宋曉艷，楊 哲，徐如夢(mèng)，邢金峰

(1.天津工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，天津 300387； 2.天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300350)

靜電紡絲是一種制備微納米纖維的常用方法。靜電紡納米纖維膜具有很高的比表面積，可調(diào)節(jié)孔隙度和孔徑等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于傷口敷料、組織工程、藥物遞送等生物醫(yī)用領(lǐng)域[1-4]。聚己內(nèi)酯、聚乳酸、纖維素、透明質(zhì)酸等生物材料都可以通過靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維膜。透明質(zhì)酸(HA)是由D-葡萄糖醛酸和N-乙酰-D-葡糖胺二糖單元組成的天然線性多糖，是細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的重要組成部分[5]。由于HA具有優(yōu)異的生物相容性、可降解性，被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，但是HA易溶于水、降解速度較快且黏彈性很高，可紡性較差，所以很多研究中通過對(duì)其改性或與其他物質(zhì)混合來提高可紡性和耐水溶性。Takahashi等[6]分別用疊氮基和環(huán)辛基修飾HA，使其在PBS中降解時(shí)間超過14 d，提高了HA的耐水溶性；Ma等[7]將HA與殼聚糖混紡制備具有核殼結(jié)構(gòu)的纖維，HA為核，提高了HA的可紡性和耐水溶性。

聚乙烯醇-苯乙烯吡啶(PVA-SBQ)是一種新型光敏高分子材料，在紫外光輻照下會(huì)發(fā)生交聯(lián)形成具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合物。由于PVA-SBQ具有良好的生物相容性、儲(chǔ)存性能和光敏性，被廣泛的用作光交聯(lián)材料[8]。Tao等[9]利用PVA-SBQ與透明質(zhì)酸成膜來提高透明質(zhì)酸膜的耐水溶性，Liu等[10]對(duì)PVA-SBQ與PVA的電轉(zhuǎn)移進(jìn)行了研究，并應(yīng)用于藥物遞送。

5-氟尿嘧啶(5-FU)是一種抗癌藥物，對(duì)實(shí)體腫瘤具有廣泛的活性，可用于乳腺癌、結(jié)直腸癌等惡性腫瘤的治療[11-14]。但是5-FU在體內(nèi)裸釋速度較快且副作用嚴(yán)重，因此研究合適的給藥載體，降低5-FU的釋放速度具有重要的意義。

本研究利用甲基丙烯酸縮水甘油酯對(duì)透明質(zhì)酸進(jìn)行改性得到帶雙鍵的GMHA，GMHA和PVA-SBQ均可在紫外光下發(fā)生交聯(lián)，形成復(fù)合纖維網(wǎng)絡(luò)。采用靜電紡絲技術(shù)制備了PVA-SBQ/GMHA纖維膜，并通過紫外光交聯(lián)形成復(fù)合纖維膜，對(duì)輻照交聯(lián)的最適宜時(shí)間以及交聯(lián)前后纖維膜的耐水溶性、不同環(huán)境下的溶脹性能和藥物釋放進(jìn)行了研究，表明交聯(lián)后的纖維膜的耐水溶性和藥物緩釋性能都有明顯的改善。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)，分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；透明質(zhì)酸(HA)，分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；聚乙烯醇-苯乙烯吡啶鹽(PVA-SBQ)，168-H型，上海光毅印刷器材科技有限公司；2-羥基-4′-(2-羥乙氧基)-2-甲基苯丙酮(I2959)，分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；5-氟尿嘧啶(5-FU)，分析純，上海晶純生化科技股份有限公司；鹽酸(37%水溶液)，天津光復(fù)科技發(fā)展有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

