OEL)是一种复杂的挥发性化合物混合物,主要包括乙酸芳樟酯、乙酸薰衣草酯等,可提供特定的植物香味,是芳香疗法中常用的材料之一,作为一种补充医学治疗手段,可用于提高生活质量,包括抗焦虑[1-2]、帮助睡眠[3]、镇静[4-5]等。精油可以通过鼻孔吸入到嗅觉系统,在肺血管的作用下,向器官和组织扩散[4],一些研究也证明了精油的特定药理作用[1-2,6]。在生活中,构建芳香系统相对容易,但由于精油的高挥发性,芳香系统的长期良好运行较为困难。

为了延长精油的芳香保质期以及稳定性,纳米封装[7-9]和宏观屏蔽[10]是常用的保护精油免受降解因素(空气、湿度、温度等)影响的方法。在药物和化妆品香薰领域,通过纳米封装技术制备的纳米颗粒更容易与其他产品结合。壁材是纳米微胶囊制备过程中关键因素之一。大环化合物β-环糊精(β-CD)是常用的分子纳米封装壁材,具有α-d-吡喃葡萄糖结构,无毒,在纺织品中被广泛使用[11],疏水性内腔和合适的腔尺寸可以封装和稳定薰衣草精油分子[12-14]。通过纳米包封技术获得的β-环糊精/薰衣草精油微胶囊具有芳香性,可与多维产品结合拓展新的应用领域。

静电纺丝是一种制备功能性纳米纤维的通用技术。通过掺杂芳香功能性物质制备纳米纤维,可以很好地实现纤维的芳香功能性[15]。Ana等[16]将百里香精油添加到聚合物溶液中以获得具有缓释特性的抗菌纤维。Ghasemi 等[17]通过将孜然精油包裹在玉米醇溶蛋白静电纺纤维中来抑制金黄色葡萄球菌和大肠杆菌、蜡状芽孢杆菌和肠杆菌的生长。Li 等[18]制备了含有3种不同精油(茶树、肉桂皮、丁香)的抗菌聚氨酯纳米纤维。精油包覆在纤维中仍可以发挥作用,这为芳香缓释纳米纤维提供了新的思路。

本文通过共沉淀纳米微胶囊技术制备了缓释β-环糊精/薰衣草精油微胶囊(β-CD/OEL-IC),并通过响应面法(Box-Behnken)优化不同工艺参数对薰衣草精油包合率的影响。将缓释β-环糊精/薰衣草精油微胶囊掺杂到聚丙烯腈(PAN)静电纺丝溶液中,利用静电纺丝技术制备出复合聚丙烯腈/β-环糊精/薰衣草精油微胶囊纳米纤维(PAN/IC-NFs),以期为薰衣草精油的芳香疗法开辟更广阔的途径。

1 实验部分

1.1 材料与设备

实验材料:薰衣草精油(伊利圣玛依拉薰衣草制品有限公司);β-环糊精(上海麦克林生化科技股份有限公司);聚丙烯腈(平均分子量150 000, 上海麦克林生化科技股份有限公司);N, N-二甲基甲酰胺(DMF,分析纯,上海阿拉丁生化科技股份有限公司);无水乙醇(分析纯,天津北联精细化学品开发有限公司)。

实验设备:JSM-7900扫描电子显微镜(日本电子株式会社);FN-200s高速均质机(上海力辰仪器科技有限公司);BC/BD-429HEM电冰柜(青岛海尔特种电冰柜有限公司);FD-1B-80+冷冻干燥机(北京博医康实验仪器有限公司);Bruker Vertex 70傅里叶红外光谱仪(德国 Bruker 公司);HZ-D(III)循环水式多用真空泵(上海力辰仪器科技有限公司);TA-SDTQ600热重分析仪(美国TA公司);UV-1200紫外分光光度计(上海美谱达仪器有限公司);FA2004-100电子天平(上海舜宇恒平科学仪器有限公司);MC6000微型离心机(杭州瑞诚仪器有限公司);DCAT 21动态接触角测量仪(德国DataPhysics 公司)。

