吳海超 岳成斌 宋永明

(生物質(zhì)材料科學與技術教育部重點實驗室(東北林業(yè)大學)，哈爾濱，150040)

經(jīng)皮給藥(TDD)是一種藥物通過皮膚進入人體血液循環(huán)系統(tǒng)的給藥方式[1]，具有無創(chuàng)傷性、無“首過效應”、患者順應性好、簡單易操作等優(yōu)點[1]，作為一種新興的藥物緩釋給藥方式，具有廣闊的應用前景[2-4]。理想的經(jīng)皮給藥基體材料，應具有良好的載藥性、生物降解性、化學穩(wěn)定性、一定的機械強度和靈活性及高效的釋放效率[5]。當經(jīng)皮給藥貼片用于傷口愈合時，良好的透氣性、出色的柔韌性以及與皮膚更好的貼合性都十分重要。

熔融沉積成型(FDM)打印技術，因其打印過程無需溶劑、打印速度快，且能夠滿足經(jīng)皮給藥貼片對產(chǎn)品質(zhì)量和個性化的要求，在該領域中極具發(fā)展前景[4，6-7]。在眾多打印材料中，聚己內(nèi)酯(PCL)是一種具有良好生物相容性、生物可降解性的熱塑性聚酯，可用作生物可吸收手術縫線、藥物傳遞載體等[8-9]。另外，聚己內(nèi)酯具有加工成型溫度低的優(yōu)點，以其作為藥物載體材料可避免因加工溫度過高而引起的不耐高溫藥物的失活，在熔融沉積成型打印經(jīng)皮給藥貼片的應用中具有潛在優(yōu)勢。但通常經(jīng)過熱熔擠出和熔融沉積成型打印之后得到的經(jīng)皮給藥貼片中，藥物載體材料會形成致密的結(jié)構，將藥物包埋其中，導致藥物難以高效地釋放。通過在載體材料中添加藥物釋放改性劑，是實現(xiàn)藥物高效、可控釋放的一種有效方法[10]。纖維素及其衍生物，不僅生物相容性好、生物可降解性優(yōu)良，還具有可吸水并潤脹等特點，被廣泛用作制藥領域中的緩釋制劑輔料[10-11]。

本研究以聚己內(nèi)酯為藥物載體材料、布洛芬(IBP)為模型藥物，采用熔融沉積成型打印技術，制備具有類石墨烯層間交錯網(wǎng)絡結(jié)構的經(jīng)皮給藥貼片。對比分析微晶纖維素(MCC)、羥丙基甲基纖維素(HPMC)、乙基纖維素(EC)3種釋放改性劑對聚己內(nèi)酯基藥物復合材料的熔融沉積成型打印性能和經(jīng)皮給藥貼片藥物釋放性能的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

聚己內(nèi)酯(PCL，CAPA6800)——相對分子質(zhì)量為80 000，熔體指數(shù)(MI)為0.074 g/min(100 ℃/2.16 kg)，蘇州巴菲特工程塑料有限公司；布洛芬(IBP)——活性藥物成分，上海蓓瑯生物科技有限公司；乙基纖維素(EC)——乙氧基質(zhì)量分數(shù)為47.6%，黏度50 mPa·s，西安晉湘藥用輔料有限公司；羥丙基甲基纖維素(HPMC，60GD50)——西安晉湘藥用輔料有限公司；微晶纖維素(MCC，SH-105)——安徽山河藥用輔料有限公司；磷酸鹽緩沖溶液(PBS，XY-4308-1)——pH=7.4，大連美輪生物技術有限公司。

1.2 主要設備及儀器

微型錐形雙螺桿擠出機(JZSZ-10A)——武漢瑞鳴實驗儀器制造公司；單螺桿3D打印耗材擠出機(SHSJ25)——東莞市松湖塑料機械股份有限公司；熔融沉積成型3D打印機(A01)——高諾三維科技公司；微機控制電子萬能力學試驗機(CMT5504)——美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國)有限公司；旋轉(zhuǎn)流變儀(AR 2000ex)——美國TA公司；傅里葉紅外光譜分析儀(Nicolette 6700)——珀金埃爾默儀器有限公司；X射線衍射儀(XRD-6100)——日本島津公司；雙光束紫外可見分光光度計(TU-1901)——北京普析通用儀器有限責任公司。

