（材料科学与工程专业论文）静电喷射技术制备药物缓、控释体系的工艺研究.pdf

摘要 静电喷射技术制备药物缓、控释体系的工艺研究 摘要 随着生命科学、材料学和医药学的迅猛发展以及学科之间的相互 渗透、相互促进，现代药剂学得以飞速发展。然而，药物爆释现象一 直是药剂研究的难点和重点。人们通过新材料的开发、载药方法的改 进、适用药物的选择等手段来减轻甚至消除药物爆释，一直是新制剂 研究中的重要目标。药物制剂领域不断涌现出新技术、新辅料以及新 设备，人们不断深入研究，不断完善剂型和制剂设计理论，不断改进 与创新生产工艺及技术。本章概述了作为药物缓、控释体系中应用最 广、研究最多，也是最有前景的两种药物剂型，微球和核壳结构纳米 纤维，用于制备药物缓、控释载体的聚膦腈和聚n 一异丙基丙烯酰胺的 两亲性嵌段共聚物，以及最有前景的微球和纳米纤维的成型方法 静电喷雾法和乳液静电纺丝法的相关背景知识和研究现状等。 本论文首先采用静电喷雾法制备了粒径窄分布的甘氨酸乙酯苯丙 氨酸乙酯取代聚膦腈( p g p p ) 微球，主要探讨了溶剂、聚合物溶液浓 度、流速、喷射电压及接收距离对p g p p 微球形貌和粒径的影响。研 究发现，微球的表面形貌与溶剂性质和聚合物溶液浓度密切相关，微 球粒径受聚合物溶液流速的影响比较显著，随流速增大粒径呈单调上 升趋势。结果显示：对于 n 】o 1 d l g 的( 甘氨酸乙酯) o 3 ( 苯丙氨酸 乙酯) o 7 取代聚膦腈，以其体积浓度为2 5 的四氢呋喃溶液进行静电 北京化工大学硕j ：学位论文 喷雾，可获得粒径为1 2l am ，粒径窄分布，且近似球形的微球，其工 艺条件可进一步用于载药聚膦腈微球的制备和缓、控释研究。 其次，本论文成功合成了聚n 异丙基丙烯酰胺b 聚己内酯两亲、 温敏性嵌段共聚物，并利用乳液电纺丝技术制备其具有核壳结构的纳 米纤维。采用扫描电子显微镜和透射电子显微镜分别对乳液电纺纤维 的形貌、尺寸及其分布、核壳结构等进行了探索，并与常规溶液的电 纺纤维进行了对比。研究结果表明：同常规溶液电纺纤维相比，乳液 电纺所得的核壳结构的纳米纤维，具有尺寸更小、分布更窄的特点， 随着聚合物分子量和纺丝工艺参数的改变，纤维平均外径为 1 5 0 7 0 0 n m ，纤维壳层和核层界限清晰。其工艺条件可进一步用于载药 聚n 异丙基丙烯酰胺b 聚己内酯核壳纳米纤维的制备和缓、控释研 究。 关键词：静电喷射，微球，核壳纳米纤维，聚膦腈，两亲性嵌段共聚 物 i i 摘要 p r e p a r a t i o no fm i c r o p a r t i c l e sa n d c o r e s h e l ln a n o f i b e r sv i a e l e c t r o h y d r o d y n a m i c t e c h n i q u e a b s t r a c t m o r d e mp h a r m a c yh a sd e v e l o p e da c c o m p a n i n gw i t ht h ep r o g r e s so f m a t e r i a ls c i e n c e sa n db i o m e d i c a lt e c h n o l o g y h o w e v e r , t h e r ei sap r o b l e m e x i s t i n gi nt h ep h a r m a c e u t i c a lr e s e a r c hw h i c hi st h et r o u b l eo ft h ei n i f i c i a l b u r s tr e l e a s eo fd r u g b a s i n go nt h er e a s o n ，m a n yn e wm a t e r i a l sa n dn e w p r o c e s s e sh a v eb e e ne x p l o i t e dt oi m p r o v et h ee f f e c ta n dp r o p e r t i e so ft h e d r u ga n do b t a i ni d e a lc o n t r o l l e dr e l e a s es y s t e m t h i sc h a p t e rs e e k st ob r i n g t o g e t h e rt h ec o n c e p t i o na n da p p l i c a t i o no fd r u gd e l i v e r ys y s t e r n t h e nt h i s a r t i c l ef o c u s e so nt h es t u d yn o to n l yo ft h em i c r o s p h e r ea n dn a n o f i b e r sb u t a l s oo ft h e i rp r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e