负载紫杉醇复合纳米纤维膜的制备与理化性能研究

摘要：为减少抗肿瘤药物紫杉醇的毒性，增强疗效，采用静电纺丝技术制备出一种新型药物剂型即紫杉醇/聚乳酸复合纳米纤维膜，运用现代分析仪器对复合纳米纤维膜的形貌、化学结构变化、结晶形态以及动态接触角等理化性能进行了测试，结果表明：复合纳米纤维直径较细，形貌良好。其中，未添加药物的纳米纤维平均直径为593.2±160.4nm，随着药物质量分数的增加，纤维平均直径进一步降低，当药物质量分数为15%时，纤维平均直径降至392.4±185.4nm。药物以无定型状态存在于纤维膜中，化学性质没有改变。复合纳米纤维膜呈拒水性质，所含药物质量分数与拒水性间呈正相关性。

关键词：复合纳米纤维膜；理化性能；紫杉醇；静电纺丝；质量分数

中图分类号：TS171文献标志码：A文章编号：2095－414X（2024）05－0066－05

0引言

紫杉醇（Paclitaxel，PTX）是世界公认最有效的广谱抗肿瘤药物之一，主要来源于红豆杉属的植物，其作用机制独特，能促进微管形成和稳定，抑制癌细胞的有丝分裂，诱导细胞凋亡，对多种实体瘤有效，被广泛应用于肺癌、乳腺癌和卵巢癌的化疗[1-2]。但紫杉醇水溶性差，存在剂量依赖毒性，易产生骨髓抑制、神经毒性、胃肠道反应以及肌肉疼痛等不良反应，使其应用受到严重限制[3-5]。为了提高紫杉醇制剂的临床疗效及安全性，改变其剂型就显得十分必要和迫切。

静电纺丝技术所制备的纳米纤维一般具有比表面积大、孔隙率高等特点，已广泛应用于生物医药领域[6]。通过将药物加入纺丝液中，制备出载药纳米纤维，实现对药物的缓慢、控制释放，进而达到降低药物毒性、减少服药次数、提高药物生物利用度的目的，目前已成为国内外学者广泛研究的热点问题[7-9]。如国外学者Hosseini以抗抑郁药物氯丙咪嗪为对象，以聚乙烯醇（PVA）为基材，制备出复合纳米纤维膜，研究了该药物的释放规律[10]。国内吴焕岭[11]等以聚乳酸-羟基乙酸共聚物[poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA]为基材，以阿霉素（DOX）为模型药，运用静电纺丝技术制备出复合纳米纤维膜，对药物的释放性能进行了探究。李亮[12]则以常用的抗生素阿莫西林为模型药，以聚乳酸为载体，对其进行静电纺丝制备出一种载药敷料，研究结果表明该敷料对金黄色葡萄球菌具有良好的抗菌性能。众多学者开展的相关研究，大都以载药纳米纤维膜的药物释放性能为研究重点，对负载药物的化学结构、结晶状态、亲水性等一系列理化性能研究偏少。本文以静电纺载药纳米纤维膜的理化性能分析为研究对象，采用生物可降解的高分子材料聚乳酸[poly（lactic acid），PLA]为载体，对抗肿瘤药物紫杉醇运用静电纺丝技术制备出PTX/PLA复合纳米纤维膜，使用扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶红外光谱仪（FT-IR）、X-射线衍射仪（XRD）、表面/界面张力仪分别对复合纤维膜的形貌特征、化学结构变化、结晶形态以及拒水性进行分析，探讨这种新型药物剂型物理、化学方面的性质，为后续临床应用性能的改善提供依据。

1实验

1.1实验材料及设备

1.1.1实验材料

材料：聚乳酸（PLA，Mw=60000），上海创赛科技有限公司；二氯甲烷（DCM）、N-N二甲基甲酰胺（DMF），分析纯，国药集团化学试剂有限公司;紫杉醇（纯度≥99%），成都德思特生物技术有限公司；司班80（SP-80），分析纯，广州羽萱生物科技有限公司。

1.1.2实验仪器设备

扫描电子显微镜（S-4800），日本HITACHI公司；傅立叶变换红外光谱仪（IRPrestige-21），日本Shimadz公司；X射线（粉末）（D8系列）衍射仪，德国Bruker公司；表面/界面张力仪（DCAT11），德国Dataphysics公司；静电纺丝机（TL-0123），中国深圳市通力微纳科技有限公司。

1.2负载紫杉醇复合纳米纤维膜的制备及性能测试1.2.1负载紫杉醇复合纳米纤维膜的制备

经过前期预实验，已摸索出合适的溶剂组成，即采用二氯甲烷（DCM）与N-N二甲基甲酰胺（DMF）的混合溶剂体系（DCM/DMF的质量比为3：1）。称取经过烘干处理的一定质量的PLA，为增加其在混合溶剂中的溶解性能，添加质量分数为2%SP-80作为增溶剂，配制浓度为8%的PLA纺丝液。运用磁力搅拌器搅拌10 h左右，形成分散均匀的纺丝溶液。取5ml纺丝液加入到注射器中，放置于纺丝机推进器中，设置纺丝参数为：室温、20kv的纺丝电压、0.5mL/h的纺丝流量、17cm的接收距离、80m/s的接收辊转动线速度。静电纺丝30min，用于扫描电镜分析。同样条件下，静电纺9h后取出纤维膜，置于烘箱中烘干用于理化性能分析。