1.3 聚己內(nèi)酯-布洛芬-釋放改性劑復合材料的制備

鼓風干燥箱溫度設置為40 ℃，對聚己內(nèi)酯、布洛芬、釋放改性劑進行干燥處理，干燥時間為24 h，以除去其中水分，避免熔融共混時表面產(chǎn)生泡孔，導致后續(xù)線材直徑不均勻。按表1的配方比例稱取各組分原料，固定總質(zhì)量為300 g，并將混合物放入研缽中研磨均勻。將微型錐形雙螺桿擠出機溫度設置為120 ℃，擠出機螺桿轉(zhuǎn)速設置為25 r/min。將上述混合物加入到擠出機中進行熔融共混，并將擠出的物料置于托盤中冷卻直至完全固化，再使用低速粉碎機將其粉碎成顆粒備用。

表1 熔融沉積成型用線材配方

1.4 聚己內(nèi)酯-布洛芬-釋放改性劑線材的制備

將之前混合均勻并粉碎好的顆粒投入到單螺桿3D打印耗材擠出機中，螺桿轉(zhuǎn)速設置為240 r/min，擠出機的4個加熱段溫度分別設定為100、105、105、100 ℃。在?？谔帞D出線型材料，同時使用激光測徑儀實時監(jiān)控擠出線材的直徑是否在標準范圍內(nèi)，并根據(jù)其提示的反饋信息及時對螺桿轉(zhuǎn)速、牽引速度進行調(diào)整，使其得到直徑為(1.75±0.02)mm的線材，并將制備得到的線材用于熔融沉積成型打印(見圖1)。

1.5 貼片的制備

利用3Ds max 2018軟件設計類石墨烯層間交錯網(wǎng)絡貼片的三維模型(見圖2(a))，利用Cura切片軟件對打印貼片過程中的成型參數(shù)進行設置(見表2)，最終利用熔融沉積成型3D打印機將前述制備的線材按照設置的工藝參數(shù)打印出類石墨烯層間交錯網(wǎng)絡貼片(見圖2(b))，尺寸為7.50 cm×4.00 cm×0.25 mm。

表2 熔融沉積成型工藝參數(shù)

1.6 性能測試與表征

力學性能測試：采用萬能力學試驗機對聚己內(nèi)酯-布洛芬-釋放改性劑3D打印線材的拉伸性能進行測試。樣品直徑為(1.75±0.02)mm、長度為140 mm，標距為60 mm，每組取6個樣品數(shù)據(jù)的平均值作為最終結(jié)果，并計算其標準差。

動態(tài)流變性能測試：通過流變性能測試，確定含有不同釋放改性劑的聚己內(nèi)酯載藥線材的黏度變化。將線材熱壓成2.5 cm×2.5 cm的片材，采用直徑為25 mm的平行板夾具，將樣品放在下板上使其熔融，而后將上板向下移動直至上下板間隙1 mm。并且在線性黏彈性區(qū)域進行動態(tài)頻率掃描，溫度為120 ℃、應變?yōu)?.01%、角頻率掃描范圍為628.3～0.628 3 rad/s。

圖1 聚己內(nèi)酯-布洛芬線材的制備及熔融沉積成型打印示意圖

圖2 類石墨烯層間交錯網(wǎng)絡貼片數(shù)字模型與打印樣品

紅外測試：采用傅里葉變換紅外光譜儀對原料和聚己內(nèi)酯-布洛芬-釋放改性劑3D打印貼片進行分析。選擇衰減全反射(ATR)模式，ATR-FTIR光譜以4 cm-1的分辨率在吸收模式下采集，每個樣品在600～4 000 cm-1波數(shù)范圍內(nèi)掃描32次，所有測試試驗均重復3次。

結(jié)晶性能測試：采用X射線衍射儀對原料聚己內(nèi)酯、布洛芬、微晶纖維素、羥丙基甲基纖維素、乙基纖維素和聚己內(nèi)酯-布洛芬-釋放改性劑3D打印貼片進行分析。在室溫下，掃描范圍(2θ)為10°～40°、掃描速度為10°/min、加速電壓為40 kV、管電流為40 mA。

體外藥物釋放測試：負載了不同質(zhì)量分數(shù)布洛芬的3D打印類石墨烯層間交錯網(wǎng)絡貼片被用于確定藥物的體外釋放性能。樣品在40 ℃下干燥至恒重；在37 ℃恒溫箱中，將打印的貼片浸泡在100 mL磷酸鹽緩沖溶液(pH=7.4)中。在磷酸鹽緩沖溶液中浸泡一段時間后，在特定的時間點移除磷酸鹽緩沖溶液，再加入新的磷酸鹽緩沖溶液。用雙光束紫外可見分光光度計在221 nm測定溶液的吸光度，確定藥物濃度。