st h a ta r ee l e c t r o s p r a ya n de m u l s i o n e l e c t r o s p i n n i n g f i r s t l y , t h i sc h a p t e rd e s c r i b e dt h eu s eo fe l e c t r o s p r a yt e c h n i q u et o p r e p a r ep o l y ( e t h y l g l y c i n o ) 一( p h e n y l a l a n i n ee t h y le s t e r ) p h o s p h a z e n e 】 ( p g p p ) m i c r o p a r t i c l e sw i t hv e r y l o wp o l y d i s p e r s i t y t h ee f f e c t so f p r o c e s s i n gp a r a m e t e r ss u c ha ss o l v e n t ，p o l y m e rc o n c e n t r a t i o n ，l i q u i df l o w r a t e ，a p p l i e dv o l t a g ea n dr e c e i v i n gd i s t a n c eo nt h em o r p h o l o g ya n ds i z eo f p g p pp a r t i c l e sw e r ei n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l y t h em o r p h o l o g i e so ft h e e l e c t r o s p r a y e dp g p pm i c r o p a r t i c l e sw e r eo b s e r v e db ys c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p e ( s e m ) ，a n dt h ep a r t i c l es i z e sw e r ea n a l y z e db yi m a g e jb a s i n g o ns e m p h o t o s i tw a sf o u n dt h a tt h em o r p h o l o g yo fp g p pm i c r o p a r i t c l e s d e p e n d e do np o l y m e r i cc o n c e n t r a t i o ns i g n i f i c a n t l y a sp g p pc o n c e n t r a t i o n i n c r e a s e df r o m1ot o3 0 ( w v ) ，r o u n d e rp a r t i c l e sc o u l db ef o r m e d t h e p a r t i c l e sw h i c hu s e dt e t r a h y d r o f u r a n ( t h f ) a st h es o l v e n to fs p r a y i n g s o l u t i o nw e r el e s sa g g l o m e r a t e dt h a nt h a tl ，4 d i o x a n ea st h es o l v e n t ，o w i n g t ot h er e l a t i v e l yf a s t e re x t r a c t i o nr a t eo ft h et h er e s u l t se x h i b i t e dt h a tt h e l i q u i df l o wr a t em a i n l yi n f l u e n c e dt h es i z eo fm i c r o p a r t i c l ec o m p a r e dw i t h a p p l i e dv o l t a g ea n dr e c e i v i n gd i s t a n c e i ti n d i c a t e dt h a tt h ep a r t i c l es i z e i n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n gf l o wr a t e g e n e r a l l yo b e y i n gt h es c a l i n gl a w , w h i l ew i t hd e c r e a s i n gv o l t a g ea n di n c r e a s i n gd i s t a n c e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s