電導(dǎo)率儀，METTLER TOLED FE38，梅特勒-托利多國(guó)際貿(mào)易(上海)有限公司；傅里葉紅外光譜儀(FT-IR)，Nicolet iS50，賽默飛世爾科技公司；冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)，Hitachi S-4800，日本HITACHI公司；透射電子顯微鏡(TEM)，Hitachi H7650，日本HITACHI公司；紫外分光光度計(jì)，Lambda35，PerkinElmer公司。

1.3 樣品制備

1.3.1 GMHA的合成

取1 g HA溶于100 mL蒸餾水中，加入2.2 mL三乙胺、2.2 mL GMA、2.2 g四丁基溴化銨，反應(yīng)24 h，將產(chǎn)物在蒸餾水中透析48 h，冷凍干燥得到GMHA樣品[15]。

1.3.2 PVA-SBQ/GMHA纖維膜的制備

將一定質(zhì)量的PVA-SBQ在90 ℃下完全溶解于水配制5 mL濃度為40%的溶液，加入0.01 g GMHA，制備PVA-SBQ/GMHA的紡絲液。在電壓20 kV、接收距離20 cm、給料速率1.0 mL/h的條件下靜電紡得到PVA-SBQ/GMHA纖維膜。在PVA-SBQ/GMHA紡絲液中加入1.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的5-氟尿嘧啶，在相同的紡絲條件下制備載藥PVA-SBQ/GMHA纖維膜。

1.4 結(jié)構(gòu)表征與性能測(cè)試

1.4.1 FT-IR分析

將研磨后的GMHA、HA樣品和溴化鉀混合、壓片，用傅里葉紅外光譜儀測(cè)試。

1.4.2 SEM分析

將溶脹前后的纖維膜干燥，噴金，在冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡下觀察形貌，采用X特征射線能譜儀測(cè)定纖維膜表面F元素的含量，利用軟件Nano Measurer測(cè)量纖維直徑并求其平均值。

1.4.3 紡絲液電導(dǎo)率測(cè)試

用電導(dǎo)率儀測(cè)試紡絲液的電導(dǎo)率，每種溶液重復(fù)測(cè)量3次，取平均值。

1.4.4 纖維膜溶脹比與溶失率的測(cè)定

將PVA-SBQ、未光照的以及紫外光照不同時(shí)間的PVA-SBQ/GMHA纖維膜原樣的質(zhì)量記為w0，將纖維膜原樣分別放入等體積的緩沖溶液中，每間隔2 h取出纖維膜，除去表面水分，3次稱量其質(zhì)量取平均值記為wh，將浸水后的樣品烘干至恒質(zhì)量后再次稱取其質(zhì)量記為w1，利用公式(1)求其溶脹比q1，利用公式(2)求其溶失率q2；同樣將PVA-SBQ/GMHA纖維膜分別放置于不同pH值、溫度的緩沖溶液中，按照上述方法求其溶脹比q1。

q1=wh/w0

(1)

q2=(w0-w1)/w0×100%

(2)

式(1)和式(2)中：w0為膜原樣的質(zhì)量，wh為浸水不同時(shí)間后吸水膜的質(zhì)量，w1為浸水不同時(shí)間后干燥膜的質(zhì)量。

1.4.5 纖維膜載藥釋放測(cè)試

取一定質(zhì)量的PVA-SBQ/GMHA載藥纖維膜分別放置于相同體積的緩沖溶液中進(jìn)行藥物釋放測(cè)試，在不同的時(shí)間間隔內(nèi)量取5 mL的藥物釋放溶液于比色皿中，在波長(zhǎng)為267 nm處測(cè)量溶液的吸光度，然后將溶液倒回。根據(jù)所測(cè)量的吸光度和5-FU的標(biāo)準(zhǔn)釋放曲線，計(jì)算不同時(shí)間藥物的累積釋放量，結(jié)合纖維膜中藥物的理論含量求出藥物的累積釋放百分比[16]。

樣品纖維膜的理論載藥量：

m=m1a/(a+b+c)

(3)

