彭 曉， 丁 辛， b， 林 剛， 胡吉永， b， 楊旭東， b

(東華大學(xué) a. 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b. 紡織學(xué)院，上海 201620)

乳化劑Span 80對乳液靜電紡PCL纖維擔(dān)載鹽酸四環(huán)素能力的影響

彭 曉a， 丁 辛a， b， 林 剛a， 胡吉永a， b， 楊旭東a， b

(東華大學(xué) a. 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b. 紡織學(xué)院，上海 201620)

以高聚物聚己內(nèi)酯(PCL)溶解在三氯甲烷中作為油相，水溶性鹽酸四環(huán)素(Tet)溶解在蒸餾水中作為水相，加入不同質(zhì)量的失水山梨糖醇單油酸酯(Span 80)作為乳化劑，利用乳液靜電紡絲制備皮芯結(jié)構(gòu)的PCL/Tet載藥纖維.觀察纖維形貌、纖維內(nèi)部Tet的分布情況和皮芯結(jié)構(gòu)形成，計(jì)算纖維載藥量和包封率，研究Span 80對纖維擔(dān)載Tet能力的影響.研究結(jié)果表明：不加Span 80的乳液制備的PCL/Tet載藥纖維膜具有很低的載藥量和包封率，Span 80質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.5%～2.0%內(nèi)，纖維具有完整的皮芯結(jié)構(gòu)，藥物被包裹在纖維芯層；隨著Span 80質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，纖維的皮層厚度有增加的傾向，芯層的藥物減少，纖維的載藥量和包封率則下降.

聚己內(nèi)酯； 鹽酸四環(huán)素； 乳液靜電紡絲； 載藥纖維； 載藥量； 包封率

乳液靜電紡纖維載藥支架，作為一種新型的載藥手段被廣泛關(guān)注.采用油包水(W/O)[1]或水包油(O/W)[2]的乳液，通過靜電紡能夠得到皮芯結(jié)構(gòu)的納米纖維，同時保證包埋在芯層藥物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和生物活性.目前應(yīng)用乳液靜電紡已經(jīng)成功包埋了蛋白質(zhì)、抗生素、核酸和抗癌類等藥物[3-8].

提高纖維的藥物擔(dān)載能力是乳液靜電紡載藥的主要挑戰(zhàn)之一，衡量纖維擔(dān)載藥物能力的指標(biāo)是載藥量和包封率.纖維對藥物的擔(dān)載能力取決于藥物與高聚物纖維的親和性、藥物在纖維中的分布以及纖維結(jié)構(gòu)完整性等因素.纖維擔(dān)載藥物效果與聚合物、藥物、紡絲工藝等相關(guān).利用乳液靜電紡制備聚己內(nèi)酯(PCL)/鹽酸四環(huán)素(Tet)藥物支架，文獻(xiàn)[9]討論了水油相體積比和水相藥物濃度兩個參數(shù)對于乳液靜電紡PCL纖維擔(dān)載Tet能力的影響，結(jié)果表明，隨著水油相體積比的增加，載藥量增加，但包封率有所下降，而增加水相藥物濃度，也導(dǎo)致載藥量增加和包封率的下降.文獻(xiàn)[10]以溶菌酶為模型藥物，改變高聚物種類、輔料添加劑類型以及調(diào)節(jié)水油相比例等參數(shù)，利用乳液靜電紡制備不同皮芯結(jié)構(gòu)纖維，結(jié)果表明，選用合適的高聚物、加入輔料以及合適的水油相比例可以提高包封率.乳化劑是形成乳液必不可少的添加劑，目前主要研究乳化劑對高聚物溶液性能(黏度、導(dǎo)電率、表面張力等)以及纖維形貌性能的影響[11]，而關(guān)于乳化劑對乳液靜電紡纖維擔(dān)載藥物能力的影響研究較少.本文將以PCL溶解在三氯甲烷中作為油相，Tet溶解在蒸餾水中作為水相，以失水山梨糖醇單油酸酯(Span 80)作為乳化劑，利用乳液靜電紡絲技術(shù)制備PCL/Tet載藥纖維，討論乳化劑Span 80質(zhì)量分?jǐn)?shù)對纖維擔(dān)載藥物能力的影響.

