释放改性剂对聚己内酯-布洛芬贴片可打印性及释药性能的影响1)

吴海超 岳成斌 宋永明

(生物质材料科学与技术教育部重点实验室(东北林业大学)，哈尔滨，150040)

经皮给药(TDD)是一种药物通过皮肤进入人体血液循环系统的给药方式[1]，具有无创伤性、无“首过效应”、患者顺应性好、简单易操作等优点[1]，作为一种新兴的药物缓释给药方式，具有广阔的应用前景[2-4]。理想的经皮给药基体材料，应具有良好的载药性、生物降解性、化学稳定性、一定的机械强度和灵活性及高效的释放效率[5]。当经皮给药贴片用于伤口愈合时，良好的透气性、出色的柔韧性以及与皮肤更好的贴合性都十分重要。

熔融沉积成型(FDM)打印技术，因其打印过程无需溶剂、打印速度快，且能够满足经皮给药贴片对产品质量和个性化的要求，在该领域中极具发展前景[4，6-7]。在众多打印材料中，聚己内酯(PCL)是一种具有良好生物相容性、生物可降解性的热塑性聚酯，可用作生物可吸收手术缝线、药物传递载体等[8-9]。另外，聚己内酯具有加工成型温度低的优点，以其作为药物载体材料可避免因加工温度过高而引起的不耐高温药物的失活，在熔融沉积成型打印经皮给药贴片的应用中具有潜在优势。但通常经过热熔挤出和熔融沉积成型打印之后得到的经皮给药贴片中，药物载体材料会形成致密的结构，将药物包埋其中，导致药物难以高效地释放。通过在载体材料中添加药物释放改性剂，是实现药物高效、可控释放的一种有效方法[10]。纤维素及其衍生物，不仅生物相容性好、生物可降解性优良，还具有可吸水并润胀等特点，被广泛用作制药领域中的缓释制剂辅料[10-11]。

本研究以聚己内酯为药物载体材料、布洛芬(IBP)为模型药物，采用熔融沉积成型打印技术，制备具有类石墨烯层间交错网络结构的经皮给药贴片。对比分析微晶纤维素(MCC)、羟丙基甲基纤维素(HPMC)、乙基纤维素(EC)3种释放改性剂对聚己内酯基药物复合材料的熔融沉积成型打印性能和经皮给药贴片药物释放性能的影响。

1 材料与方法

1.1 材料

聚己内酯(PCL，CAPA6800)——相对分子质量为80 000，熔体指数(MI)为0.074 g/min(100 ℃/2.16 kg)，苏州巴菲特工程塑料有限公司；布洛芬(IBP)——活性药物成分，上海蓓琅生物科技有限公司；乙基纤维素(EC)——乙氧基质量分数为47.6%，黏度50 mPa·s，西安晋湘药用辅料有限公司；羟丙基甲基纤维素(HPMC，60GD50)——西安晋湘药用辅料有限公司；微晶纤维素(MCC，SH-105)——安徽山河药用辅料有限公司；磷酸盐缓冲溶液(PBS，XY-4308-1)——pH=7.4，大连美轮生物技术有限公司。

1.2 主要设备及仪器

微型锥形双螺杆挤出机(JZSZ-10A)——武汉瑞鸣实验仪器制造公司；单螺杆3D打印耗材挤出机(SHSJ25)——东莞市松湖塑料机械股份有限公司；熔融沉积成型3D打印机(A01)——高诺三维科技公司；微机控制电子万能力学试验机(CMT5504)——美特斯工业系统(中国)有限公司；旋转流变仪(AR 2000ex)——美国TA公司；傅里叶红外光谱分析仪(Nicolette 6700)——珀金埃尔默仪器有限公司；X射线衍射仪(XRD-6100)——日本岛津公司；双光束紫外可见分光光度计(TU-1901)——北京普析通用仪器有限责任公司。