式(3)中：m為纖維膜中藥物的理論含量；m1為樣品纖維膜的質(zhì)量；a為紡絲液中藥物的質(zhì)量；b為紡絲液中GMHA的質(zhì)量；c為紡絲液中PVA-SBQ的質(zhì)量。

釋放藥物累積百分比：

p=mt/m×100%

(4)

式(4)中：p為藥物累積釋放百分比；mt為藥物累積釋放量；m為載藥纖維膜樣品的理論載藥量。

2 結(jié)果與討論

2.1 透明質(zhì)酸的修飾

圖1為HA與GMHA的紅外譜圖。

圖1 HA與GMHA的紅外光譜Fig.1 FTIR spectra of HA and GMHA powders

2.2 形貌分析

圖2是未載藥及載藥1.0%和2.5%的PVA-SBQ/GMHA纖維膜的掃描電鏡、纖維直徑分布及EDX元素分析圖。隨著藥物含量增加，PVA-SBQ/GMHA纖維平均直徑有所減小，原因是在紡絲溶液中加入藥物后電導(dǎo)率增加(如表1所示)，導(dǎo)致紡絲過程中流體受到的電場(chǎng)力增大，纖維直徑減小[18-20]。載藥1.0%的PVA-SBQ/GMHA纖維膜表面出現(xiàn)少量藥物聚集，而加入2.5%藥后，有很多紡錘狀PVA-SBQ/GMHA纖維出現(xiàn)，并且纖維膜表面出現(xiàn)了藥物顆粒，其主要原因是5-FU在溶劑中的溶解度的限制，當(dāng)載藥量為1.0%時(shí)藥物可以完全溶解，由于紡絲過程中溶劑揮發(fā)，部分5-FU裸露在纖維表面，當(dāng)載藥量增加到2.5%時(shí)，部分5-FU以顆粒的狀態(tài)存在于紡絲溶液中，影響紡絲并在紡絲過程中直接附著在纖維表面[21-22]。EDX能譜測(cè)試結(jié)果也證明了這一點(diǎn)，載藥前的纖維膜表面有微量的F元素存在，1.0%的載藥纖維膜表面有少量的F元素存在，而2.5%的載藥纖維膜表面有較多的F元素存在。

表1 不同載藥量PVA-SBQ/GMHA紡絲液的電導(dǎo)率Table 1 Conductivity of PVA-SBQ/GMHA spinning solution with different drug loadings

圖2 PVA-SBQ/GMHA 纖維膜掃描電鏡及纖維直徑分布圖Fig.2 EDX and SEM of PVA-SBQ/GMHA fiber membrane

圖3是不同光照時(shí)間下的PVA-SBQ/GMHA纖維膜在水中溶脹后的掃描電鏡圖。

由圖3中可以看出未光照的纖維膜在浸水的瞬間發(fā)生溶解，纖維形貌消失；而經(jīng)過紫外光輻射之后，浸水的纖維發(fā)生溶脹，仍能保留纖維的形貌，并且隨光照時(shí)間的增長(zhǎng)，浸水后纖維的形貌越明顯，這是由于在光照條件下水溶性的PVA-SBQ/GMHA纖維發(fā)生交聯(lián)，且隨時(shí)間的增長(zhǎng)交聯(lián)程度增加，溶解度降低[23-24]；然而當(dāng)光照時(shí)間達(dá)2.0 h時(shí)，浸水后的纖維膜纖維形貌消失，這是因?yàn)楣庹諘r(shí)間較長(zhǎng)時(shí)透明質(zhì)酸發(fā)生降解，交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)破壞，纖維膜的耐水性變差[25-28]，纖維形貌破壞。對(duì)比發(fā)現(xiàn)當(dāng)紫外光照射時(shí)長(zhǎng)為1.0 h時(shí)，溶脹后的PVA-SBQ/GMHA纖維膜形貌最好。

圖3 不同光照時(shí)間下的纖維膜浸水后的SEM圖Fig.3 SEM image of fiber membrane immersed in water for half an hour under different illumination time