1 試 驗(yàn)

1.1 材料和藥品

PCL(相對分子質(zhì)量為80 000，美國Sigma-Aldrich公司)，Tet(USP級別，上海生工生物公司)，Span 80(新加坡Sigma公司)，三氯甲烷(上海凌峰化學(xué)試劑有限公司)，人工唾液參照文獻(xiàn)[12]配制，利用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的HCl調(diào)節(jié)pH值至6.8±1.

1.2 紡絲乳液的準(zhǔn)備

取400 mg的 PCL加入到5 mL的三氯甲烷中作為油相，恒溫磁力攪拌2 h.將Tet溶解在蒸餾水中作為水相，質(zhì)量濃度為10 g/L，取0.25 mL逐滴加入到高聚物溶液中，使V(水相)∶V(油相)=1∶20.隨后向混合溶液中加入不同質(zhì)量的Span 80作為乳化劑，配置不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Span 80溶液.將混合溶液放置在冰浴中，利用超聲探針在20%的振幅下超聲震蕩5 min后，得到穩(wěn)定均勻的乳液.

1.3 紡絲工藝參數(shù)

使用2.5 mL的注射器和18 G平口不銹鋼針頭，紡絲電壓為16 kV，紡絲速度為1.0 mL/h，接收距離為12 cm.環(huán)境溫度為25～27 ℃，相對濕度為45%～50%.

1.4 載藥量和包封率測量

借用藥典中對載藥量和包封率的定義，但本文反映的是纖維芯層中包埋的藥物含量，為了準(zhǔn)確計(jì)算包埋在纖維芯部的藥物比例，測試前應(yīng)去除纖維表面的藥物.取一定質(zhì)量纖維膜，利用人工唾液緩沖液沖洗纖維表面藥物，然后將纖維膜真空隔夜烘燥.取烘干后的纖維膜20.0 mg，充分溶解在2 mL的三氯甲烷有機(jī)溶劑中，加入5 mL人工唾液緩沖液，超聲振蕩至藥物全部溶解，離心(10 000 r/min)30 min后將上層清液吸出，用紫外-可見光分光光度計(jì)(TU-1901型)測定清液中的Tet，得到藥物的絕對含量，再換算成載藥量和包封率.每個試樣進(jìn)行3次試驗(yàn)，計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差.

2 結(jié)果與討論

2.1 Span 80的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對纖維形貌影響

Span 80質(zhì)量分?jǐn)?shù)對纖維形貌的影響如圖1所示.從圖1可以看出，當(dāng)Span 80質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0%增加至0.5%時，纖維表面的珠粒減小，逐漸得到光滑均勻的纖維.因?yàn)槿榛瘎┑募尤虢档土巳芤旱谋砻鎻埩13]，有利于連續(xù)均勻纖維的形成.因此，改變?nèi)榛瘎┑馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)能夠調(diào)節(jié)乳液靜電紡纖維的形貌.

由圖1可知，在所選擇的Span 80質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)，0.5%為可得到光滑纖維的最低Span 80質(zhì)量分?jǐn)?shù)，因此，在后續(xù)討論中將不包括Span 80質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.5%的試樣.

