共混与同轴静电纺载药纳米纤维的制备、表征及比较*

崔 静,邱玉宇，卢杭诣，聂清欣，魏取福

(江南大学 生态纺织教育部重点实验室，江苏 无锡214122)



共混与同轴静电纺载药纳米纤维的制备、表征及比较*

崔 静,邱玉宇，卢杭诣，聂清欣，魏取福

(江南大学 生态纺织教育部重点实验室，江苏 无锡214122)

采用共混和同轴静电纺制备了负载盐酸四环素药物的聚乙烯醇-苯乙烯吡啶盐(PVA-SbQ)/玉米醇溶蛋白(Zein)复合纳米纤维，在紫外光照射下得到光交联载药PVA-SbQ/Zein复合纳米纤维。利用扫描电镜(SEM)对不同纤维的形貌和直径分布进行了分析；采用透射电镜(TEM)对不同静电纺丝法制备的纳米纤维结构进行了观察和比较；强力测试表明同轴静电纺丝制备的纳米纤维力学性能更强；傅里叶变换红外光谱(FT-IR)曲线表明载药PVA-SbQ/Zein复合纳米纤维保持了原有的化学功能基团；最后比较了两种方法制备的载药纳米纤维膜的药物释放行为。

静电纺丝；聚乙烯醇-苯乙烯吡啶盐；玉米醇溶蛋白；载药纳米纤维

0 引 言

随着人类社会的发展，人们对医疗药品方面的要求也日益增长，而传统给药方式的问题和缺点如药物利用率低、血药浓度不稳定、给药频繁等也逐渐表现出来。近年来，通过静电纺丝制备的载药纳米纤维因其小尺寸效应、多功能性、高效性等特性，受到了广泛的关注[1]。纳米纤维在载药以及药物缓释方面具有一定的应用优势[2]。具有生物相容性的纳米纤维在结构上可以模仿人体细胞外基质(EMC)，避免排异反应[3]；纳米纤维本身的尺寸小，较高的孔隙率、极大的比表面积，使得纳米纤维作为良好的药物载体，能让药物更易被人体吸收[4]；静电纺纳米纤维载药不破坏药物的活性，能很好地包载药物；在制备纺丝液和静电纺过程中，药物能够以无定形的形式均匀地分散在纳米纤维中，有利于药物的平缓释放和吸收利用[5]。另外，基于传统静电纺丝基础上发展起来的同轴静电纺技术，为药物的包载和缓释提供了更好的载体结构，同轴静电纺可以制备具有皮芯结构的纳米纤维，将药物包载在纤维的内层，既能很好地贮存药物，保持药物活性，又有利于缓解药物的突释现象[6]。

玉米醇溶蛋白作为天然高分子，具有很好的生物相容性和生物可降解性，成膜性、抗菌性良好[7]，十分适合用来构建生物材料，用于缓释的药物载体等[2]，且其来源广泛，成本低。此外，玉米醇溶蛋白对紫外线具有一定的抵抗能力，经紫外照射处理后，玉米醇溶蛋白的强力得到一定增强[8]。聚乙烯醇-苯乙烯基吡啶盐缩合物(PVA-SbQ)，具有较高的感光性能，在大于300 nm的紫外光照射下，SbQ基团就会发生光二聚反应，形成具有网状结构的聚合物[9]，与Zein混纺可以提高纤维的力学性能。我们在前期对静电纺制备Zein/PVA-SbQ复合纳米纤维进行了初步研究[10]，但将其作为一种载体负载药物的研究还未见报道。

本文以玉米醇溶蛋白和聚乙烯醇-苯乙烯吡啶盐为原料，以药物盐酸四环素为模型，采用共混和同轴静电纺制备不同结构的PVA-SbQ/Zein载药纳米纤维，并对不同纤维的表面形貌和直径分布、强力性能、结构、药物释放行为进行一系列的表征与比较，有望将其应用于药物控释、创伤敷料等领域。

1 实 验

1.1 实验试剂与主要仪器

玉米醇溶蛋白(Zein)，Mw=35 000，Sigma-Aldrich (St. Louis, MO) Company；冰乙酸，分析纯(AR)，上海申翔化学试剂有限公司；聚乙烯醇-苯乙烯吡啶盐(PVA-SbQ)，168-H型，上海光毅印刷器材科技有限公司；盐酸四环素(tetracycline hydrochloride，TCH)，分析标准品(USP)，阿拉丁试剂有限公司。