1.3 聚己内酯-布洛芬-释放改性剂复合材料的制备

鼓风干燥箱温度设置为40 ℃，对聚己内酯、布洛芬、释放改性剂进行干燥处理，干燥时间为24 h，以除去其中水分，避免熔融共混时表面产生泡孔，导致后续线材直径不均匀。按表1的配方比例称取各组分原料，固定总质量为300 g，并将混合物放入研钵中研磨均匀。将微型锥形双螺杆挤出机温度设置为120 ℃，挤出机螺杆转速设置为25 r/min。将上述混合物加入到挤出机中进行熔融共混，并将挤出的物料置于托盘中冷却直至完全固化，再使用低速粉碎机将其粉碎成颗粒备用。

表1 熔融沉积成型用线材配方

1.4 聚己内酯-布洛芬-释放改性剂线材的制备

将之前混合均匀并粉碎好的颗粒投入到单螺杆3D打印耗材挤出机中，螺杆转速设置为240 r/min，挤出机的4个加热段温度分别设定为100、105、105、100 ℃。在模口处挤出线型材料，同时使用激光测径仪实时监控挤出线材的直径是否在标准范围内，并根据其提示的反馈信息及时对螺杆转速、牵引速度进行调整，使其得到直径为(1.75±0.02)mm的线材，并将制备得到的线材用于熔融沉积成型打印(见图1)。

1.5 贴片的制备

利用3Ds max 2018软件设计类石墨烯层间交错网络贴片的三维模型(见图2(a))，利用Cura切片软件对打印贴片过程中的成型参数进行设置(见表2)，最终利用熔融沉积成型3D打印机将前述制备的线材按照设置的工艺参数打印出类石墨烯层间交错网络贴片(见图2(b))，尺寸为7.50 cm×4.00 cm×0.25 mm。

表2 熔融沉积成型工艺参数

1.6 性能测试与表征

力学性能测试：采用万能力学试验机对聚己内酯-布洛芬-释放改性剂3D打印线材的拉伸性能进行测试。样品直径为(1.75±0.02)mm、长度为140 mm，标距为60 mm，每组取6个样品数据的平均值作为最终结果，并计算其标准差。

动态流变性能测试：通过流变性能测试，确定含有不同释放改性剂的聚己内酯载药线材的黏度变化。将线材热压成2.5 cm×2.5 cm的片材，采用直径为25 mm的平行板夹具，将样品放在下板上使其熔融，而后将上板向下移动直至上下板间隙1 mm。并且在线性黏弹性区域进行动态频率扫描，温度为120 ℃、应变为0.01%、角频率扫描范围为628.3～0.628 3 rad/s。

图1 聚己内酯-布洛芬线材的制备及熔融沉积成型打印示意图

图2 类石墨烯层间交错网络贴片数字模型与打印样品

红外测试：采用傅里叶变换红外光谱仪对原料和聚己内酯-布洛芬-释放改性剂3D打印贴片进行分析。选择衰减全反射(ATR)模式，ATR-FTIR光谱以4 cm-1的分辨率在吸收模式下采集，每个样品在600～4 000 cm-1波数范围内扫描32次，所有测试试验均重复3次。

结晶性能测试：采用X射线衍射仪对原料聚己内酯、布洛芬、微晶纤维素、羟丙基甲基纤维素、乙基纤维素和聚己内酯-布洛芬-释放改性剂3D打印贴片进行分析。在室温下，扫描范围(2θ)为10°～40°、扫描速度为10°/min、加速电压为40 kV、管电流为40 mA。

体外药物释放测试：负载了不同质量分数布洛芬的3D打印类石墨烯层间交错网络贴片被用于确定药物的体外释放性能。样品在40 ℃下干燥至恒重；在37 ℃恒温箱中，将打印的贴片浸泡在100 mL磷酸盐缓冲溶液(pH=7.4)中。在磷酸盐缓冲溶液中浸泡一段时间后，在特定的时间点移除磷酸盐缓冲溶液，再加入新的磷酸盐缓冲溶液。用双光束紫外可见分光光度计在221 nm测定溶液的吸光度，确定药物浓度。