d e m o n s t r a t e dt h a tp g p pm i c r o p a r i c l e sw i t hn e a r l ys p h e r i c a lp a r t i c l e sw i t h a b o u t1 2 1 a mc o u l db eo b t a i n e db ye l e c t r o s p r a y i n g2 5 ( w v ) p g p p t h f i i i 北京化工大学硕士学位论文 s o l u t i o na t o p t i m i z e dp a r a m e t e r s i ns h o r t ，a sc h a n g i n gt h e v a r i o u s p r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ，c o n t r o l l a b l ep a r t i c l es i z ea n ds h a p ec a nb ea c h i e v e d ， t h e r e f o r e ，e l e c t r o s p r a y c a nb e u s e dt of a b r i c a t e d r u g 1 0 a d e dp g p p m i c r o p a r t i c l e sf o rf u r t h e rr e s e a r c ho nt h ec o n t r o l l e dd r u gr e l e a s e ，w h i c h m a y h a v ep o t e n t i a la p p l i c a t i o n si ni n h a l e dd r u gd e l i v e r ys y s t e m s s e c o n d l a m p h i p h i l i cb l o c kc o - p o l y m e rp o l yn i s o p r o p y l a c r y l a m i d e b p o l y c a p r o l a c t o n en a n o f i b e r sw i t ht h ec o r e s h e l ls t r u c t u r eh a db e e n p r e p a r e db yt h eu s i n go fe m u l s i o ne l e c t r o s p i n n i n g t h ee f f e c t so fe l e c t r i c a l f i e l ds t r e n g 也a n dn u m b e r - a v e r a g em o l e c u l a rw e i g h to fp o l y m e ro nt h e m o r p h o l o g ya n ds i z eo ft h e c o r e s h e l ln a n o f i b e r sw e r ei n v e s t i g a t e d s y s t e m a t i c a l l y t h em o r p h o l o g i e so ft h ee m u l s i o ne l e c t r o s p i n n i n gc o r e s h e l ln a n o f i b e r sw e r eo b s e r v e db ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m l a n dt r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e ( t e m ) t h e nt h es i z e so ft h e c o r e s h e l ln a n o f i b e r sw e r ea n a l y z e db yi m a g e jb a s i n go ns e ma n dt e m p h o t o s i tw a sf o u n dt h a tt h em o r p h o l o g yo fc o r e s h e l ln a n o f i b e r sw a s i n f l u e n c e db yn u m b e r - a v e r a g em o l e c u l a rw e i g h to fp o l y m e rs i g n i f i c a n t l y , w h i l ew a sa f f e c t e d1 i t t l eb ye l e c t r i c a lf i e l ds t r e n g t h a sn u m b e r - a v e r a g e m o l e c u l a rw e i g hi n c r e a s e df r o