2.3 溶脹比分析

圖4是PVA-SBQ、PVA-SBQ/GMHA纖維膜溶脹曲線。

由圖4中可以看出，加入GMHA之后纖維膜的溶脹比有所增加，這是由于GMHA分子鏈中含有大量的親水基團(tuán)，如—COOH和—OH等，可以與水分子以氫鍵的形式結(jié)合，提高了纖維膜的溶脹比，然而纖維膜中GMHA的含量較少，所以溶脹比變化較小。

圖4 PVA-SBQ和PVA-SBQ/GMHA纖維膜溶脹曲線Fig.4 Swelling curve of PVA-SBQ and PVA-SBQ/GMHA

圖5是紫外光照不同時(shí)間下的PVA-SBQ/GMHA纖維膜的溶脹曲線。

圖5 紫外光照不同時(shí)間下的PVA-SBQ/GMHA纖維膜的溶脹曲線Fig.5 Swelling curve of PVA-SBQ/GMHA fiber membrane under different illumination time

與圖4中PVA-SBQ/GMHA纖維膜溶脹曲線對(duì)比，發(fā)現(xiàn)浸水4.0 h時(shí)紫外光照時(shí)間為0.5 h時(shí)纖維膜的溶脹比略高于未光照的纖維膜，這是因?yàn)槲垂庹諘r(shí)纖維內(nèi)的GMHA分子溶于水，纖維膜的吸水能力下降，紫外光照射0.5 h時(shí)，纖維內(nèi)的PVA-SBQ、GMHA發(fā)生交聯(lián)，纖維膜的溶解度下降；當(dāng)紫外光照時(shí)間繼續(xù)增加，纖維膜的溶脹比隨光照時(shí)間的增長(zhǎng)而降低，因?yàn)樽贤夤庹諘r(shí)間越長(zhǎng)，交聯(lián)程度越高，水分子進(jìn)入膜內(nèi)部的難度增加；然而光交聯(lián)的時(shí)間超過2.0 h后，纖維膜的溶脹比增加，這是因?yàn)樽贤夤庹諘r(shí)間過長(zhǎng)，透明質(zhì)酸降解[25-28]，交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)破裂，水分子易與纖維膜中親水基團(tuán)結(jié)合。圖6是紫外光照不同時(shí)間下的PVA-SBQ/GMHA纖維膜的溶失率曲線。

圖6 紫外光照不同時(shí)間下的PVA-SBQ/GMHA纖維膜的溶失率Fig.6 Dissolution ratio of PVA-SBQ/GMHA fiber membrane under different illumination time

圖6中曲線顯示，纖維膜的溶失率隨著紫外光照時(shí)間的增長(zhǎng)而降低，當(dāng)光照時(shí)長(zhǎng)超過2.0 h時(shí)，溶失率上升，此規(guī)律與掃描電鏡的結(jié)果一致。

圖7a)是不同溫度下的PVA-SBQ/GMHA溶脹曲線，溫度越高纖維膜的溶脹比越低。當(dāng)溫度較低時(shí)透明質(zhì)酸峰分子鏈呈伸展結(jié)構(gòu)，鏈上的親水基團(tuán)與水分子形成氫鍵，溶脹度較高；當(dāng)溫度升高時(shí)分子的布朗運(yùn)動(dòng)加快，氫鍵斷裂，溶脹度降低。圖7b)是不同pH值下的PVA-SBQ/GMHA纖維膜的溶脹曲線，當(dāng)pH值為2.2時(shí)纖維膜的溶脹度比7.2時(shí)略小，當(dāng)pH值較低時(shí)，溶液中的—NH2和—OH基團(tuán)易發(fā)生質(zhì)子化帶正電荷，被溶液中的H+和Cl-屏蔽，使纖維膜的溶脹度減??；當(dāng)pH值為7.2時(shí)，溶液中Cl-的含量減少，屏蔽作用減弱，溶脹度增加[29]。