释放动力学模型拟合：通过几种药物释放动力学模型对经皮给药贴片体外药物释放曲线进行拟合。模型为Mt/M∞=k0t+Q0、ln(1-Mt/M∞)=-kt、Mt/M∞=kHt1/2；M∞为总载药量(g)，Mt为在t时的释药量(g)，t为时间(h)，k、k0、Q0、kH为常数。

2 结果与分析

2.1 释放改性剂对聚己内酯-布洛芬线材力学性能的影响

在熔融沉积成型打印过程中，热塑性线材通过一对反向旋转的输送齿轮挤压进入到加热的打印喷头中，从而将线材熔融以便完成打印。因此具有适当力学强度的打印线材，对于保证其顺利通过熔融沉积成型打印机齿轮，实现连续、平稳输送十分重要。试验结果表明，添加微晶纤维素使得聚己内酯-布洛芬线材的拉伸强度从8.66 MPa提高至9.47 MPa，提高了9.35%；然而，添加乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素的聚己内酯-布洛芬线材的拉伸强度，分别下降了30.37%、51.62%。这主要是因为微晶纤维素表面存在大量的羟基，极性较大，使得微晶纤维素与极性聚己内酯之间具有较好的界面相容性，从而提高了其拉伸强度；但乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素的表面原有的羟基被乙基、甲基、丙基取代，使得其极性降低，因此这两种释放改性剂与聚己内酯载体之间的相容性较差，从而降低了线材的拉伸强度。

2.2 释放改性剂对聚己内酯-布洛芬熔体动态流变性能的影响

纯聚己内酯及添加不同释放改性剂的聚己内酯-布洛芬线材，在120 ℃下的复数黏度(η*)随角频率(ω)的变化见图3(a)。当ω<5 rad·s-1时，所有样品的η*基本保持恒定，出现了典型的非牛顿流体的牛顿平台；随着ω的不断增大，当ω>20 rad·s-1时，η*开始降低，出现了明显的“剪切变稀”现象，表现出假塑性流体特征。这是所有添加释放改性剂的聚己内酯-布洛芬线材都可以成功送入熔池并实行打印的原因之一。在试验所研究的角频率范围内，发现聚己内酯-布洛芬线材的η*远低于聚己内酯的η*，这说明布洛芬药物在聚己内酯内具有内润滑剂的作用，导致熔体黏度过低，使得线材的挤出成型控制困难。进一步添加微晶纤维素、乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素后，发现线材熔体的η*有所增加。由图3(b)可以看出，释放改性剂的添加导致线材储能模量(G′)均有不同程度的提高，其中微晶纤维素对熔体储能模量的影响最大，几乎接近纯聚己内酯的储能模量，说明释放改性剂有利于提高线材的刚性，这对于线材的成型控制是有利的，因此依据以上η*和G′的变化表明，释放改性剂的添加在一定程度上有利于线材的制备。

PCL为纯聚己内酯线材；PI为聚己内酯-布洛芬线材；PIMCC为添加微晶纤维素的聚己内酯-布洛芬线材；PIHPMC为添加羟丙基甲基纤维素的聚己内酯-布洛芬线材；PIEC为添加乙基纤维素的聚己内酯-布洛芬线材。