(a) 0%

(b) 0.2%

(c) 0.3%

(d) 0.4%

(e) 0.5%

當(dāng)Span 80質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%， 1.0%， 2.0%和4.0%時，乳液靜電紡纖維的電鏡圖和直徑分布圖如圖2所示.由圖2(a)和2(b)可以看到，所紡纖維的表面均勻光滑，其平均直徑分別為(293±112)和(276±91)nm.由圖2(c)可知，當(dāng)Span 80質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時，纖維間出現(xiàn)粘連現(xiàn)象，纖維表面產(chǎn)生少許珠粒，其平均直徑為(311±170)nm.由圖2(d)可知，當(dāng)Span 80質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至4.0%，纖維平均直徑為(537±226)nm，且因粘連現(xiàn)象嚴(yán)重，使得纖維直徑和不勻率變大.根據(jù)單因素方差分析結(jié)果，按置信水平α=0.05的標(biāo)準(zhǔn)，概率P值<0.05，說明纖維直徑在不同乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)下存在顯著性差異.

(a) 0.5%

(b) 1.0%

(c) 2.0%

(d) 4.0%

不同Span 80質(zhì)量分?jǐn)?shù)的紡絲乳液的表面張力和黏度如表1所示.

表1 不同Span 80質(zhì)量分?jǐn)?shù)的紡絲乳液表面張力和溶液黏度

由表1可知，當(dāng)Span 80質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.5%增加到1.0%時，紡絲乳液表面張力降低，在電場力作用下，射流拉伸更充分，所以乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加導(dǎo)致了纖維直徑的下降[11， 13].當(dāng)Span 80質(zhì)量分?jǐn)?shù)由1.0%增加至2.0%時，乳液表面張力略微下降，繼續(xù)增加至4.0%時，紡絲乳液表面張力幾乎不再下降[14]，此時，溶液的黏度隨著Span 80質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而略微增加[15].隨著Span 80質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，一方面，Span 80分子的疏水端部分與PCL分子間的相互作用增強(qiáng)，PCL分子鏈段局部纏結(jié)增加，使纖維直徑增加；另一方面，Span 80分子中的3個羥基以及羰基能夠與溶劑三氯甲烷分子發(fā)生氫鍵作用，導(dǎo)致溶劑揮發(fā)速率下降[16-18]，紡絲過程中溶劑揮發(fā)不完全，造成纖維拉伸不均勻和粘連，使得纖維直徑增加和不勻率增大[19-20].因此，在其他條件相同的情況下，Span 80質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)該控制在0.5%～2.0%內(nèi)，以保證良好形貌纖維的形成.

2.2 纖維皮芯結(jié)構(gòu)及對藥物的擔(dān)載

藥物在纖維中的分布對于藥物的擔(dān)載至關(guān)重要.在得到良好形貌的纖維后，需要進(jìn)一步研究纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及藥物的分布情況.在波長為440 nm光的激發(fā)下， Tet將發(fā)出綠色的熒光.乳液靜電紡PCL/Tet載藥纖維的激光共聚焦顯微鏡圖像如圖3所示.由圖3可以看出藥物分布在纖維的芯層.

(a) 熒光圖像 (b) 明場圖像

(c) 合成圖像

在保證乳液穩(wěn)定能夠滿足紡絲要求以及纖維形貌良好的前提下，選用了Span 80質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%， 1.0%和2.0%的纖維試樣，其透射電鏡圖如圖4所示.當(dāng)Span 80質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%， 1.0%和2.0%時，從圖4中測量得到纖維芯層的厚度分別為142， 115和171 nm，相應(yīng)的纖維直徑為185， 183和305 nm，可以算出纖維芯層直徑占整根纖維直徑的比率分別為76.8%， 62.8%和56.1%，皮層的厚度分別為43， 68和134 nm.由此可知，隨著Span 80質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，纖維的皮層厚度呈增加趨勢.

(a) 0.5% (b) 1.0%

(c) 2.0%

Fig.4 Transmission electron microscope images of PCL/Tet drug-loaded fibers with different mass fractions of Span 80

由于隨著Span 80質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，油/水相界面張力減弱，乳液中分散相液滴抗變形能力變?nèi)?，使得在相同電場?qiáng)度下液滴極化變形程度增大.由于氯仿溶劑的揮發(fā)產(chǎn)生兩相的黏度梯度，促使液滴合并、破乳[21-22]，液滴向芯層聚集，另外，拉伸過程中溶劑的揮發(fā)速度減小，藥物水相能夠進(jìn)一步與高聚物油相作用，所以纖維的皮層更厚.大量含有Tet的水相小液滴在纖維拉伸的過程中，遷移至纖維表面而損失，導(dǎo)致芯層藥物的減少.