圖7 a)不同溫度下和b)不同pH值下的PVA-SBQ/GMHA溶脹曲線Fig.7 Swelling curves of PVA-SBQ under a)different temperatures and b)different pHs

2.4 PVA-SBQ/GMHA載藥纖維膜對(duì)5-FU的釋放研究

圖8是5-FU裸釋、載藥1.0%的PVA-SBQ/GMHA纖維膜光交聯(lián)前后載藥釋放曲線。

圖8 5-FU裸釋和光交聯(lián)前后PVA-SBQ/GMHA纖維膜載藥釋放曲線Fig.8 Drug release curves of 5-furacil bare release, unilluminated and illuminated PVA-SBQ/GMHA fiber membrane

當(dāng)5-FU藥物裸釋時(shí)，藥物的累積釋放量在10 h內(nèi)就超過了90%，藥物的釋放速率較快，易造成浪費(fèi)，且對(duì)人體傷害較大；而未光交聯(lián)的1.0%載藥PVA-SBQ/GMHA纖維膜，在10 h內(nèi)的累積釋放率在64%，之后釋放速率減緩，持續(xù)釋放至36 h，累積釋放量為72%；光交聯(lián)的1.0%載藥PVA-SBQ/GMHA纖維膜，在10 h內(nèi)的累積釋放率在46%，緩慢釋放至72 h，累積釋放量為68%，由于纖維表面藥物的殘留和部分纖維的溶解與溶脹導(dǎo)致前10 h的釋放速度較快，之后藥物的釋放以纖維膜降解為主[28]。對(duì)比3條曲線，PVA-SBQ/GMHA纖維膜載藥釋放速率相較于裸釋有所減緩，而光交聯(lián)之后的纖維膜緩釋效果更為明顯。

圖9a)是PVA-SBQ/GMHA纖維膜在不同溫度下的藥物釋放曲線，隨著環(huán)境溫度的升高藥物的釋放速度與累積釋放率均有所下降。藥物的釋放過程受纖維溶脹和溶解的影響，圖9b)是PVA-SBQ/GMHA纖維膜在不同pH值下的藥物累積釋放曲線。

圖9 a)PVA-SBQ/GMHA纖維膜在不同溫度、b)不同pH值下的藥物釋放曲線Fig.9 Drug release curve of PVA-SBQ/GMHA fiber membrane under different a) temperatures and b) pH

由圖9a)可知，纖維膜的溶脹比隨溫度的升高而降低，因此藥物的釋放速度與累積釋放率降低。由圖9b)可知，在pH值為2.2時(shí)藥物的釋放速度與累積釋放率比pH值為7.2時(shí)略低，這是因?yàn)槔w維膜在pH值為2.2時(shí)的溶脹比小于在pH值為7.2時(shí)的溶脹比[30]。

3 結(jié)論

采用靜電紡制備了PVA-SBQ/GMHA復(fù)合納米纖維，在紫外光照射下得到光交聯(lián)復(fù)合納米纖維膜。通過SEM研究了紫外光照不同時(shí)間下復(fù)合納米纖維溶脹前后的形貌，光照1.0 h效果最佳。PVA-SBQ/GMHA纖維膜的溶脹比隨著溫度增加而降低，pH值為2.2時(shí)溶脹度比pH值為7.2時(shí)小。相對(duì)于藥物裸釋和未交聯(lián)纖維膜，光交聯(lián)的載藥PVA-SBQ/GMHA纖維膜藥物釋放相對(duì)平緩，在10 h內(nèi)的累積釋放率大約40%。累積釋放率隨著溫度升高而降低，pH值為2.2時(shí)小于pH值為7.2時(shí)的累積釋放率，這和PVA-SBQ/GMHA纖維膜溶脹比的變化規(guī)律相一致。