刘淑琼
, 刘瑞来, 饶瑞晔
武夷学院生态与资源工程学院 福建省生态产业绿色技术重点实验室 武夷山 354300
LIU Shuqiong, LIU Ruilai, RAO Ruiye
文献标识码: TB332, R318.08
文章编号: 1005-3093(2018)12-0913-08
通讯作者:
收稿日期: 2018-01-31
网络出版日期: 2018-12-25
版权声明: 2018 《材料研究学报》编辑部 《材料研究学报》编辑部
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作者简介:
作者简介 刘淑琼,女,1985年生,硕士
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摘要
以聚己内酯(PCL)为载体,采用相分离法制备载阿司匹林(ASA)的PCL/ASA缓释复合材料,研究了ASA的含量对PCL/ASA复合材料的纳米纤维结构形成、孔隙率、亲水性、生物活性以及ASA缓释性能的影响。结果表明,随着ASA含量的提高复合材料由原本纯PCL的纳米纤维基体结构转变为非纳米实壁结构;同时,随着ASA含量的提高PCL/ASA复合材料的孔隙率从96.67%下降到52.28%,吸水率从38.00%上升到59.34%,即亲水性能提高;生物活性的测试结果表明,纯PCL纳米纤维材料和载ASA的PCL/ASA复合材料都具有良好的生物活性,纳米纤维结构和ASA都影响材料的生物活性。缓释性能的测试结果表明,PCL/ASA复合材料中ASA的缓释性能与材料的微观结构有关,在微纳米结构的PCL/ASA复合体系中ASA的累积释药量在同等时间内最大达到25.23%。
关键词：
Abstract
A series of controlled-release composites of polycapolactone (PCL)/aspirin(ASA) were fabricated via chemically induced phase separation technique with polycapolactone as carrier. The effect of different content of ASA on the morphology, biological activity, hydrophilic performance, porosity and controlled-release performance of the composites were investigated. Results show that the addition of the ASA played a crucial role for forming the unique nanofibrous structure of PCL/ASA composite. The nanofibrous structure of composite fades away with the increasing amount of ASA. The hydrophilic performance increases from 38.00% to 59.34% and the porosity decreases from 96.67% to 52.28% with the increasing ASA-content. Furthermore, both of the pure PCL and PCL/ASA composite all present good biological activity, in other word, both of the nanofibrous structure and ASA all exhibit effect on the biological activity of composite materials. The controlled release of the ASA relates to the structure of PCL/ASA composite, and the accumulated release amount of the PCL/ASA composite with micro- and nano-structure can reach to 25.23% over an equal period of time.