2.3 纖維的載藥量和包封率

稱取恒重的Tet適量，用人工唾液稀釋定容，制成質(zhì)量濃度為0.1 g/L的貯備液，再以人工唾液緩沖液稀釋，分別制成質(zhì)量濃度為0.004～0.024 g/L(間隔0.002 g/L)的一系列Tet標(biāo)準(zhǔn)溶液，用紫外-可見光分光光度計(jì)進(jìn)行光譜掃描，波長200～400 nm內(nèi)在269和373 nm處出現(xiàn)吸收峰，根據(jù)藥典要求，選擇波長為269 nm處(吸收峰波動較小)的吸收峰.將標(biāo)準(zhǔn)Tet溶液的質(zhì)量濃度與其紫外吸收峰值的對應(yīng)關(guān)系經(jīng)過線性擬合后，可得到Tet 標(biāo)準(zhǔn)溶液的紫外吸收擬合直線如圖5所示.

圖5 波長為269 nm處Tet標(biāo)準(zhǔn)溶液的紫外吸收擬合曲線Fig.5 Fitting straight line of Tet standard solution at wavelength of 269 nm

線性擬合方程為：A=34.7C+0.001，R2=0.999 4，其中，C為Tet質(zhì)量濃度(g/L)，A為吸光度.

載藥量是指纖維膜中所包埋的藥物占纖維膜總質(zhì)量的百分比，而包封率是指纖維膜中所包埋的藥物占藥物投入量的百分比，二者的區(qū)別在于前者體現(xiàn)了纖維膜對藥物的擔(dān)載能力，而后者反映了制備過程對藥物的利用率.相應(yīng)的計(jì)算式分別為

(1)

(2)

式中：m1為測得的Tet質(zhì)量；m為纖維膜總質(zhì)量；m0為Tet投入總質(zhì)量.

為了討論乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對載藥量和包封率的影響，選用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Span 80制備的PCL/Tet載藥纖維膜，各取20.0 mg纖維膜進(jìn)行測試，得到藥物的吸光度，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線方程，得到相應(yīng)的藥物質(zhì)量濃度和藥物的絕對含量，換算成相應(yīng)的載藥量和包封率，結(jié)果如表2所示.

表2 不同Span 80質(zhì)量分?jǐn)?shù)制備的PCL/Tet載藥纖維 膜載藥量和包封率

注：經(jīng)單因素方差分析，在置信水平α=0.05下，所測得的纖維膜載藥量和包封率之間存在顯著性差異(P<0.05).

由表2可知，不加Span 80的乳液制備的PCL/Tet載藥纖維膜具有很低的載藥量和包封率，幾乎沒有應(yīng)用價(jià)值，在這里僅作為參照.由于Span 80作為兩親性分子，疏水端與高聚物PCL分子作用，親水端則與Tet分子作用，所以加入Span 80后，能夠加強(qiáng)Tet和PCL之間的作用，使得纖維具有擔(dān)載藥物的能力.然而隨著Span 80質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，纖維皮層的厚度增加，芯層藥物將減少，使得纖維膜的載藥量和包封率均降低.