釋放動力學模型擬合：通過幾種藥物釋放動力學模型對經(jīng)皮給藥貼片體外藥物釋放曲線進行擬合。模型為Mt/M∞=k0t+Q0、ln(1-Mt/M∞)=-kt、Mt/M∞=kHt1/2；M∞為總載藥量(g)，Mt為在t時的釋藥量(g)，t為時間(h)，k、k0、Q0、kH為常數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 釋放改性劑對聚己內(nèi)酯-布洛芬線材力學性能的影響

在熔融沉積成型打印過程中，熱塑性線材通過一對反向旋轉(zhuǎn)的輸送齒輪擠壓進入到加熱的打印噴頭中，從而將線材熔融以便完成打印。因此具有適當力學強度的打印線材，對于保證其順利通過熔融沉積成型打印機齒輪，實現(xiàn)連續(xù)、平穩(wěn)輸送十分重要。試驗結(jié)果表明，添加微晶纖維素使得聚己內(nèi)酯-布洛芬線材的拉伸強度從8.66 MPa提高至9.47 MPa，提高了9.35%；然而，添加乙基纖維素、羥丙基甲基纖維素的聚己內(nèi)酯-布洛芬線材的拉伸強度，分別下降了30.37%、51.62%。這主要是因為微晶纖維素表面存在大量的羥基，極性較大，使得微晶纖維素與極性聚己內(nèi)酯之間具有較好的界面相容性，從而提高了其拉伸強度；但乙基纖維素、羥丙基甲基纖維素的表面原有的羥基被乙基、甲基、丙基取代，使得其極性降低，因此這兩種釋放改性劑與聚己內(nèi)酯載體之間的相容性較差，從而降低了線材的拉伸強度。

2.2 釋放改性劑對聚己內(nèi)酯-布洛芬熔體動態(tài)流變性能的影響

純聚己內(nèi)酯及添加不同釋放改性劑的聚己內(nèi)酯-布洛芬線材，在120 ℃下的復數(shù)黏度(η*)隨角頻率(ω)的變化見圖3(a)。當ω<5 rad·s-1時，所有樣品的η*基本保持恒定，出現(xiàn)了典型的非牛頓流體的牛頓平臺；隨著ω的不斷增大，當ω>20 rad·s-1時，η*開始降低，出現(xiàn)了明顯的“剪切變稀”現(xiàn)象，表現(xiàn)出假塑性流體特征。這是所有添加釋放改性劑的聚己內(nèi)酯-布洛芬線材都可以成功送入熔池并實行打印的原因之一。在試驗所研究的角頻率范圍內(nèi)，發(fā)現(xiàn)聚己內(nèi)酯-布洛芬線材的η*遠低于聚己內(nèi)酯的η*，這說明布洛芬藥物在聚己內(nèi)酯內(nèi)具有內(nèi)潤滑劑的作用，導致熔體黏度過低，使得線材的擠出成型控制困難。進一步添加微晶纖維素、乙基纖維素、羥丙基甲基纖維素后，發(fā)現(xiàn)線材熔體的η*有所增加。由圖3(b)可以看出，釋放改性劑的添加導致線材儲能模量(G′)均有不同程度的提高，其中微晶纖維素對熔體儲能模量的影響最大，幾乎接近純聚己內(nèi)酯的儲能模量，說明釋放改性劑有利于提高線材的剛性，這對于線材的成型控制是有利的，因此依據(jù)以上η*和G′的變化表明，釋放改性劑的添加在一定程度上有利于線材的制備。

PCL為純聚己內(nèi)酯線材；PI為聚己內(nèi)酯-布洛芬線材；PIMCC為添加微晶纖維素的聚己內(nèi)酯-布洛芬線材；PIHPMC為添加羥丙基甲基纖維素的聚己內(nèi)酯-布洛芬線材；PIEC為添加乙基纖維素的聚己內(nèi)酯-布洛芬線材。