Keywords：
阿司匹林(Aspirin,ASA)是一种应用十分广泛的非甾体抗炎药。随着医学研究的发展,ASA的用途从镇痛解热、消炎抗风湿、治疗关节炎扩展到抗血栓、心血管病预防和抗癌[1,2]。但是,阿司匹林对人体有较大的副作用,特别是长期用药时可能导致胃溃疡、胃出血等并发症。这限制了阿司匹林临床应用的扩展[1,2,3,4,5]。因此,使用适当的药物载体实现阿司匹林的缓释和控释以减缓其对胃肠道粘膜的刺激作用,有重要的意义。
制备具有优良性能的药物缓释材料,选择合适的药物载体材料最为关键。常用的载体有天然高分子材料和合成高分子材料。天然高分子材料,如胶原蛋白、纤维素、壳聚糖、海藻酸钠及其衍生物等[6,7,8,9],虽然生物相容性好且没有毒副作用,但是力学性能较差,不能调控药物的释放速度。而合成高分子材料的综合力学性能高,还能调节载体高分子材料的比例和组成控制药物释放速度,易于对载体进行修饰,广泛作为各种药物的载体。研究得较多的合成高分子材料,有聚乳酸[10,11]、聚己内酯(PCL)、聚乳酸-聚羟基乙酸共聚物[12,13],聚氨酯[14]等。邹方东[1]以PLA/POC为载体负载药物阿司匹林,没有改变原有静电纺纳米纤维材料分子链的内部结构,而以物理方式存在于载体中却影响了载体纤维的直径及其稳定性。苏瑛杰[2]用静电纺丝技术制备了淀粉/PVA载阿司匹林的复合纳米纤维膜,可调节载药量、淀粉与PVA的比例及压片压力,实现药物的释放时间和释放速率的调控。Li等[3]研究了高岭土-壳聚糖为载体的ASA药物释放模型,发现ASA在模拟胃液中具有较低的持续缓释率,降低了ASA的副作用。Zhang等[4]制备胶原/壳聚糖薄膜载ASA/CS粒子复合物并考察了该ASA/CS复合纳米粒子在骨组织生长方面的应用,发现ASA有缓释作用。Zhang等[15]以聚酯型聚氨酯为载体研究了阿司匹林在PBS溶液中的缓释性能,发现阿司匹林促进该聚酯型聚氨酯的降解且具有典型的腐蚀-缓释机制。蒋岩岩[16]制备了载阿司匹林的PLA/SF复合材料并研究了阿司匹林在磷酸盐缓冲液中的释放情况,发现释药速率随着阿司匹林含量的提高而提高。肖琛等[17]合成了聚乙二醇(PEG)载ASA的复合缓释材料,发现ASA的释放速率随着PEG的分子量增大而提高。卢建忠等[18]通过乳化溶剂-挥发法制备载ASA-β-环糊精包覆的PLGA微球,得到了具有较高包封率和明显缓释作用的复合材料。聚己内酯(是美国食品及药物管理局(FDA)批准的生物医用材料之一)具有良好的生物相容性且其降解物无毒,广泛应用于可控释药物载体、细胞、组织培养支架等领域,对多种药物具有很好的透过性和相容性,具有满意的药物释放行为[19, 20]。
在药物传输系统领域,一般将纳米材料的尺寸界定在1~1000 nm[21]。作为一种新型的药物传输系统纳米材料载药体系日益受重视,成为国内外医药领域研究的热点[22, 23]。目前制备纳米材料载药体系的方法,主要有模板合成法、分子自组装、静电纺丝、相分离法及生物制备法等[2,10,24]。采用静电纺丝可制备从纳米到微米级别的缓释材料,但是材料的三维结构和机械性能方面有待进一步提高。用分子自组装方法制备的材料其纤维直径小于10 nm,也有结构和性能方面的问题。模板法和生物制备法则需要特殊的模板和菌种。相分离技术不需要复杂的设备,技术操作简单,可控制实验参数形成复杂的三维联通空间结构,有利于药物的运输及利用。鉴于此,本文用相分离方法将阿司匹林药物负载到聚己内酯载体材料上形成一种药物缓释制剂,通过控制实验参数制备载阿司匹林PCL/ASA纳米复合材料。
实验用材料：聚己内酯(PCL,分子量80000),阿司匹林(ASA),1-4二氧六环、磷酸二氢钠、氯化钾、六水氯化镁、三羟甲基胺基甲烷、硫酸钠、无水乙醇、无水氯化钙、碳酸氢钠、氯化钠等均为分析纯,盐酸以及去离子水。
将适量的PCL溶解在1,4-二氧六环/水(质量比为90:10)的混合溶剂体系中配成10%(质量比)的PCL溶液,再将一定比例的阿司匹林(ASA)溶于其中,配成相对PCL的质量比分别为0,5%,10%,15%的PCL/ASA混合溶液。制备流程图如图1所示。