1.2 实验方法

1.2.1 初级缓释微胶囊制备

首先将1 g β-环糊精分散在体积比为2∶1的水与乙醇溶液中,利用高速均质设备在(10 000±300) r/min条件下高速均质处理5 min,而后将一定量的薰衣草精油加入上述溶液中继续搅拌1 min制备均匀混合液。在一定的温度条件下将均质后的混合液在1 300 r/min机械搅拌条件下进行包合搅拌,得到微胶囊乳液。最后在4℃低温下静置4 h后进行过滤、冻干后获得微胶囊粉末,即制得β-环糊精/薰衣草精油微胶囊粉末。

1.2.2 二级缓释纳米纤维制备

首先称取0.9g聚丙烯腈粉末加入到DMF溶剂中制备质量分数为6%的聚丙烯腈溶液,60℃水浴加热搅拌36 h,然后准确称取1.8 g β-环糊精/薰衣草精油微胶囊粉末缓慢加入到聚丙烯腈纺丝液中,室温下继续搅拌30 min,最后通过静电纺丝技术在16 kV、纺丝距离18cm、注射速度0.8 mL/min条件下制备聚丙烯腈/β-环糊精/薰衣草精油微胶囊纳米纤维,同时配备质量分数为18%的PAN/DMF纺丝溶液制备聚丙烯腈纳米纤维(PAN-NFs)作对比。

1.3 测试与表征

1.3.1 薰衣草精油的测定

利用紫外-可见分光光度计对溶液中薰衣草精油定量分析。以无水乙醇作为空白对照样,以1μL/mL薰衣草精油标准溶液在280～300 nm处进行吸光度测试,得出最大吸光度对应波长,然后依次稀释制备4倍(0.25μL/mL)、8倍(0.125μL/mL)、16倍(0.062 5μL/mL)、32倍(0.031 25μL/mL)、64倍(0.015 625μL/mL)、128倍(0.007 812 5μL/mL)的薰衣草精油/无水乙醇标准液。利用紫外分光光度计分别测出吸光度值A,得到关于精油体积浓度C的拟合回归方程。

1.3.2 微胶囊热分析

称取一定质量β-环糊精/薰衣草精油微胶囊样品,采用热重分析仪分析样品的热稳定性,测试参数为氮气环境、气流速度20 mL/min、温度范围室温至400℃、升温速率10℃/min。

1.3.3 微胶囊形态分析

将β-环糊精/薰衣草精油微胶囊粉末黏在导电胶上进行喷金。通过扫描电子显微镜观察微胶囊的微观外貌。

1.3.4 化学结构表征

利用傅里叶变换红外光谱仪测试材料的官能团。固体粉末样品的红外光谱使用KBr为背景。对于纯液体薰衣草精油、β-环糊精/薰衣草精油微胶囊、聚丙烯腈/β-环糊精/薰衣草精油微胶囊纳米纤维和聚丙烯腈纳米纤维,使用衰减全内反射(ATR)模式。在4 000～400cm-1范围内记录所有样品的光谱,分辨率为4cm-1。

1.3.5 水接触角测量

将聚丙烯腈/β-环糊精/薰衣草精油微胶囊纳米纤维膜和聚丙烯腈纳米纤维膜剪成1cm×1cm大小的试样,平贴在载玻片表面,滴加5μL蒸馏水,利用DCAT 21 动态接触角测量仪测试纳米纤维的水接触角。

1.3.6 β-环糊精/薰衣草精油微胶囊包合率及芳香保持率测定

利用电子天平分别称取1 g β-环糊精/薰衣草精油微胶囊、1 g聚丙烯腈/β-环糊精/薰衣草精油微胶囊纳米纤维样品,置于2个直径为6cm的玻璃培养皿中,在25℃、无风条件下静置。在第0、1、2、3、4、5、6、7、9、11、13、21 d,分别取一定量样品,精准称量后分散在5 mL无水乙醇中,利用低温超声设备进行超声萃取30 min,然后吸取上清液进行离心处理,离心处理后再去上清液,根据测试出的最佳紫外吸收波长测试提取液的吸光度。利用标准溶液浓度与吸光度的标准拟合方程计算β-环糊精/薰衣草精油微胶囊中精油的体积,其与微胶囊制备过程中薰衣草精油总添加量的比值,即为薰衣草精油的包合率。