3 結(jié) 語

本文通過加入不同質(zhì)量的乳化劑Span 80，利用乳液靜電紡絲技術(shù)制備了形貌良好的PCL/Tet載藥纖維，分別對該纖維的形貌、擔(dān)載藥物的能力進(jìn)行觀察和表征，得出以下結(jié)論：

(1) 隨著Span 80質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0增加至0.5%， PCL/Tet載藥纖維表面的珠粒減小，逐漸得到光滑均勻的纖維，0.5%是得到光滑纖維的最低Span 80質(zhì)量分?jǐn)?shù).Span 80質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.5%～1.0%內(nèi)，纖維表面均勻光滑，纖維直徑隨著Span 80質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小.Span 80質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時，纖維間出現(xiàn)粘連現(xiàn)象，其表面產(chǎn)生少許珠粒.當(dāng)Span 80質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至4.0%，粘連現(xiàn)象嚴(yán)重，使得纖維直徑和不勻率變大.

(2) 當(dāng)Span 80質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%, 1.0%和2.0%時，PCL/Tet載藥纖維具有完整的皮芯結(jié)構(gòu)，且藥物分布在纖維的芯層.隨著Span 80質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，纖維的皮層厚度有增加的傾向，芯層藥物相應(yīng)減少.

(3) 相比加入Span 80的纖維膜，不加Span 80的乳液制備的PCL/Tet載藥纖維膜具有很低的載藥量和包封率.當(dāng)Span 80質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%～2.0%時，隨著Span 80質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，纖維的載藥量和包封率呈下降趨勢.

[1] LI X， SU Y， ZHOU X， et al. Distribution of sorbitan monooleate in poly(l-lactide-co-ε-caprolactone) nanofibers from emulsion electrospinning[J]. Colloids and Surfaces B： Biointerfaces， 2009， 69(2)： 221-224.

[2] ANGELES M， CHENG H L， VELANKAR S S. Emulsion electrospinning： Composite fibers from drop breakup during electrospinning[J]. Polymers for Advanced Technologies， 2008， 19(7)： 728-733.

[3] DAI Y， NIU J， LIU J， et al. In situ encapsulation of laccase in microfibers by emulsion electrospinning： Preparation， characterization， and application[J]. Bioresource Technology， 2010， 101(23)： 8942-8947.

[4] LI X， ZHANG H， LI H， et al. Encapsulation of proteinase K in PELA ultrafine fibers by emulsion electrospinning： Preparation and in vitro evaluation[J]. Colloid and Polymer Science， 2010， 288(10/11)： 1113-1119.

[5] LI X， ZHANG H， LI H， et al. Self-accelerated biodegradation of electrospun poly(ethylene glycol)-poly(l-lactide) membranes by loading proteinase K[J]. Polymer Degradation and Stability， 2008， 93(3)： 618-626.

[6] SMOLEN J A. Emulsion electrospinning for producing dome-shaped structures within l-tyrosine polyurethane scaffolds for gene delivery[D]. Akron， University of Akron， 2010.

[7] YARIN A L. Coaxial electrospinning and emulsion electrospinning of core-shell fibers[J]. Polymers for Advanced Technologies， 2011， 22(3)： 310-317.

[8] ZHANG H， ZHAO C G， ZHAO Y H， et al. Electrospinning of ultrafine core/shell fibers for biomedical applications[J]. Science China Chemistry， 2010， 53(6)： 1246-1254.

[9] LIN G， HU J， DING X， et al. Effects of volume ratios of water phase to oily phase on morphology and releasing performance of emulsion electrospun fibers[J]. Journal of Donghua University(English Edition)， 2014， 31(5)：577-581.

[10] YANG Y， LI X， HE S， et al. Biodegradable ultrafine fibers with core-sheath structures for protein delivery and its optimization[J]. Polymers for Advanced Technologies， 2011， 22(12)： 1842-1850.

[11] HU J， PRABHAKARAN M P， DING X， et al. Emulsion electrospinning of polycaprolactone： Influence of surfactant type towards the scaffold properties[J]. Journal of Biomaterials Science(Polymer Edition)， 2015， 26(1)： 57-75.

[12] Determination of the colour fastness of articles for common use part 1： Test with artificial saliva: DIN 53160-1：2010[S].