m12 0 0 0t o9 0 0 0 0 m o r es t r a i g h ta n db e t t e r l o n gf i b e r sc o u l db ef o r m e d a n dt h ef i b e r sd i a m e t r ed e c r e a s e ds l i g h t l y w i t ht h ei n c r e a s i n ge l e c t r i c a lf i e l ds t r e n g t h t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h e e m u l s i o ne l e c t o s p i n n i n ga n dc l a s s i c a le l e c t o s p i n n i n gh a sb e e ni n v e s t i g a t e d t h er e s u l t sa s s u m e dt h a tt h et h i n n e ra n dm o r es t r a i g h tf i b e r sw i t hm u c h l o w e rp o l y d i s p e r s i t yc a nb eg a i n e db ye m u l s i o ne l e c t o s p i n n i n g t h e p o l y m e rs o l u t i o n a l lu s e dt r i c h l o r o m e t h a n e ( t c m ) a st h es o l v e n to f e l e c t r o s p i n n i n gs o l u t i o n e x p e r i m e n t a l r e s u l t sa l s od e m o n s t r a t e dt h a t u l t r a f i n ef i b e r sw i t hc o r e s h e l ls t r u c t u r ew h i c hs i z ea r eb e t w e e n15 0 n ma n d 7 0 0 n mc o u l db eo b t a i n e db ye l e c t r o s p i n n i n g1 4 ( w v ) b s a p o l y m e r t c m e m u l s i o na tc e r t a i np a r a m e t e r s i ns h o r t ，a sa d j u s t i n gt h ev a r i o u sp r o c e s s i n g p a r a m e t e r s e x p e c t e ds i z ea n ds t r a i g r i tc o r e s h e l ln a n o f i b e r sc a l l b e a c h i e v e d ，e m u l s i o ne l e c t r o s p i n n i n gc a nb eu s e dt of a b r i c a t ed r u g 1 0 a d e d c o r e s h e l ln a n o f i b e r sf o rf u r t h e rr e s e a r c ho nt h ec o n t r o l l e dd r u gr e l e a s e w h i c hm a yh a v ep o t e n t i a la p p l i c a t i o n si ns a c f f o l d se n g i n e e r i n g k e y w o r d s ：e l e c t r o h y d r o d y n a m i c s ，m i c r o p a r t i c l e s ，c o r e s h e l l n a n o f i b e r s ，p o l y p h o s p h a z e n e ，a m p h i p h i l i cb l o c kc o p o l y m e r i v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：图画圆日期： 扭：吐：盛 一 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京 化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本 授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权 书。 作者签名： 导师签名：日期：! ! 兰! ： 第一章绪论 1 1 药物缓、控释药体系 第一章绪论 在生命科学、材料学和医药学各学科的迅猛发展以及其相互渗透、相互促进 的基础上，现代药剂学得以迅速地发展。