AL204型电子天平，Mettler Toledo公司；85-2A数显测速恒温磁力搅拌器，江苏金坛荣华仪器制造有限公司；自制静电纺丝装置；同轴静电纺丝装置，深圳市通力微纳科技有限公司；DZF-6210真空干燥箱，南京沃环科技实业有限公司；XQ350-500光催化仪，上海蓝晟电子有限公司；SU1510扫描电子显微镜SEM，日本日立公司HITACHI；JEM-2100型透射电子显微镜 (TEM)，日本JEOL公司；MP0涂镀层测厚仪，德国Fiscfer公司；KDⅡ-0.05微机控制电子万能试验机，深圳凯强利实验仪器有限公司；NiCOLET iS10 FT-IR傅里叶红外变换光谱仪，赛黙飞世尔科技(中国)有限公司；TGA/1100SF热重分析仪，梅特勒-托利多国际贸易(上海)有限公司。

1.2 共混静电纺载药纳米纤维膜的制备

将m(PVA-SbQ)/m(Zein)为1∶1的混合体系4 g加入到12 g冰乙酸中，常温下搅拌1 h后加入药物盐酸四环素0.5 g，制得负载药物的PVA-SbQ/Zein前驱体溶液。将前驱体溶液倒入20 mL带针头的注射器内，针头内径为1 mm，常温下进行静电纺丝，滚筒转速200 r/min，纺丝条件为电压15 kV，速度1 mL/h，接收距离20 cm[10]。

1.3 同轴静电纺载药纳米纤维膜的制备

将m(PVA-SbQ)/m(Zein)为1∶1的混合体系4 g加入到12 g冰乙酸中，常温下搅拌2 h，制得PVA-SbQ/Zein前驱体溶液作为同轴纺的外层溶液；将药物盐酸四环素0.5 g溶解于10 mL无水乙醇溶液中，常温下搅拌1 h，制得盐酸四环素前驱体溶液作为同轴纺的芯层溶液。分别将外层和芯层溶液倒入带有同轴针头的注射器中，针头内外层直径分别为0.51和0.81 mm，常温下进行同轴静电纺丝，滚筒转速200 r/min，纺丝条件为电压15 kV，芯层速度0.5 mL/h，外层速度1 mL/h，接收距离20 cm。

纺丝结束后将所有样品在60 ℃下干燥12 h，即得到共混和同轴纺PVA-SbQ/Zein载药纳米纤维膜，然后将纤维膜于功率为400 W的紫外灯下照射2 h得到光交联复合纳米纤维膜，用于各种测试表征。

1.4 样品表征

采用SEM、TEM分别对不同纺丝方法制备的PVA-SbQ/Zein载药纳米纤维膜的表面形貌和直径分布、结构进行观察和分析。使用微机控制电子万能试验机对纤维膜的强度进行了测试。用FT-IR对PVA-SbQ/Zein载药纳米纤维进行结构分析。用紫外分光光度计对载药纳米纤维膜的药物释放行为进行测试。

2 结果与讨论

2.1 同轴静电纺丝装置

静电纺丝结构示意图如图1(a)所示，纺丝过程照片及针头如图1(b)所示。同轴静电纺丝时，对于芯层溶液不一定要求其具有可纺性，但是外层溶液很重要，一定要有较好的可纺性才能形成皮芯结构的纳米纤维。皮芯结构纳米纤维由溶液性质和纺丝参数等共同决定的。一般来说，喷丝头的直径与溶液流速有很大关系，而与溶液特性关系较小，相关关系如式(1)所示[11]

D～Qt1/2(kγ)-1/6

(1)

其中，D为喷丝头直径，Qt为静电纺丝溶液流速，γ为溶液的表面张力，k是溶液的导电性，同轴静电纺丝中Qt是由芯层流速和外层流速共同决定的，在本文实验中，针头外直径和内直径分别为0.81和0.51 mm。

图1 同轴静电纺丝结构示意图和纺丝过程照片

2.2 扫描电镜(SEM)分析

如图2为静电纺纳米纤维膜的扫描电镜，图2(a)和(d)分别为共混静电纺未载药PVA-SbQ/Zein纳米纤维的扫描电镜与直径分布图，可以看出，纳米纤维平均直径为(345±59) nm(表1所示)，纤维表面光滑，没有串珠，在此基础上负载药物盐酸四环素得到共混静电纺载药PVA-SbQ/Zein纳米纤维如图2(b)所示，纤维表面更光滑平整，纤维平均直径变大约为(765±21) nm，这可能是由于负载药物后纺丝液的粘度和电导率改变导致的。采用同轴静电纺制备的以药物为芯层聚合物为外层的载药PVA-SbQ/Zein纳米纤维如图2(c)所示，图中可以看出纤维直径更大，甚至达到微米级，而且纤维不均率很高，这可能是由于喷丝头端芯外层复合液滴被牵伸时不稳定造成的。