称取一定质量的紫杉醇粉末溶解在相同的溶剂体系中，分别配制紫杉醇质量分数为5%、10%、15%的纺丝液。在相同条件下进行静电纺丝，取样分析。

1.2.2纤维形貌观察

将样品裁剪成3cm×3cm的规格，表面喷金100s后置于电镜中观察分析。设置测试条件为：10 kV的加速电压，10 mA的加速电流。对电镜图片中的任意30根纤维，运用Image J软件测量其直径值，分析平均直径及其分布情况。

1.2.3性能测试

将纤维膜剪碎，采用KBr压片法，运用傅立叶变换红外光谱仪，对复合纳米纤维膜进行化学结构分析；取一定量的纤维膜放入测试管中，选择Cu靶、Kα射线、40KV的管电压、40mA的电流，运用X射线衍射仪对复合纳米纤维膜的物相进行分析。将纤维膜裁剪成50mm×10mm（长×宽）的条状，在恒温恒湿条件（T=20℃，RH=65%）下平衡24h后，利用表面/界面张力仪对其进行拒水性分析。

2结果与分析

2.1不同质量分数的紫杉醇/PLA扫描电镜形貌分析采用扫描电镜观察到的复合纳米纤维形貌及直径分

布情况见图1。图1（a）、（e）为纯PLA纳米纤维形貌与直径分布图。如图所示，纤维形态完整，呈现清晰的网状交织结构。通过ImageJ软件分析可知，纤维平均直径为593.2±160.4nm。当添加质量分数为5%的紫杉醇药物后，纤维平均直径变细，而且离散性增加，如图1（b）、（f）所示。当药物质量分数达到15%时，复合纳米纤维表面仍保持较好的光滑度，形貌良好，但是纤维平均直径却下降至392.4±185.4nm，并且出现了部分纤维粘连的现象。

根据文献[13]可知，静电纺喷射细流半径与通过纺丝液射流中的电流、射流流动速率以及射流表面电荷分布等有关，满足的关系式如公式（1）、（2）所示：

式（1）、（2）中的符号含义如下：I—通过纺丝液射流中的电流，Q—射流的流动速率，E—静电场的电场强度，ρ—射流的流体密度，r—静电纺喷射细流的半径，z—以喷头为原点指向接受装置的纵向坐标。其中β和a是常数，δ也是一个常数，其数值大小与高聚物溶液的电导率和浓度呈正相关。假设静电纺丝时射流流动速率Q保持不变，通过纺丝液射流中的电流I就取决于δ的大小了。如公式（2）所示，当δ增大时，I随之增大。根据公式（1）可知，射流喷射细流半径就会减小，收集到的纤维直径随之减小。本实验中，当小分子药物的质量分数增加后，纺丝液的电导率随之增加，δ的增大使得通过纺丝液射流中的电流I增大，纤维平均直径因而变细且纺丝过程中的不稳定现象随之加剧[14]。另一方面，在同样的溶液浓度下，药物质量分数的增加使得成纤高聚物PLA的含量相对减少，纤维平均直径也将随之变细。

2.2红外光谱分析

图2是样品的红外光谱图中，其中，a图是PLA纳米纤维膜的红外光谱图，b图是添加了质量分数为15%的紫杉醇复合纳米纤维膜红外光谱图。a图中3453 cm-1处的宽峰是-OH的伸缩振动，3000 cm-1的弱峰是-CH3不对称伸缩振动峰，1653cm-1处的特征峰是-C=O的不对称双键伸缩振动峰，证实了静电纺丝后聚乳酸的化学结构并没有发生改变。b图中708 cm-1的特征峰是紫杉醇分子结构式中苯环取代区-CH面外弯曲振动峰，1246 cm-1处的峰同样是紫杉醇中芳香环化后C-H振动吸收峰，1709 cm-1处的特征峰是聚乳酸分子结构式中-C=O的振动吸收峰，3483 cm-1处的强峰是-OH的伸缩振动峰。因此，所制备的复合纳米纤维膜中既含有药物紫杉醇的特征峰又含有载体聚乳酸的特征峰，除此之外再无新的特征峰，这就说明药物与载体聚乳酸之间并没有发生化学反应，药物性质得以保留。究其原因，是因为静电纺丝技术只是一种物理加工技术，不会改变物质的原有化学结构[15-16]。