由于传统的给药系统功能较为单一，或 是需要定时给药，或是血药浓度难以维持在有效制药浓度的范嘲内，不仅药效低， 且给疾病患者带来诸多不便，因而人们在药物制剂的领域内不断深入研究，新技 术、新配方等不断被研发出来，药物剂型及其设计理论不断得以完善，生产工艺 及技术不断得以改进与创新。截至目前为止，药物制剂体系已成功发展了四大类 型的给药系统【l 】：普通给药系统( 如片剂、胶囊剂、注射剂等) ；缓释给药系统( 如 延时给药、长效制剂以及一些按非零级动力学给药的制剂) ；控释给药系统( 如按 零级动力学释药或定时、定位释药制剂及“智能化 自调控系统) ：靶向给药系统 ( 如脂质体、微囊、微球、磁性微球等) 。其中，药物控制释放体系诸如缓释、脉 冲和靶向【2 l 等越来越受人们关注。下面先简单介绍一下药物缓控制释放的相关概 念。 从广义上讲，理想的药物缓、控释药体系 2 - 3 是一种智能给药体系，是将高分 子聚合物作为药物的载体或介质，通过一定加工成型方法制成一定的剂型，控制 药物在人体内的释放行为( 如释药速率、释药时间及释药量等) ，使药物按设计的 剂量、在要求的时间范围内，以一定的速度在体内某定点部位( 病灶处) 释放， 并保持有效的血药浓度，在不造成药物副作用的情况下，以达到治愈某种疾病的 目的。 自2 0 世纪7 0 年代开始，缓、控释给药系统已成为药剂学领域的重要发展方 向之一。药物控制释放体系在治愈疾病方面有着传统给药方式所不可迄及的优势 【3 】：( 1 ) 在生物体内环境中所释放的药物浓度较稳定；( 2 ) 药物利用度明显高于传统 给药体系；( 3 ) 药物靶向性得以大大提高，药物刺激及副作用却明显减少；( 4 ) 用药 次数减少，使用方便。 药物缓、控释药体系分类方式有很多种。其中，按药物释放机理【3 j 的不同，药 物控制释放体系可分为化学控制释放体系、扩散控制释放体系、药物脉冲释放体 系、溶剂渗透控制释放体系等。依据不同的制备工艺1 4 】，可以分为脂质体、植入型 给药制剂、微囊与微球、膜控型制剂等等。根据药物与高分子载体之间的作用方 式，高分子药物控制释放体系又可以分为两类，即药物以物理方式直接被高分子 载体包埋的药物缓释体系和药物与高分子载体以化学键相连接的高分子载体药 物。 北京化工大学硕二i ：学位论文 近年来，具有生物活性的药物，如蛋白质和多肽类越来越多地被用于预防和 治疗疾病中，然而这类药物在单独用药时存在许多的缺陷【5 】。首先是较难保持其活 性的问题。由于传统的药剂成型工艺需要大量使用有机溶剂，使得药物活性严重 丧失，药效不仅大打折扣，还可能因药物变性而带来药毒。其次，由于它们在体 内极易被酶类化学物质所降解，因此导致其在体内的生物利用度大大降低。尤其 是这类药物在体内的循环半衰期通常较短，需要频繁给药，由此导致体内的血药 浓度波动较大，容易引起毒副作用。出于以上种种不利因素的考虑和探讨研究， 研究学者们总结出将其制成缓释系统的必要性和有效性。许多缓释系统已经应用 于蛋白质、多肽等活性药物的研究中，主要包括注射剂和埋植剂【6 】等。其中，尤其 以缓释微球和纳米纤维最有临床应用前景【4 6 j 。 1 1 1 缓释微球 近几十年来，微型包囊与微型成球技术已成功地被应用于新的药物制备工艺 中。微型包囊术( 简称微囊化) 是成囊和成球等制备过程的通称。严格说来，利 用高分子材料作为囊膜，包裹固体或液体药物的囊心物，这样的仓储型微胶囊称 为微囊。微球则是将药物或其他活性成分溶解或分散在可生物降解的高分子材料 基质中，经固化而成的基体型微小球状实心固体。微球与微囊不加以严格区分， 统称为微粒【4 j 。 微球制剂以其独特的靶向性和药物缓释性优势应用于注射、鼻腔、口服及局 部给药等多种给药途径的研究中【。7 1 ，已经成为近几十年来缓、控释剂型研究的热点， 报道证明了可将胰岛素制成微球1 ：3 服制剂【8 。1 0 1 ，这种胰岛素口服制剂具有明显的降 血糖作用，并且比起传统的注射类制剂疗效更好，利用度更高。 缓释微球的优势在于：( 1 ) 药物的释放速率可控，药物释放长效。通过调节微 球囊材的化学组成和分子量，可以调控药物的释放行为，减少给药次数，消除药 物峰谷现象等；( 2 ) 提高药物的靶向性。药物在靶部位集中释放，以达到局部治疗 的药物有效浓度；而非靶部位药物的浓度尽可能降低，从而减小药物毒性和不良 刺激，在提高疗效的同时降低毒副作用。研究发现，在制备缓释微球的过程中， 可以通过调节微球粒径而赋予药物的靶向特性【i ，并在靶区附近快速达到所需药 物浓度；利用微球在体内分布的特异性以及药物的缓释性，则可以大幅度降低药 物的毒副作用，提高药物的生物利用度【1 2 1 。尤其是粒度单分散的聚合物微球具有 比表面积大、吸附性强及凝集作用大等特性，在药剂学和临床等许多领域都用途 广泛【l 引，因而其研究越来越引起了重视。 总的说来，缓释微球的制备方法不外乎以下几种：乳化固化法、喷雾干燥法 和相分离法等。乳化固化法的原理在于利用溶剂自行挥发、加热、化学交联的方 2 第一章绪论 法除去溶剂，由于这种成型工艺极易导致蛋白质类药物失活而失去药效，故不适 合具有生物活性、且不稳定的蛋白质类药物。