表1 不同PVA-SbQ/Zein复合纳米纤维的平均纤维直径和直径分布

Table 1 Average fiber diameter and diameter distribution of different PVA-SbQ/Zein composite nanofibers

SampleAveragediameter/nmDiameterdistribution/nma345±59160～585b765±21450～990c980±225560～1870

2.3 透射电镜(TEM)

图3(a)和(b)分别为共混静电纺和同轴静电纺载药纳米纤维的透射电镜图，从图3(a)中可以看出药物已均匀分散在聚合物中，满足了静电纺纳米纤维可以均匀载药的优点。

图2 共混静电纺未载药、载药和同轴静电纺载药PVA-SbQ/Zein纳米纤维的扫描电镜与直径分布图

图3 共混静电纺和同轴静电纺载药PVA-SbQ/Zein纳米纤维的透射电镜图

Fig 3 TEM of electrospun and coaxial electrospun drug-loaded PVA-SbQ/Zein nanofibers

图3(b)是同轴静电纺载药纳米纤维，图中可以看到明显的皮芯结构，药物盐酸四环素为芯层，PVA-SbQ/Zein聚合物为外层。

2.4 红外光谱(FT-IR)分析

各原料的相容性对制备高性能和高稳定性载药纳米纤维是很重要的，二阶相互作用譬如静电吸附作用力、氢键结合力、疏水作用力将会提高其相容性，这可以从红外光谱中分析得出，如图4所示。

图4 盐酸四环素，Zein，PVA-SbQ与共混静电纺载药，同轴静电纺载药复合纳米纤维红外光谱图

Fig 4 FT-IR spectra of TCH, Zein, PVA-SbQ, electrospun and coaxial electrospun TCH-loaded PVA-SbQ/Zein composite ultrafine fibers

2.5 力学性能测试分析

纤维的力学性能表征通过断裂强度和断裂伸长率来体现[8]，如图5所示，同轴静电纺载药纳米纤维膜的断裂强度约为8.52 MPa，优于共混静电纺载药纳米纤维膜，这可能是因为同轴静电纺纳米纤维平均直径较大，纤维不易拉断从而导致断裂强度较大。同轴静电纺纳米纤维膜的断裂伸长率也大于共混静电纺纤维膜，这可能是由于同轴静电纺纳米纤维直径分布范围较广，在被拉伸时不同直径的纤维可以承受不同的力后断裂，使得断裂伸长率增大。

图5 不同质量比的Zein/PVA-SbQ样品的断裂强度和断裂伸长率

Fig 5 Tensilestrength and elongation at break of different mass ratio of Zein and PVA-SbQ

2.6 盐酸四环素标准曲线

图6为盐酸四环素在温度为37.4 ℃、pH值=7.4的磷酸缓冲液中的标准曲线，线性方程为C=0.03094A-0.0135(R2=0.99993)，C为TCH的浓度(mg/L)，A为360 nm下的吸光度值。

图6 盐酸四环素在PBS中标准曲线

2.7 药物释放行为

图7为共混和同轴静电纺载药纳米纤维膜药物释放曲线，在1 h内，共混静电纺载药纳米纤维膜药物释放量达到62.3%，且在3 h后药物释放量趋于平衡，累积释放比为68.2%，而同轴静电纺载药纳米纤维膜1 h的药物释放量仅为21.2%，12 h后药物释放量趋于平衡，累积释放比为58.1%。通过比较可以得出，同轴静电纺载药纳米纤维更能起到药物缓释的效果，这可能是由于药物包覆在芯层，水分子需先渗透进入纳米纤维再溶解药物分子，从而起到缓释的效果。

图7 共混和同轴静电纺载药纳米纤维药物释放行为

Fig 7 In vitro drug release profiles of the single spinneret nanofibers and core-sheath nanofibers

3 结 论

采用共混和同轴静电纺丝制备负载药物盐酸四环素的PVA-SbQ/Zein复合纳米纤维膜。SEM可观察到复合纳米纤维的形貌和平均直径。红外结果显示，两种载药纳米膜中药物和聚合物材料成功地发生了共混。力学性能测试说明同轴静电纺复合纳米纤维力学性能更佳。药物释放行为比较可以得出同轴静电纺载药PVA-SbQ/Zein纳米纤维药物缓释效果更好，该复合纳米纤维在药物缓释和创伤敷料等领域具有潜在应用价值。

[1] Hu X, Liu S, Zhou G, et al. Electrospinning of polymeric nanofibers for drug delivery applications [J]. Journal of Controlled Release, 2014, 185:12-21.