[13] WANG S Q， HE J H， XU L. Non-ionic surfactants for enhancing electrospinability and for the preparation of electrospun nanofibers[J]. Polymer International， 2008， 57(9)： 1079-1082.

[14] 董國君，樊明紅，陳雨.表面活性劑與聚合物相互作用的研究[J].化學(xué)工程師，2004，102(3)：64-65.

[15] SENG W P， TAM K C， JENKINS R D. Rheological properties of model alkali-soluble associative(HASE) polymer in ionic and non-ionic surfactant solutions[J]. Colloids & Surfaces A Physicochemical & Engineering Aspects， 1999， 154(3)：365-382.

[16] 王永攀，熊杰，謝軍軍，等.非離子表面活性劑對殼聚糖靜電紡絲的影響[J].紡織學(xué)報(bào)，2009，30(7)：10-14.

[17] CHINAGLIA D L， GREGORIO R， STEFANELLO J C， et al. Influence of the solvent evaporation rate on the crystalline phases of solution-cast poly(vinylidene fluoride) films[J]. Journal of Applied Polymer Science， 2010， 116(2)： 785-791.

[18] ZIANI K， HENRIST C， JéRME C， et al. Effect of nonionic surfactant and acidity on chitosan nanofibers with different molecular weights[J]. Carbohydrate Polymers， 2011， 83(2)：470-476.

[19] YAZGAN G， POPA A M， ROSSI R M， et al. Tunable release of hydrophilic compounds from hydrophobic nanostructured fibers prepared by emulsion electrospinning[J]. Polymer， 2015， 66：268-276.

[20] 李珍，王軍.靜電紡絲可紡性影響因素的研究成果[J].合成纖維，2008，37(9)：6-11.

[21] 馮永訓(xùn)，張建，郭長會，等.電場破乳分散相液滴行為研究[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2010，24(2)：28-33.

[22] BHARDWAJ A， HARTLAND S. Kinetics of coalescence of water droplets in water-in-crude oil emulsions[J]. Journal of Dispersion Science and Technology， 1994， 15(2)： 133-146.

(責(zé)任編輯： 徐惠華)

Influence of Span 80 on Drug Loading Capability of Emulsion Electrospun PCL Fibers Loaded with Tetracycline Hydrochloride

PENGXiaoa，DINGXina， b，LINGanga，HUJiyonga， b，YANGXudonga， b

(a. Key Laboratory of Textile Science & Technology， Ministry of Education；b. College of Textiles， Donghua University， Shanghai 201620， China)

Polycaprolactone(PCL) fibers containing water-soluble drug tetracycline hydrochloride(Tet) were fabricated by emulsion electrospinning， in which PCL was dissolved in the chloroform as the oil phase and water soluble tetracycline hydrochloride was dissolved in distilled water as the water phase. Sorbitan monooleate(Span 80) as an emulsifier was added in the solution with different mass fractions.Fiber morphology， distribution of Tet in the fibers and formation of core-sheath structure were observed. Drug loading and encapsulation efficiency were calculated to study the influence of Span 80 mass fraction on drug loading capability of fibers. The results indicate that fibers without Span 80 have quite low drug loading and encapsulation efficiency. With the mass fraction of Span 80 ranged from 0.5% to 2.0%， fibers with integral core-sheath structure are obtained， and Tet is well encapsulated into the core region of the fibers. With the increase of Span 80 mass fraction， the thickness of fiber sheath increases and drug loaded in the core region of fibers decreases. Therefore， fibers’ drug loading and encapsulation efficiency decrease.

polycaprolactone； tetracycline hydrochloride； emulsion electrospinning； drug loaded fibers； drug loading； encapsulation efficiency

2015-12-01

彭 曉(1991—)，女，江西萍鄉(xiāng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)榧徔椛锊牧?Email： pengxiao9187@163.com 丁 辛(聯(lián)系人)，男，教授，xding@dhu.edu.cn

1671-0444(2017)01-0009-06

TS 101.4

A