喷雾干燥法是利用喷出微球表面的 溶剂在热气流中迅速挥发的原理来制备微球的，因而不利于热敏感性的生物活性 药物的包埋，并且难以控制微球的粒径。相分离法可能有较多量的有机溶媒残留， 包埋率低，工艺难以控制并且制得的制剂难以达到缓、控释目的等缺点【1 4 以6 】。 蛋白类药物的稳定性差，物理化学性质容易遭到破坏而失活，不但药效下降， 还可能在体内产生不良反应。传统微囊化过程中往往需要搅拌，超声处理，以及 使用有机溶剂，这些因素都可能导致蛋白质发生物理和化学变化。为此，如何提 高蛋白类药物在包裹和使用过程中的稳定性始终是人们岌待解决的困难。 近年来，由静电喷射法制得的药物微、纳米控释系统具有尺寸可控性好、比 表面积大、制作简便等优点，这种技术已成为一种简单有效的释药系统成型工艺， 引起了人们的广泛关注。 x i e 等人【l7 j 利用静电喷雾法获得了粒径为2 5 0 n m 的p l g a 纳米球。并证实了通 过调节多种工艺参数，如聚合物溶液浓度、聚合物溶液流速、表面活性剂、无机 盐和设备装置结构，可以获得一定尺寸和表面形貌的微球。 d i n g 等人t t q 利用静电喷雾法制备了载有紫杉醇的p c l 微球，产率高达8 0 。实 验还证实了该电喷微球具有近似单分散的粒径分布特点，并且药物包封率很高， 药物释放长达一个多月之久。 1 1 2 纳米纤维 人们对于新型给药系统的研发给予了越来越多的关注，研究发现，相对于注 射、口服、植入式给药方式而言，通过包埋药物的织物进行透皮式或吸入式给药， 更加方便和安全【1 9 】。载药纤维已成为一种十分有效的医用剂型，被广泛应用于生 活保健、外科手术、组织工程等各种领域。纳米纤维由于纤维直径更细小，具有 更大的比表面积和表面活性，因此表现出与传统纳米纤维不同的性能。例如，纳 米碳纤维材料具有良好的强度、硬度和韧性等性能【2 0 1 ，同时由于纳米纤维与天然 细胞外基质纤维结构的相似性，该纤维材料已被广泛用于生物组织工程中人工骨、 人工齿、人工肌腱的修复应用。但目前的药物纳米纤维中用于治疗的还不多，其 性能优势还有待开发，研究治疗用的药物纳米纤维具有广阔的前景。 从理论上说，所有天然纤维及具有成纤维性的材料均可用作药物纤维的制备 材料。纤维的制备方法有很多，文献中报道最多的是传统纺丝技术、高压静电纺 丝技术、非织造布技术等。静电纺丝技术被认为是最有可能实现纳米纤维工业化 生产的方法，已成为近年来研究的焦点。许多学者利用其进行载药纳米纤维的制 备，并获得了理想的控释效果。同载药微球一样，为了满足力学性能、载药性能 3 北京化工大学硕士学位论文 及药物控释性能，通常采用一种或几种可降解聚合物来制备载药纤维。如p c l 、 p l a 、p l g a 、p e g 、p m m a 等聚合物均被广泛用于载药纤维的制备。 静电纺丝法被公认为是制备聚合物纳米纤维最有效的方法之一1 2 。然而，传 统静电纺丝技术制备的超细载药纤维，大都是只具有单一横截面结构的载药纤维。 根据“极性相似相容”原理，我们不难理解，油溶性药物可以直接被载入疏水性 的高分子中，制成载药纤维，随着聚合物在体内逐渐降解，从而实现缓慢释放； 水溶性药物自然也可被亲水性的聚合物溶解，制得载药纤维，但是由于在人体内 这个水溶液环境中，水溶性的载药纤维会被人体血液或组织流体很快溶解，不仅 无法达到“控释 的目的，而且药物的“爆发释放 还将带来的巨大的毒副作用。 但倘若将水溶性药物直接载入疏水性聚合物，由于药物无法溶解形成均一的药物 溶液，不但效果不好，并且药物“爆释”现象还会加剧。这样得到的载药纤维的 给药体系稳定度较低，从而限制了药物的生物利用度和缩短了药物在体内的半衰 期。释放性能可控的给药体系对于不同释放行为和不同释药速率的蛋白质类药物 的给药十分有效。相比较而言，类似于铅笔的多组分分层即核壳结构的纳米纤维 可实现具有生物活性蛋白质、多肽等大分子药物或水溶性药物的包埋，在制备药 物控释和组织工程支架材料的应用方面更具优势【2 2 - 2 4 】。核壳结构的纳米纤维的芯 质与表层材料互异，壳层可采用疏水性的生物可降解高分子材料，对于芯层则采 用亲水性的高分子，水溶性的药物得以被良好的包覆在纳米纤维的芯部，因此有 望缓解药物突释现象，从而满足水溶性药物的控释需求。大量实验报道证实了核 壳纳米纤维的结构特性，有利于减少药物的初期爆发释放率，提高载药体系的稳 定性，从而保持释药行为的稳定性、可控性以及有效性，获得稳定的释药行为。 将该体系应用于制备载有生物活性或水溶性药物的组织工程用支架，十分具有前 景。 例如，z h a n g 等【2 5 】将荧光标识的牛血清白蛋白f 1 t c b s a 载入芯层为p e g 的 纺丝液中，以疏水性的p c l 为外层，制成核壳结构的p c l r - f i t c b s a p e g 微纳 米纤维可以明显的缓解f i t c b s a 在释放初期的突释现象。 1 2 静电技术 静电喷射是一种利用电流体动力学射流技术将聚合物溶液或熔体制成微、纳 米粒子或纤维状物质的方法【2 6 - 2 0 ，其基本原理在于：向以一定流速流出的聚合物 溶液或熔体施加成千上万伏的高压静电，在外加电场作用下，由于受到电场力的 诱导，使得聚合物流体内部聚集大量电荷，高分子液滴受表面张力作用而保持在 喷嘴出口处，与此同时，液滴受到一个与表面张力方向相反的电场力。