2.3 XRD分析

图3中，a、b、c、d图分别是紫杉醇质量分数为0、5%、10%、15%的样品X射线衍射图。如图所示，这4张X射线衍射图的外观完全一样，都是在2θ为15°、23°、27°有较强的衍射峰，而在其他各处并没有出现新的衍射峰，查阅文献可知[17]，纯品紫杉醇的X射线衍射图在5.8°、9.1°、12.56°等处均有强峰，且峰高而尖锐，但是这些峰在复合纳米纤维膜中都没有出现，这说明紫杉醇药物是以无定形状态存在于载体聚乳酸中的。就其原因，可能是静电纺丝的速度较快，在极短的时间内纤维被伸直拉长，高聚物的分子链和小分子的紫杉醇药物来不及高度取向排列，从而无法形成晶体结构所致。

2.4拒水性能分析

利用表面/界面张力仪测得的复合纳米纤维膜前进角和后退角的值如表1所示。当紫杉醇的质量分数为0时，所纺的纤维膜前进角为84.7°，后退角为73.4°。当加入抗肿瘤药物紫杉醇后，复合纳米纤维膜的前进角变大，后退角也变大，两者差值也在增大。随着紫杉醇质量分数的增加，这两个角度继续增大。当紫杉醇质量分数达到15%时，纤维膜的前进角增加至106.5°，后退角增加至82.0°，两者差值达到24.5°。

根据表面/界面张力仪的测量原理，可知接触角的大小可以由固-液-气接触线上界面张力平衡求得：

即σsg-σsl=σlg cos θ，由此可以求得：

式中θ、σlg、σsg、σsl分别为接触角、液-气、固-气及固-液界面的界面张力，这就是著名的Young方程[18]。Young方程是理想状态下的方程，被测固体的表面是理想的光滑表面，因而测出的接触角是唯一值[19]。但是，大多数情况下，固体表面都是有一定粗糙度的，此时的接触角与Young方程中的接触角并不一致。

为解决这一问题，有学者[20]指出，当液滴置于粗糙表面时，在固-液-气接触线上必然存在一个由于固体表面粗糙引起的附加力作用。这个附加力具有静摩擦力的性质，称之为滞后阻力f，定义为固-液-气接触线上单位长度上的滞后阻力，f>0且方向和σsl方向一致。因此，液滴在粗糙固体表面的受力情况发生了改变，受力示意图如图4所示。根据热力学平衡条件，可进一步导出下列关系式：

为后退角

因此，粗糙表面的固体接触角可分为前进角和后退角，两者差值随固体表面粗糙度的增大而增加。本实验中，复合纳米纤维膜前进角大于90°，表明该膜具有拒水性，这是因为PLA分子结构式中没有亲水性基团所致。当纳米纤维复合体系中添加了拒水性的药物后，纺丝溶液导电性进一步增加，使得纺丝不稳定性加剧，引起纳米纤维膜表面粗糙度增加，前进角进一步随之加大。药物质量分数越高，复合纳米纤维膜的前进角就越大，其拒水性也进一步增强。本实验中复合纳米纤维膜的拒水性随药物质量分数的增加而增强，表明这种药物新剂型不容易吸湿变性，能够保存更长时间，这对于其临床应用价值的提升具有积极意义。

3结论

（1）通过静电纺丝技术将抗癌药物紫杉醇负载于聚乳酸纳米纤维膜中，随着药物质量分数的增加，形成的纤维平均直径变细，分布趋于紊乱，但纤维表面仍保持较好的光滑度，形貌良好。

（2）FTIR结果显示，在静电纺丝过程中，紫杉醇并没有与聚乳酸发生化学反应，药物性能保持不变。XRD结果表明，紫杉醇在复合纤维膜中以无定型状态存在。表面/界面张力仪测试结果显示，加入药物后，复合纳米纤维膜的拒水性进一步增加。

（3）静电纺丝技术制备的载药纳米纤维膜是一种新型药物剂型，理化性能优良，具有良好的临床应用前景。

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Research on Preparation and Physicochemical Properties of Paclitaxel Loaded Composite Nanofiber Membranes

WANG Juan1，WEI Anfang2，ZHANG Xianyan2

（1.School of Pharmacy，Wannan Medical College，WuhuAnHui 241002，China;

2.Anhui Laboratory of Functional Coordinated Complexes for Materials Chemistry and Application，WuhuAnHui 241002，China）

Abstract：In order to reduce the toxicity of anti-tumor drug Paclitaxel and enhance its curative effect，a new drug dosage form that is pacli-taxel/poly（lactic acid）composite nanofiber film is prepared by electrospinning technology.Modern analytical instruments are used to test the morphology，chemical structure changes，crystal morphology and Dynamic Contact Angle of the composite nanofiber film.The results show that the composite nanofibers have fine diameters and good morphology.The average diameter of nanofiber without drug addition is 593.2±160.4nm，and with the increase of drug mass fraction，the average fiber diameter further decreases and when the drug mass fraction is 15%，the average fiber diameter drops to 392.4±185.4nm.The drug exists in the fiber membrane in an amorphous state，and there is no chemical reaction between the drug and the carrier poly（lactic acid）.The composite nanofiber membrane shows water repellent properties，and the drug mass fraction is positively correlated with water repellency of the composite.

Keywords：composite nanofiber membrane;physicochemical properties;Paclitaxel;Electrospinning;mass fraction

（责任编辑：李强）