将样品用液氮脆断后进行表面喷金150 s(旋转喷金仪,30 mA),再用冷场发射扫描电镜(FE-SEM,JSM-7500F)观察复合ASA后的PCL载体材料的内部形貌及浸泡模拟体液(Simulated body fluid: SBF)后材料沉积物的形貌;用傅立叶变换红外光谱仪(Nicolet Avatar 360)分析PCL/ASA复合材料的复合情况以及浸泡模拟体液后复合材料的沉积物成分的特征基团;使用比重瓶法测定PCL/ASA复合材料的孔隙率[25]：每种样品各取三个,平行测试取其平均值;吸水率的测定：将不同ASA含量的PCL/ASA复合材料置于烘箱中烘干24 h直至恒重W1,然后在蒸馏水中浸泡24 h后取出,用滤纸吸干表面水分称至恒重为W2。计算吸水率W(%) [26]时每种样品各取三个,平行测试取其平均值：W(%)=(W2-W1)/W1×100%,式中W1,W2分别为浸泡前后样品的质量(g);使用浸泡1.5 SBF[27] (1.5SBF离子浓度为SBF离子浓度乘以1.5倍而得)溶液测定PCL/ASA复合材料的体外生物活性：将待测样品置于1.5 SBF溶液中,在37℃恒温水浴中分别浸泡7 d和14 d,每2 d更换一次浸泡液,取出后用蒸馏水漂洗并置于40℃干燥箱中烘干。
1.3.1 ASA标准溶液的配置 将 0.5g ASA置于烧杯中,用无水C2H5OH配制浓度为10 mg/mL的无水C2H5OH浓溶液50 mL;将1 mL该浓溶液置于有100 mL无水C2H5OH的锥形瓶中,得到100 μg/mL的标准溶液;用移液管分别准确吸取0.2、1、2、4、7 mL的标准溶液,使用上步配制的1.5 SBF溶液定容至50 mL,即得到浓度为0.4、2、4、8、14 μg/mL的溶液;在ASA的最大吸收波长λ=202 nm处分别测定各溶液的吸光度[16],然后根据所测吸光度值由浓度(C)对吸光度(A)进行回归得到ASA的标准曲线方程。
1.3.2 ASA的体外释放的测定 将一定质量真空干燥的PCL/ASA复合材料置于盛有10 mL 1.5 SBF溶液的锥形瓶中,在37℃温度下以150 r/min的速率分别振荡1、2、4、7、11、18、27、37、48和72 h。取出5 mL样品,用紫外可见分光光度计在ASA的最大吸收波长λ=202nm处测量该样品溶液的吸光度值。取出5 mL样品溶液后向锥形瓶中补加5 mL的1.5 SBF模拟体液,以保持锥形瓶中1.5 SBF模拟体液体积不变。根据前面已得的ASA标准曲线方程计算阿司匹林的浓度,然后根据如下公式计算累计释药百分率并作相应曲线[16]。
累积释药百分率:
式中C是药物浓度,V是溶液体积,M是样品质量,ω是药物质量百分数。
图2给出了ASA含量不同的PCL/ASA复合材料的SEM照片。从图2a,b可见,未添加ASA的纯PCL材料的基体由互相联结的球体结构构成,而球体结构的微观壁体结构由均匀的纳米纤维网络结构构成,其纤维直径约为50~300 nm。添加ASA后球体结构逐渐消失,纤维结构也发生了变化(图2c~h)。添加量为5%的复合材料其基体结构由原来球体结构变成了更为松散的球状结构,纳米纤维网络结构已经消失(图2c, d),取而代之的是微米级别以上的一些纤维网络结构。阿司匹林含量为10%(图2e, f)复合材料其球状基体结构基本消失,由一些花簇状的结构组成,在高倍电镜下基体不再是纤维结构,而是由一些片状结构组成,片的厚度仍为纳米级别。ASA含量达到15%的复合材料其基体结构由一些花簇状结构和部分团状结构构成,在高倍电镜下这些花簇状结构或团状结构不再是纤维结构或片状结构,而是由一些实壁结构构成(图2g, h)。由此可见,添加不同含量的ASA对PCL纳米纤维结构有重要的影响。其用意是,ASA作为小分子添加到复合体系中作为杂质影响了相分离过程PCL分子链的有序性,从而影响了相分离初期PCL微晶的形成和纳米纤维结构的形成。
图2 不同ASA含量的PCL/ASA复合材料的电镜照片
Fig.2 Scanning electron micrographs of PCL/ASA composites prepared with different ASA ratio (a, b) 0; (c, d) 5%; (e, f) 10% ; (g, h) 15%