随着电场 强度逐渐增大，喷嘴处的液滴由球状拉长为锥状，称之为泰勒锥。当电场强度达 4 第一章绪论 到一个临界值电荷产生的静电力足以克服流体的表面张力时，液滴便从“泰 勒锥 中喷出。由于同种电荷之间的排斥作用，喷射流在电场的作用下发生震荡 而不稳定，产生频率极高的不舰则性螺旋运动，喷射流被迅速拉细，溶剂也迅速 挥发。当细流劈裂到一定程度，随着溶剂的挥发，而国化成为微、纳米颗粒或者 纤维，随即落到接收装置上。 通过调节工艺参数，静电喷射技术能够将药物包封在聚合物微、纳米颗粒或 纤维材料中，制成具有高度靶向性的药物缓释制剂，可使药物保持高度稳定的分 散，并且对药物活性几乎不产生不利影响，具有长效缓释，降低毒副作用的特点， 已成为制备药物控释体系的研究热点之一【2 引。根据产物的形态不同，静电喷射技 术包括静电喷雾成型法，以及静电纺丝法两大类【2 9 。 1 2 1 静电喷雾 静电喷雾法是电流体动力雾化法的简称，它是利用静电力场的作用使流体雾 化的一种方法。静电喷雾法具有以下优点【1 7 - 1 8 , 3 5 】： 得到的微滴尺寸小，可达l 微米以下； 粒径均一度高，大小分布范围窄，接近于单分散； 带电液滴之间相互排斥，不会发生凝聚现象； 微滴的运动状态及产物的尺寸、形态比较容易控制； 微粒沉积率较高； 利于蛋白质、多肽及d n a 等具有生物活性的药物的包埋不改变生物活 性类药物的化学、微观结构及性质，能有效保护药物的活性，使得此类药物的疗 效显著提高； 方法简便。 这些特点，使其广泛应用于表面涂层技术、薄膜生产、及电喷洗技术、仪器 制造业及药物控释系统当中。尤其是在开发新的药物控释系统的应用上，具有极 其广阔的前景。 文献【3 0 】中报道的静电喷雾法按其弯液面形状、射流运动方式及其分裂形成碎 片的方式可分为两大模式：点滴式和射流式。其中，按照形成液滴的形态及大小 不同，点滴式又可以分为普通点滴式、微滴式、纺锤式及不规则式。按照射流运 动方式不同，射流模式可分为锥形射流式、振荡式、旋进式以及多射流式模型。 图1 1 为文献【3 0 】中所报道的几种不同的静电喷雾模式。 5 北京化工大学硕十学位论文 ： c o n e - j e tm o d e 0 。| j 、 户凤 e - 。，l 、。 p r e c e s s i o nm o d e m u l t i j e tm o d e 图1 - 1 各种模式的静电喷雾成型【3 0 1 f i g 1 - 1v a r i o u sm o d e so fe l e c t r o s p r a y i n g r 【3 0 】 在如此之多的静电喷雾成型模式中，锥形射流式尤为重要。 研究报道1 3 0 】发现，通过改变流速，电压等工艺参数，选择适当的条件，可以 有效调节粒子大小。比如，通过调节流体流速和喷射电压，可在一定程度上控制 液滴的产量和粒径大小。而不同形貌的固体颗粒( 包括球形粒子，粒子和空心微 粒) 的形成原因，取决于溶剂的蒸发速率和聚合物溶液的性质不同。不同的聚合 物浓度可能会影响到颗粒大小和形态。x i i j 等人利用静电喷雾成型法制备了包埋 有治疗c 6 神经胶质瘤药物的聚合物微粒，发现降低聚合物浓度，可以显著减小粒 径。当聚合物溶液浓度从6 下降至0 5 时，微粒表面由光滑变的粗糙褶皱，随着 聚合物溶液浓度下降，微粒从球形变为凹面的不规则形状。此外，在相同的工艺 条件下，用不同聚合物溶液制备得到的微粒也会具有不同形貌和粒径。 ) ( i c 【3 5 】等人利用静电喷雾法成功制备了载有b s a 的可生物降解p l g a 缓释微 球。这种缓释微球表面光滑、粒径均一，平均粒径在2 0 p r o 左右。通过各种表征方 法得知，b s a 在从聚合物微球中释放后仍能保持其结构的完整性及二级结构不改 变。释药后，8 0 以上的b s a 的活性一如既往。 w u 【3 6 】等人利用静电喷雾法获得了粒径：白- 4 - o 3 p m 、不同微观孔结构的p c l 微 球。调查了溶剂和聚合物溶液浓度对微球表面形态和微观结构的影响。实验发现， 通过改变溶剂挥发速率可对p c l 微球的多孔结构进行调控。此外，随着聚合物溶液 浓度增大，微球表面的孔洞直径减小，微球直径增大。 x i e 1 。7 】等人对静电喷雾过程中的各项参数进行了考察，证明了通过调节各项参 数，可以获得粒径和形貌可控的p l g a 纳米球。实验发现，由于无机盐的引入，电 6 目o 门v 第一章绪论 喷溶液的导电性得以增强，因而即使在很高的流速下也能获得粒径约为2 5 0 n m 的 p l g a 纳米球。而使用不同的实验装置，可以调节溶剂挥发速率，因此能获得不同 孔径的固体小球。 由此可见，静电喷雾法是制备微球药物控释体系极具前景的一种成型方法。 1 2 2 乳液静电纺丝 静电纺丝是一种利用聚合物溶液或熔体在强电场作用下形成带同种电荷的喷 射流，经溶剂挥发或熔体冷却而固化，得到纤维的方法【3 7 弓8 1 ，它其实是静电喷雾 技术的变型，其基本原理与静电喷雾技术相差无几。 