空白样是将1 g β-环糊精与0.12 mL精油物理搅拌后的混合物。以β-环糊精/薰衣草精油微胶囊、聚丙烯腈/β-环糊精/薰衣草精油微胶囊纳米纤维和空白样在相同环境中放置、取样第0 d测出的精油体积浓度记为100%,分别放置第1、2、3、4、5、6、7、9、11、13、21 d的精油体积浓度,换算为百分含量后即为其芳香保持率。

2 结果与讨论

2.1 微胶囊制备工艺优化及热稳定性分析

薰衣草精油的吸光度与薰衣草的来源和提取方法有关。图1(a)为薰衣草精油的吸收光谱曲线,由此曲线可以确定薰衣草精油的最大吸收波长。薰衣草精油分散在乙醇溶液中,通过紫外吸收光谱仪检测发现,在波长275～305 nm范围内,溶液吸光度先增大后减小,在测试波长为292 nm处吸光度值达到最高。图1(b)为薰衣草精油吸光度与体积浓度的标准曲线,其符合朗伯比尔定律,由此可以计算薰衣草精油的含量。图1(c)为薰衣草精油的包合率与薰衣草精油用量、包合温度和包合搅拌时间的关系。在固定壁材β-环糊精为1 g条件下,包合率与薰衣草精油用量、包合时间、包合温度均呈现先上升后下降的变化趋势。

图1 薰衣草精油及微胶囊制备影响因素Fig.1 OEL and optimization of β-CD/OEL-IC.(a)Relationship between the absorbance and wavelength of OEL;(b)Relationship of absorbance and concentration;(c)Univariate analysis of β-CD/OEL-IC

为了进一步优化分析条件,基于单因素结果进行 Box-Behnken 分析,图2所示为精油用量、包合温度和包合搅拌时间之间的交互关系。图2(a)(b)表明包合率随着薰衣草精油用量的增加先增加后减小,这可能是因为溶液中薰衣草精油的体积浓度对精油分子进入β-环糊精空腔有很大影响;在低用量下,薰衣草精油体积浓度低,β-环糊精分子与精油分子之间的相互作用弱,不能产生足够的疏水驱动作用;精油用量过多时,多余的精油分子无法进入到β-环糊精分子空腔中,微胶囊的形成也可能受到薰衣草精油内大分子的相互作用影响。图2(b)(c)表明随着时间的增加,包合率降低,因为在相同的薰衣草精油用量和包合温度下,薰衣草精油随着时间增长持续挥发。图2(a)(c)表明当精油用量和包合搅拌时间固定时,包合温度对包合率的影响很小,可能原因是薰衣草精油的热分解在研究温度范围内基本没有变化,温度对精油分子的热运动影响较小。由图2可知,薰衣草精油添加量0.12 mL、搅拌时间1.48 h、温度39.2℃时,薰衣草精油的包合率最高(83.962 7%),相对标准偏差为0.018。经过5次独立实验计算出实际平均包合率为83.2%。

图2 响应面分析Fig.2 Response suface analysis. (a) Dosage and temperature;(b) Dosage and time;(c) Temperature and time

图3所示为β-环糊精/薰衣草精油微胶囊与纯β-环糊精的热稳定性分析。

图3 微胶囊热稳定性分析Fig.3 Thermogravimetric analysis of β-CD/OEL-IC

β-环糊精/薰衣草精油微胶囊形成后,由于β-环糊精和薰衣草精油的相互作用导致其与纯β-环糊精热重曲线存在差异。薰衣草精油的分解曲线表明其主要的质量损失发生在温度30℃以上,当反应温度达到150℃ 时,薰衣草精油几乎完全分解。β-环糊精的热分析曲线可以观察到2个阶段的质量损失,温度低于100℃和高于275℃时,β-环糊精都出现质量损失,这些质量损失归因于β-环糊精的失水和主要热分解。β-环糊精/薰衣草精油微胶囊的分解曲线显示出2个阶段的质量损失,265℃以下的初始质量损失是由于薰衣草精油损失,而280℃以上的质量损失主要对应于β-环糊精的热降解。对比可知β-环糊精空腔对薰衣草精油受热的挥发和降解具有一定的保护作用。