2.3 原料及含有不同释放改性剂的聚己内酯-布洛芬经皮给药贴片的红外光谱分析

由图4可见：聚己内酯的红外光谱图中出现了1 720 cm-1处的羰基伸缩振动吸收峰、1 290 cm-1处的C—O和C—C拉伸振动吸收峰、1 240 cm-1处的C—O—C非对称伸缩振动吸收峰。布洛芬以1 710 cm-1处的羰基伸缩振动为代表，苯环的伸缩振动出现在1 600～1 450 cm-1之间。在聚己内酯-布洛芬经皮给药贴片的光谱中出现了3 000～2 500 cm-1的宽谱带，表明布洛芬中特有的羧基与聚己内酯的羰基之间形成了氢键。此外，由于氢键的形成，平衡了电子云的密度，从而聚己内酯中羰基的吸收峰向波数较低的方向移动，即从1 720 cm-1移动到1 710 cm-1，进一步说明了氢键的形成。添加3种释放改性剂的聚己内酯-布洛芬贴片与未添加释放改性剂贴片的红外光谱相似，并未观察到释放改性剂的特征吸收峰，并且也没有出现新峰。表明在热熔挤出和熔融沉积成型过程中，释放改性剂仅充当填料，与载体之间仅为物理混合过程，并未发生化学反应。

2.4 原料及含有不同释放改性剂的聚己内酯-布洛芬经皮给药贴片的X射线衍射分析

药物的释放行为与药物及释放改性剂在载体中的分散形态密切相关，因此，为了验证在3D打印经皮给药贴片中药物及3种释放改性剂的衍射峰和结晶度变化，进行了X射线衍射分析。由图5可见：纯聚己内酯为半结晶聚合物，由于其存在(110)和(200)晶格面，在2θ为21.4°、23.7°处出现2个明显的布拉格特征衍射峰。微晶纤维素具有明显的衍射峰，在2θ为14.2°、15.3°、21.5°、33.5°处出峰，并分别与纤维素晶体的(101)、(101)、(002)、(040)晶格面相对应，保持着较完整的纤维素Ⅰ晶型结构[12]。羟丙基甲基纤维素、乙基纤维素的结晶峰位置，分别在2θ为19.2°、18.8°处出现衍射峰。而添加3种释放改性剂后，在3D打印经皮给药贴片的X射线衍射谱图中，聚己内酯的衍射峰位置没有发生偏移，峰宽也没有发生变化。表明在热熔挤出和熔融沉积成型过程前后，聚己内酯始终保持半结晶状态不变。并且聚己内酯-布洛芬-释放改性剂贴片的X射线衍射谱图中，并未观察到药物及3种释放改性剂特征衍射峰，表明热熔挤出和熔融沉积成型过程中，药物及3种释放改性剂的晶体结构被破坏，均以无定形状态分散在载体当中。3种释放改性剂均使贴片的结晶衍射峰强度略有下降，这是由于释放改性剂分子加入到聚己内酯载体中后，影响了聚己内酯大分子链的规整排列，从而导致结晶度下降。

PCL为聚己内酯；IBP为布洛芬；PI为聚己内酯-布洛芬经皮给药贴片；MCC为微晶纤维素；PIMCC为添加微晶纤维素的聚己内酯-布洛芬经皮给药贴片；EC为乙基纤维素；PIEC为添加乙基纤维素的聚己内酯-布洛芬经皮给药贴片；HPMC为羟丙基甲基纤维素；PIHPMC为添加羟丙基甲基纤维素的聚己内酯-布洛芬经皮给药贴片。