阿司匹林的分子中含有羧基易于产生分子间氢键,由此固体中大部分状态都以二缔合体的形式存在,其特征吸收峰表现为在920 cm-1附近有-OH的面外弯曲振动;在1725 cm-1~1695 cm-1有二缔合体的吸收谱带[16];由图3a可见,ASA二缔合体的特征吸收峰都出现了,分别位于915.14 cm-1和1692.31~1754.84 cm-1,而在图3b~d中也出现这几个特征吸收峰,但是强度很弱,其原因可能是ASA的含量较低。对比不同ASA含量的复合材料(图3b~d)和纯PCL材料(图3e)的红外谱图,可见PCL的C-H伸缩振动峰2946、287、1240、933 cm-1和C=O在1727 cm-1处的伸缩振动峰均有出现[28,29];从图中还可以看出,PCL/ASA复合体系中的PCL的C-H伸缩振动峰和C=O峰的位置并不随着ASA含量的变化而位移,但是其强度随着ASA含量的提高明显减弱。这表明,ASA与PCL之间没有发生化学作用,在复合材料中二者只是简单的物理混合。
图3 纯ASA和不同ASA含量的PCL/ASA复合材料的FTIR谱图
Fig.3 FTIR spectra of pure ASA and PCL/ASA composites prepared with different ASA ratio (a) pure ASA; (b) 15%; (c) 10%; (d) 5%; (e) pure PCL
由图4a~d可见,不管是否添加ASA,浸泡SBF 7 d后材料表面均能诱导沉积物形成。从图4b可见,ASA的含量为5%时沉积物最为明显,且颗粒也较大;而未添加ASA、添加10%和15%的样品诱导形成的沉积物的颗粒较小。从图4e和f可以看出,浸泡1.5 SBF 14 d后,添加5% ASA的样品比未添加的样品诱导形成更多的沉积物。图4的结果说明,ASA的含量为5%的材料比纯PCL更有利于生物活性的提高,这可能与阿司匹林具有较好的生物相容性有关。而添加过多的ASA对生物活性反而没有太大的促进,可能与复合材料的基体结构有关。根据结构分析,未添加ASA的PCL材料的基体由纳米纤维结构构成,这种纳米纤维结构有利于材料生物活性的提高[24]。ASA的含量为5%的PCL/ASA复合材料虽然纳米级别的纤维消失,但是基体结构仍然是由微米级别的纤维结构构成。而ASA的含量为10%和15%的复合材料没有显现出较好的生物活性,因为添加这些ASA使复合材料的纳米纤维结构彻底消失。
图4 ASA含量不同的PCL/ASA复合材料浸泡模拟体液7~14 d的SEM照片
Fig.4 Scanning electron micrographs of the PCL /ASA composites immersed in SBF with 7~14 d (a) 7 d, 0 ASA; (b) 7 d, 5% ASA; (c) 7 d, 10% ASA; (d) 7 d, 15% ASA; (e) 14 d, 0 ASA; (f) 14 d, 5% ASA
从ASA的含量为5%、在1.5 SBF中浸泡0 d和7 d的样品表面刮下粉末,进行的红外测试。图5给出了FTIR谱图。如图5b所示,在浸泡7 d的PCL/ASA复合材料其红外谱图中出现了磷酸根的特征吸收峰,分别位于450.70,598.59,961.97,1047.02 cm-1,且在839.44 cm-1处和1400~1460 cm-1处出现碳酸根的特征吸收。对于在1422.54 cm-1和1469.01 cm-1分裂成两个峰的样品,说明碳酸根进入磷灰石结构中[24]。因此从红外谱图可知,PCL/ASA复合材料在浸泡1.5 SBF后可诱导形成碳磷灰石(CHA),表明该PCL/ASA复合材料有较好的生物活性。
图5 PCL/ASA(5%)复合材料浸泡模拟体液的FTIR谱图
Fig.5 FTIR spectra of PCL/ASA (5%) composite after immersed in 1.5 SBF for (a) 0 d and (b) 7 d
由表1可见,随着ASA添加量从0提高到15%,PCL/ASA复合材料的孔隙率从96.67%下降到52.28%,吸水率却从38.00%上升到59.34%,即ASA复合材料的孔隙率和吸水率表现出不同的变化趋势。PCL/ASA复合材料的孔隙率下降的原因,可能是ASA与PCL之间没有真正的相容性,ASA只是填充在PCL材料的空隙间;另一方面,从电镜照片可见,随着ASA含量的提高纳米纤维结构逐渐消失,这可能是孔隙率下降较大的主要原因[24]。随着ASA含量的提高吸水率随之提高,表明ASA能改善纯PCL材料的亲水性能。ASA的结构易于与水分子形成氢键,当与PCL 复合可有效提高PCL材料中的亲水基团含量,因此提高了PCL/ASA复合材料的亲水性。