2.3 原料及含有不同釋放改性劑的聚己內(nèi)酯-布洛芬經(jīng)皮給藥貼片的紅外光譜分析

由圖4可見：聚己內(nèi)酯的紅外光譜圖中出現(xiàn)了1 720 cm-1處的羰基伸縮振動吸收峰、1 290 cm-1處的C—O和C—C拉伸振動吸收峰、1 240 cm-1處的C—O—C非對稱伸縮振動吸收峰。布洛芬以1 710 cm-1處的羰基伸縮振動為代表，苯環(huán)的伸縮振動出現(xiàn)在1 600～1 450 cm-1之間。在聚己內(nèi)酯-布洛芬經(jīng)皮給藥貼片的光譜中出現(xiàn)了3 000～2 500 cm-1的寬譜帶，表明布洛芬中特有的羧基與聚己內(nèi)酯的羰基之間形成了氫鍵。此外，由于氫鍵的形成，平衡了電子云的密度，從而聚己內(nèi)酯中羰基的吸收峰向波數(shù)較低的方向移動，即從1 720 cm-1移動到1 710 cm-1，進一步說明了氫鍵的形成。添加3種釋放改性劑的聚己內(nèi)酯-布洛芬貼片與未添加釋放改性劑貼片的紅外光譜相似，并未觀察到釋放改性劑的特征吸收峰，并且也沒有出現(xiàn)新峰。表明在熱熔擠出和熔融沉積成型過程中，釋放改性劑僅充當填料，與載體之間僅為物理混合過程，并未發(fā)生化學反應。

2.4 原料及含有不同釋放改性劑的聚己內(nèi)酯-布洛芬經(jīng)皮給藥貼片的X射線衍射分析

藥物的釋放行為與藥物及釋放改性劑在載體中的分散形態(tài)密切相關，因此，為了驗證在3D打印經(jīng)皮給藥貼片中藥物及3種釋放改性劑的衍射峰和結(jié)晶度變化，進行了X射線衍射分析。由圖5可見：純聚己內(nèi)酯為半結(jié)晶聚合物，由于其存在(110)和(200)晶格面，在2θ為21.4°、23.7°處出現(xiàn)2個明顯的布拉格特征衍射峰。微晶纖維素具有明顯的衍射峰，在2θ為14.2°、15.3°、21.5°、33.5°處出峰，并分別與纖維素晶體的(101)、(101)、(002)、(040)晶格面相對應，保持著較完整的纖維素Ⅰ晶型結(jié)構[12]。羥丙基甲基纖維素、乙基纖維素的結(jié)晶峰位置，分別在2θ為19.2°、18.8°處出現(xiàn)衍射峰。而添加3種釋放改性劑后，在3D打印經(jīng)皮給藥貼片的X射線衍射譜圖中，聚己內(nèi)酯的衍射峰位置沒有發(fā)生偏移，峰寬也沒有發(fā)生變化。表明在熱熔擠出和熔融沉積成型過程前后，聚己內(nèi)酯始終保持半結(jié)晶狀態(tài)不變。并且聚己內(nèi)酯-布洛芬-釋放改性劑貼片的X射線衍射譜圖中，并未觀察到藥物及3種釋放改性劑特征衍射峰，表明熱熔擠出和熔融沉積成型過程中，藥物及3種釋放改性劑的晶體結(jié)構被破壞，均以無定形狀態(tài)分散在載體當中。3種釋放改性劑均使貼片的結(jié)晶衍射峰強度略有下降，這是由于釋放改性劑分子加入到聚己內(nèi)酯載體中后，影響了聚己內(nèi)酯大分子鏈的規(guī)整排列，從而導致結(jié)晶度下降。

PCL為聚己內(nèi)酯；IBP為布洛芬；PI為聚己內(nèi)酯-布洛芬經(jīng)皮給藥貼片；MCC為微晶纖維素；PIMCC為添加微晶纖維素的聚己內(nèi)酯-布洛芬經(jīng)皮給藥貼片；EC為乙基纖維素；PIEC為添加乙基纖維素的聚己內(nèi)酯-布洛芬經(jīng)皮給藥貼片；HPMC為羥丙基甲基纖維素；PIHPMC為添加羥丙基甲基纖維素的聚己內(nèi)酯-布洛芬經(jīng)皮給藥貼片。