近年来，静电纺丝技术作为一种制备连续高分子纳米纤维的高效新型加工方 法【2 l 】，引起了人们的广泛关注，并掀起了生物医学领域的研究热潮【3 9 】。由静电纺 丝制备的可生物降解性纳米纤维及纤维薄膜，主要被用做组织工程支架m 4 1 1 和药 物控释载体【4 2 】等等。 利用静电纺丝技术制备组织工程支架材料的优势在于【2 1 4 3 删：可制备直径为 纳米级的超精细连续纤维( 5 0 - 5 0 0n m ) ，并且此超细纤维具有比表面积大、孔径 小、孔隙率高、纤维均一性好，机械性能更高，以及直径与细胞外基质内胶原纤 维相近的特点，从而可最大程度地模仿细胞外基质天然结构；适用材料范围广 泛，理论上任何可溶解或熔融的高分子材料均可进行电纺丝加工，可以是单一的 聚合物，也可以是多种聚合物的复合体，并可以在支架中引人无机粒子、生物活 性因子甚至活细胞等。目前世界上己成功进行电纺丝加工生物材料包括、胶原、 丝蛋白等天然高分子，以及聚乳酸、聚氨酯等合成类高分子；通过选择适当的材 料和加工参数，能够调控支架材料的孔隙率、厚度、三维结构、降解率和力学性 能等等。 由两种不同的聚合物溶液进行同轴电纺丝可得到核层载药的核壳结构的超细 纤维田彩】，但这种方法对纺丝的仪器设备和工艺条件要求颇高。而采用乳液静电 纺丝在制备核壳结构的纤维方面则更具优势【4 5 1 ，如乳液静电纺丝的操作更简便快 捷，得到的核壳结构的纤维不仅更细且更加均匀，并且避免了同轴纺丝过程中常 出现的内、外纺丝喷头不同轴，以及内、外溶剂选择困难等。这种核壳结构的载 药纤维结构【4 6 】如图1 2 所示，核层为基体式载药，药物均匀分散在核层聚合物基 质中；载药核层被壳层聚合物所包围，共同构成仓储式载药。 7 北京化t 大学碗学位论立 图1 2 坎壳站i j 竹拽药聚舟物针维 4 1 f i 9 1 - 2 d r u g i o a d e d p o b m f i b w d hc o r e 。h e l ls t c i u w 【”】 图1 3 为此核壳结构形成过程f 4 1 的示意图。乳渡电纺纤维的核硫结构得以形 成是由于w o 乳液在电纺过程中，随着溶剂的快速挥发和乳液滴的拉伸，乳液 滴发生“脱乳化”作用所致在此过程中，水溶性聚合物和疏水性聚合物彻底分 层，分别进入纤维的核层和壳层。 一一：燕一黎。眦删m- ! ! ! ! ：7 一 m s n a 士v a 删n n 迥乡一一n 。士= 1 “ l ：叠：；= f = = 3 _ o 一u y f m n h e r 图1 3 桉壳结构蹙物纤维形成示意旧【”】 f i g i - 3s c h 啪a t i c m e c h a n i s m f o r t h e f o r m a t i o n o f c o r e - s h e a t hc o m p o s i t en b e nd u r i n g c 【1 1 u l s i o ae l e c t r o s p i n n i n g 【” 这样的纤维结构具有更优良的性能和用途。可根据药物性质选择不同性质的 溶剂能大大保护药物的活性，有利于水溶性和具有生物活性的药物的包埋：通 过改变核、壳层各材料组分的亲疏水性及调节其分子量，进而可调节纤维的亲疏 水性和分子量；通过控制聚合物的降解速率和药物在聚合物中的扩散速率来调控 第一章绪论 药物的释放行为，以达到缓、控释的目的，有望缓解初期爆发释放的现象。 y a n g 等人【4 跚选用了牛血清白蛋白( b s a ) 作为蛋白质模型，利用乳液电纺法 制备了水油相之比较低的p d l a 超细纤维。通过激光共焦显微镜( l c s m ) 观察到 结构高度完整的纤维。通过十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳法和体积排阻色 谱法来评估b s a 的一级结构。f t i r 测试结果表明，电纺过程对蛋白质的二级结构 的影响比起超声乳化要小得多；体外降解实验表明，相对于无蛋白质载入的纤维， 当蛋白质从载药纤维中释放出来时，可以加速聚合物大分子降解，且药物释放具 有线性释放的特点。所有数据均表明，乳液电纺法所获得的核壳结构的纳米纤维， 其结构特性有利于减少药物的初期爆发释放率，提高载药体系的稳定性，从而保 持释药行为的稳定性、可控性以及有效性，获得稳定的释药行为。将该体系应用 于包埋具有生物活性蛋白质药物的组织工程用支架，十分具有前景。 x u f 4 6 j 等人将油包水( w o ) 乳液进行乳液静电纺丝，成功制得了包埋有水溶 性抗癌药物阿霉素盐酸盐( d o x ) 的仓储型载药超细纤维。他们在水相中溶解了 适量药物形成水溶液，油相为两亲性的聚乙二醇l 型聚乳酸( p e g p l l a ) 两嵌段 共聚物的氯仿溶液，实验中d o x 的用量为1 w t 5 w t 。结果表明，纤维具有p e g 核p l a 壳的结构，纤维的直径范围为3 0 0 n m 1 岬，所有d o x 均被完全包埋在电 纺纤维的p e g 核中。纤维中药物的释放受扩散机制和酶促降解机制共同控制。释 放早期主要是药物扩散机制占主导，一段时间后则由酶促降解机制占主导地位。 p e g p l l a 纤