2.5 释放改性剂对聚己内酯-布洛芬经皮给药贴片药物体外释放的影响

布洛芬质量分数为12%，分析3种释放改性剂对经皮给药贴片释药性能的影响。

由图6(a)可见：所有的贴片均呈现出初始快速释放，随后缓慢持续释放的状态。初始的快速释放，是由于贴片表面的药物快速溶解造成的。在快速释放阶段之后，载体内部的药物通过自由扩散的方式缓慢释放。在未添加释放改性剂的情况下，经测得120 h后药物的释放率仅为62.3%；这是因为疏水性的聚己内酯在熔融沉积成型的热处理过程中形成了致密的结构，使得药物被紧密的包埋在其中；同时，聚己内酯在磷酸盐缓冲溶液中既不溶蚀也不膨胀，贴片在整个药物释放的过程中都保持着较高的完整性，最终导致药物无法从贴片中完全释放。当添加微晶纤维素、乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素为释放改性剂时，120 h后贴片的药物累积释放率分别为99.4%、90.2%、83.5%，这表明3种释放改性剂的添加，均明显提高了贴片的药物体外释放率。其中微晶纤维素对贴片的药物体外释放率的提高最为明显，这是由于微晶纤维素本身具有多孔结构，在药物释放过程中，溶液中的水分会导致微晶纤维素的润胀，同时进入的水分子会破坏微晶纤维素分子之间的氢键，这增大了载体的相对比表面积，并增多了载体中的孔隙数量，从而有效地促进了药物的释放[13]。而乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素由于有取代基的存在，相对于微晶纤维素极性有所减弱，水分子对其润胀作用降低，因此对促进药物释放作用弱于微晶纤维素。

HPMC为羟丙基甲基纤维素；EC为乙基纤维素；MCC为微晶纤维素；PCL为聚己内酯；PI为聚己内酯-布洛芬经皮给药贴片；PIMCC为添加微晶纤维素的聚己内酯-布洛芬经皮给药贴片；PIEC为添加乙基纤维素的聚己内酯-布洛芬经皮给药贴片；PIHPMC为添加羟丙基甲基纤维素的聚己内酯-布洛芬经皮给药贴片；IBP为布洛芬。

由图6(b)可见：释放改性剂的种类对药物释放率的影响较大。在药物释放率一定的条件下，药物体外释放时间，由长到短依次为不含释放改性剂的、添加羟丙基甲基纤维素的、添加乙基纤维素的、添加微晶纤维素的经皮给药贴片。在药物释放时间一定的条件下，添加释放改性剂的贴片体外释放总量，由少到多依次为不含释放改性剂的、添加羟丙基甲基纤维素的、添加乙基纤维素的、添加微晶纤维素的经皮给药贴片。因此，可以通过改变释放改性剂控制药物释放总量、药物释放时间，从而进一步实现3D打印类石墨烯层间交错网络经皮给药贴片的个性化定制。

PI为聚己内酯-布洛芬经皮给药贴片；PIHPMC为添加羟丙基甲基纤维素的聚己内酯-布洛芬经皮给药贴片；PIEC为添加乙基纤维素的聚己内酯-布洛芬经皮给药贴片；PIMCC为添加微晶纤维素的聚己内酯-布洛芬经皮给药贴片；RM-free为未添加释放改性剂的聚己内酯-布洛芬经皮给药贴片；HPMC为羟丙基甲基纤维素；EC为乙基纤维素；MCC为微晶纤维素。

2.6 药物释放机理

为了研究经皮给药贴片的药物释放机理，利用零阶、一阶、希古契动力学模型对3D打印经皮给药贴片的体外药物释放数据进行拟合。由表3可见：一阶药物释放动力学模型为最佳拟合模型(所有样本的R2>0.99)，表明药物主要释放机制为扩散和溶蚀机制相结合。

表3 药物释放动力学模型拟合的决定系数(R2)和常数(kH)

3 结论

微晶纤维素使聚己内酯-布洛芬3D打印线材的拉伸强度提高了9.35%，而乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素均使拉伸强度有不同程度下降。3者均增大了聚己内酯-布洛芬线材的复数黏度、储能模量。

3种释放改性剂均没有与载体、药物发生化学反应，并且均使聚己内酯-布洛芬经皮给药贴片结晶度下降，但并未改变聚己内酯的晶型结构，3者均以无定形状态分散在载体中。

3种释放改性剂均使药物在120 h以内的累积释放率得到提高，微晶纤维素、乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素分别使药物累积释放率从62.3%提高到99.4%、90.2%、83.5%。布洛芬主要释放机制为扩散和溶蚀机制相结合。