表1 不同阿司匹林含量的PCL/ASA复合材料的孔隙率和吸水率
Table 1 Porosity and water absorbing rate of PCL/ASA compowite with different content of ASA
| ASA/%, mass fraction | Porosity/% | Water absorbing rate/% |
|---|---|---|
| 0 | 96.67 | 38.00 |
| 5 | 73.89 | 44.55 |
| 10 | 72.31 | 55.34 |
| 15 | 52.28 | 59.34 |
2.5.1 阿司匹林标准曲线方程 浓度分别为0.4、2、4、8、14 μg/mL的ASA溶液,在λ=202 nm处的吸光度值分别为：-0.087、0.076、0.308、0.745、1.259。图6为将浓度(C)对吸光度(A)进行回归所得的结果,可得ASA的标准曲线方程为C=9.9761A+1.089,且R2=0.996,接近于1,表明该回归有较好的拟合结果。
2.5.2 ASA含量对PCL/ASA复合材料的药物缓释性能的影响 由图7可见,随着ASA含量的提高,PCL/ASA复合材料累积释药百分率减少。以释放72 h为例,ASA含量为5%的样品累积释药率为25.23%,ASA含量为10%时为10.61%,ASA含量为15%时则为7.33%;另外,随着释放时间的增加,ASA含量为5%的样品在前18 h的释放过程累积释药率的变化幅度不大,但是过了18 h后其释放率有较明显的增加;ASA含量为10%和15%的样品在实验时间内的累积释药率的变化幅度不大。苏瑛杰等[2]和蒋岩岩等[16]分别用PVA/淀粉和PLA/SF作为阿司匹林的释药载体,均得到载药量越大则药物的释放速率和释放量越大的结论。但是本实验却没有得到相同结论,可能与复合材料的具体结构有关。由上面不同ASA含量的PCL/ASA复合材料的电镜图分析可知,ASA含量为5%的PCL/ASA复合材料的基体结构由近于纳米的微米级纤维结构构成,而ASA含量为10%和15%的PCL/ASA复合材料的结构则由非纤维结构构成。这说明,ASA含量为5%的PCL/ASA复合材料的基体结构可能属于载药缓释的纳米系统范围1~1000 nm[21],因此具有较大的比表面积。药物释放一般是先从载体的表面或者是与载体结合较松散的部分开始释放的[16],因此ASA含量为5%的PCL/ASA复合材料所具有的结构更有利于ASA的释放。而ASA含量为10%比15%的累积释放量大,应该也与结构有关。从电镜图(图2f, h)可以看出ASA含量为10%的样品虽然不是纳米纤维结构,但其组成为片状结构堆叠而成,而ASA含量为15%的样品则是密实的结构。故ASA含量为10%样品中ASA与外界的接触面积更大,更有利于ASA的释放。ASA含量为5%的样品后期的累积释放率提高,则可能与浸泡后期载体的骨架松散降解等因素有关。
图7 ASA含量对PCL/ASA复合材料缓释性能的影响
Fig.7 Effect of different content of ASA on the controlled-release performance of the PCL/ASA composite
(1) 对于用相分离方法制备的一系列的PCL/ASA药物缓释复合材料,随着ASA含量的提高PCL/ASA复合材料的基体由纳米纤维的球状结构逐渐变成花簇状结构,最后变成非纳米的实壁结构,即添加ASA对复合材料纳米纤维结构的影响很大。
(2) 随着ASA的含量从0提高到15%,PCL/ASA复合材料的孔隙率从96.67%下降到52.28%,吸水率却从38.00%上升到59.34%,即ASA的添加可改善复合材料的亲水性。
(3) 纳米纤维结构和ASA都影响复合材料的生物活性,能诱导类骨碳磷灰石的形成。在PCL/ASA复合材料中 ASA的缓释性能与材料的结构有关,微纳米结构的PCL/ASA复合体系中ASA的累积释药量在同等时间内最大达到25.23%。
The authors have declared that no competing interests exist.
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