[2] Hamori M, Yoshimatsu S, Hukuchi Y, et al. Preparation and pharmaceutical evaluation of nano-fiber matrix supported drug delivery system using the solvent-based electrospinning method [J]. International Journal of Pharmaceutics, 2014, 464(1-2): 243-251.

[3] Vasita R, Katti D S. Nanofibers and their applications in tissue engineering [J]. International Journal of Nanomedicine, 2006, 1(1):15-30.

[4] Matthews J A, Wnek G E, Simpson D G, et al. Electrospinning of collagen nanofibers [J]. Biomacromolecules, 2002, 3(2): 232-238.

[5] Liu S J, Kau Y C, Chou C Y, et al. Electrospun PLGA/collagen nanofibrous membrane as early-stage wound dressing [J]. Journal of Membrane Science, 2010, 355(1-2): 53-59.

[6] Wang C, Yan K W, Lin Y D, et al. Biodegradable core/shell fibers by coaxial electrospinning: processing, fiber characterization, and its application in sustained drug release [J]. Macromolecules, 2010, 43 (15): 6389-6397.

[7] Jiang Q，Reddy N，Yang Y. Cytocompatible cross-linking of electrospun zein fibers for the development of water-stable tissue engineering scaffolds [J]. Acta Biomaterialia，2010，6(10)： 4042-4051.

[8] Yangchao L, Thomas T Y, Zi T, et al. Encapsulation of indole-3-carbinol and 3, 3’-diindolylmethane in zein/carboxymethyl chitosan nanoparticles with controlled release property and improved stability [J]. Food Chemistry, 2013, 139(1): 224-230.

[9] Tao Y H, Xu J, Chen M Q, et al. Core cross-linked hyaluronan-styrylpyridinium micelles as a novel carrier for paclitaxel [J]. Carbohydrate Polymer, 2012, 88(1): 118-124.

[10] Cui Jing, Dong Jiancheng, Wei Qufu, et al. Preparation and performance study of cross -linked Zein/PVA-SbQ composite nanofibers spun by electrospinning [J]. Journal of Functional Materials,2015,46(10): 10062-10065.

崔 静，董建成，魏取福，等. 光交联Zein/PVA-SbQ复合纳米纤维的制备及表征[J]. 功能材料，2015，46(10)：10062-10065.

[11] López-Herrera J M, Barrer A, López A, et al. Coaxial jets generated from electrified Taylor cones [J]. Journal of Aerosol Science, 2003, 34(5): 535-552.

[12] Kenawy E R, Bowlin G L, Mansfield K, et al. Release of tetracycline hydrochloride from electrospun poly(ethylene-co-vinylacetate), poly(lactic acid), and a blend [J]. Journal of Controlled Release, 2002, 81(1-2):57-64.

Preparation, performance and comparison of co-electrospun and coaxial-electrospun drug-loaded PVA-SbQ/Zein composite nanofibers

CUI Jing， QIU Yuyu, LU Hangyi, NIE Qingxin, WEI Qufu

(Key Laboratory of Eco-Textiles of Ministry of Education,Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

Drug tetracycline hydrochloride (TCH)-loaded PVA-SbQ/Zein composite nanofibers were fabricated by co-electrospinning and coaxial-electrospinning, respectively. Then the nanofibers were irradiated under UV light to get the cross-linked ones. The morphologies and diameter distributions of drug-loaded PVA-SbQ/Zein composite nanofibers were observed by SEM. TEM was used to compare the structure of the two kind of nanofibers. The strength test showed that the tensile strength of coaxial-electrospun nanofibers was better than the co-electrospun ones. The spectra of FT-IR indicated that composite nanofibers maintained their own original functional groups. Finally, the drug release behavior of drug-loaded nanofibers prepared with two methods was compared.

electrospinning; PVA-SbQ；zein；drug-loaded nanofibers

1001-9731(2016)04-04055-05

国家自然科学基金资助项目(51203064)

2015-06-04

2015-09-01 通讯作者：魏取福，E-mail: qfwei@jiangnan.edu.cn

崔 静 (1991-)，女，山东淄博人，在读硕士，师承魏取福教授，研究方向为功能纺织材料。

TQ342.94

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.04.011