2.2 微胶囊和微胶囊纳米纤维的形态分析

图4所示为β-环糊精、β-环糊精/薰衣草精油微胶囊、聚丙烯腈纳米纤维及聚丙烯腈/β-环糊精/薰衣草精油微胶囊纳米纤维的外观特征。纯 β-环糊精(图4(a)(b))具有不同的几何尺寸和不规则的形状,一些小颗粒附着在表面。β-环糊精/薰衣草精油微胶囊(图4(c)(d))呈多层结构晶体形式,形状规则,尺寸较小,但有些团聚。与聚丙烯腈纳米纤维(图4(e)(f))相比,聚丙烯腈/β-环糊精/薰衣草精油微胶囊纳米纤维(图4(g)(h))表面具有连续且均匀的珠状结构,这种特殊结构可能与较高含量的β-环糊精/薰衣草精油微胶囊掺杂有关,微胶囊为小分子结构,受到静电力的作用较弱,纺丝液在制备纳米纤维的过程中,溶剂不断挥发,而发生一定量的团聚。此外,如图4(e)(g)所示,PAN纳米纤维的水接触角为129°,而聚丙烯腈/β-环糊精/薰衣草精油微胶囊纳米纤维水接触角为110°。聚丙烯腈/β-环糊精/薰衣草精油微胶囊纳米纤维表现出亲水行为,可能是由于β-环糊精/薰衣草精油微胶囊分布在纳米纤维的表面引起的,β-环糊精环状外侧有大量—OH存在,表现出亲水作用,水接触角减小。

图4 扫描电镜及水接触角分析Fig.4 Analysis of SEM and water contact angle

2.3 微胶囊和纳米纤维的化学结构表征

图5 傅里叶红外结果表征Fig.5 The FTIR spectra of OEL, β-CD/OEL-IC,β-CD, PAN/IC-NFs

2.4 微胶囊和纳米纤维的释放性能分析

如图6所示,25℃下静置21 d后,聚丙烯腈/β-环糊精/薰衣草精油微胶囊纳米纤维、β-环糊精/薰衣草精油微胶囊以及空白样的芳香保持率分别为82.5%、75.1%和16.1%。微胶囊中薰衣草精油的释放曲线可以描述为2个过程,即最初的快速释放和随后的缓慢释放。快速释放可能是因为部分薰衣草精油分子和β-环糊精之间没有形成稳定的氢键结构或者作用较弱。聚丙烯腈/β-环糊精/薰衣草精油微胶囊纳米纤维的薰衣草精油释放曲线可以分为3个阶段,前3 d快速释放,这可能是由于微胶囊暴露在纤维表面上;第 4～7 d香气释放率显著下降,可能原因是内层中的薰衣草精油被释放;第 10～ 21 d释放速率显著降低,仅释放了β-环糊精/薰衣草精油微胶囊中薰衣草精油含量的 4.85%,这可能与纤维低程度的溶胀和聚合物大分子刚性链有关,纤维中聚合物大分子的狭窄间隙以及分子链刚性抑制了精油分子的扩散。

3 结 论

本文首先制备了具有芳香缓释功能的β-环糊精/薰衣草精油微胶囊,再利用混合静电纺丝技术将芳香缓释微胶囊作为添加物添加至纺丝液中,制备出具有两级缓释系统的芳香缓释聚丙烯腈/β-环糊精/薰衣草精油微胶囊纳米纤维,并对精油的缓释进行了深入研究。制备芳香缓释微胶囊最佳工艺参数为精油用量0.12 mL、搅拌时间1.48 h、搅拌温度39.2℃,以此得到的微胶囊包合率为83.2%。以聚丙烯腈与β-环糊精/薰衣草精油微胶囊质量比为1∶2制备出的聚丙烯腈/β-环糊精/薰衣草精油微胶囊纳米纤维中微胶囊含量66.6%,表面具有连续且均匀的珠状结构,水接触角减小约19°,21 d芳香保持率82.5%,对于研究芳香功能纳米纤维,扩大精油在日常生活用品中的广泛应用有十分重要的意义。