2.5 釋放改性劑對聚己內(nèi)酯-布洛芬經(jīng)皮給藥貼片藥物體外釋放的影響

布洛芬質(zhì)量分數(shù)為12%，分析3種釋放改性劑對經(jīng)皮給藥貼片釋藥性能的影響。

由圖6(a)可見：所有的貼片均呈現(xiàn)出初始快速釋放，隨后緩慢持續(xù)釋放的狀態(tài)。初始的快速釋放，是由于貼片表面的藥物快速溶解造成的。在快速釋放階段之后，載體內(nèi)部的藥物通過自由擴散的方式緩慢釋放。在未添加釋放改性劑的情況下，經(jīng)測得120 h后藥物的釋放率僅為62.3%；這是因為疏水性的聚己內(nèi)酯在熔融沉積成型的熱處理過程中形成了致密的結(jié)構，使得藥物被緊密的包埋在其中；同時，聚己內(nèi)酯在磷酸鹽緩沖溶液中既不溶蝕也不膨脹，貼片在整個藥物釋放的過程中都保持著較高的完整性，最終導致藥物無法從貼片中完全釋放。當添加微晶纖維素、乙基纖維素、羥丙基甲基纖維素為釋放改性劑時，120 h后貼片的藥物累積釋放率分別為99.4%、90.2%、83.5%，這表明3種釋放改性劑的添加，均明顯提高了貼片的藥物體外釋放率。其中微晶纖維素對貼片的藥物體外釋放率的提高最為明顯，這是由于微晶纖維素本身具有多孔結(jié)構，在藥物釋放過程中，溶液中的水分會導致微晶纖維素的潤脹，同時進入的水分子會破壞微晶纖維素分子之間的氫鍵，這增大了載體的相對比表面積，并增多了載體中的孔隙數(shù)量，從而有效地促進了藥物的釋放[13]。而乙基纖維素、羥丙基甲基纖維素由于有取代基的存在，相對于微晶纖維素極性有所減弱，水分子對其潤脹作用降低，因此對促進藥物釋放作用弱于微晶纖維素。

HPMC為羥丙基甲基纖維素；EC為乙基纖維素；MCC為微晶纖維素；PCL為聚己內(nèi)酯；PI為聚己內(nèi)酯-布洛芬經(jīng)皮給藥貼片；PIMCC為添加微晶纖維素的聚己內(nèi)酯-布洛芬經(jīng)皮給藥貼片；PIEC為添加乙基纖維素的聚己內(nèi)酯-布洛芬經(jīng)皮給藥貼片；PIHPMC為添加羥丙基甲基纖維素的聚己內(nèi)酯-布洛芬經(jīng)皮給藥貼片；IBP為布洛芬。

由圖6(b)可見：釋放改性劑的種類對藥物釋放率的影響較大。在藥物釋放率一定的條件下，藥物體外釋放時間，由長到短依次為不含釋放改性劑的、添加羥丙基甲基纖維素的、添加乙基纖維素的、添加微晶纖維素的經(jīng)皮給藥貼片。在藥物釋放時間一定的條件下，添加釋放改性劑的貼片體外釋放總量，由少到多依次為不含釋放改性劑的、添加羥丙基甲基纖維素的、添加乙基纖維素的、添加微晶纖維素的經(jīng)皮給藥貼片。因此，可以通過改變釋放改性劑控制藥物釋放總量、藥物釋放時間，從而進一步實現(xiàn)3D打印類石墨烯層間交錯網(wǎng)絡經(jīng)皮給藥貼片的個性化定制。

PI為聚己內(nèi)酯-布洛芬經(jīng)皮給藥貼片；PIHPMC為添加羥丙基甲基纖維素的聚己內(nèi)酯-布洛芬經(jīng)皮給藥貼片；PIEC為添加乙基纖維素的聚己內(nèi)酯-布洛芬經(jīng)皮給藥貼片；PIMCC為添加微晶纖維素的聚己內(nèi)酯-布洛芬經(jīng)皮給藥貼片；RM-free為未添加釋放改性劑的聚己內(nèi)酯-布洛芬經(jīng)皮給藥貼片；HPMC為羥丙基甲基纖維素；EC為乙基纖維素；MCC為微晶纖維素。

2.6 藥物釋放機理

為了研究經(jīng)皮給藥貼片的藥物釋放機理，利用零階、一階、希古契動力學模型對3D打印經(jīng)皮給藥貼片的體外藥物釋放數(shù)據(jù)進行擬合。由表3可見：一階藥物釋放動力學模型為最佳擬合模型(所有樣本的R2>0.99)，表明藥物主要釋放機制為擴散和溶蝕機制相結(jié)合。

表3 藥物釋放動力學模型擬合的決定系數(shù)(R2)和常數(shù)(kH)

3 結(jié)論

微晶纖維素使聚己內(nèi)酯-布洛芬3D打印線材的拉伸強度提高了9.35%，而乙基纖維素、羥丙基甲基纖維素均使拉伸強度有不同程度下降。3者均增大了聚己內(nèi)酯-布洛芬線材的復數(shù)黏度、儲能模量。

3種釋放改性劑均沒有與載體、藥物發(fā)生化學反應，并且均使聚己內(nèi)酯-布洛芬經(jīng)皮給藥貼片結(jié)晶度下降，但并未改變聚己內(nèi)酯的晶型結(jié)構，3者均以無定形狀態(tài)分散在載體中。

3種釋放改性劑均使藥物在120 h以內(nèi)的累積釋放率得到提高，微晶纖維素、乙基纖維素、羥丙基甲基纖維素分別使藥物累積釋放率從62.3%提高到99.4%、90.2%、83.5%。布洛芬主要釋放機制為擴散和溶蝕機制相結(jié)合。