（材料学专业论文）同轴静电纺丝法制备中药载药材料的研究.pdf

同轴静电纺丝法制备中药载药材料的研究 摘要 聚乳酸 乙醇酸共聚物 p l g a 为壳层材料的复合纤维具有良好的 生物相容性和生物可降解性 且降解速率可由分子量和共聚物组成来调 控 本文采用同轴静电纺丝法制备了具有芯一壳结构的以p l g a 为壳层材 料 聚乙烯基吡咯烷酮 p 伊 为内芯材料的复合纤维 并研究了两种模型 药物 5 氟尿嘧啶和硝苯地平 及中药番荔素在同轴复合纤维载体中的药 物释放行为 应用扫描 透射电子显微镜观察复合纤维的形貌与结构 用 紫外分光光度计测量药物的含量与累积释放率 研究结果表明 通过改变 芯 壳纺丝液浓度 p l g a 的分子量以及l a g a 共聚物组成比 可制得 具有芯 壳结构且直径大小不同的复合纤维 同时 p l g a 的分子量及 l g g a 的组成比也对载药纤维的体外降解和药物释放行为有很大影响 在相似的载体和同轴电纺条件下 负载不同药物的释放行为也不相同 研 究表明随着时间延长和载药纤维膜的降解 5 氟尿嘧啶的药物释放行为是 初期突释 后期释放缓慢 而硝苯地平在前期较快释放后 后期有接近零 级的释放 直至纤维的崩解 同时 载中药番荔素的同轴电纺纤维具有与 硝苯地平相似的释放行为 因此 以p l g a 为壳的载药复合纤维可以满 足中药番荔素在释放时间和释放速率上的要求 使其在药物缓 控 释释 放系统中具有潜在的应用前景 关键词 同轴电纺 p l g a 核 壳结构 复合纤维 番荔素 i l 北京化工大学硕士学位论文 p r e p a r a t i o no fc o a x i a l e l e c t r o s p u n n a n o f i b e rd e l e v e r ys y s t e m a p p l i c a b l et ot r a d i t i o n a lc h i n e s em e d i c i n e a b s t r a c t t h ec o m p o s i t ef i b e r sw i t hp o l y 1 a c t i c c o g l y c o l i ca c i d p l g a a ss h e l l w e r eb i o c o m p a t i b l ea n db i o d e g r a d a b l e a n dt h ed e g r a d er a t ec o u l db ea d j u s t e d b ya d o p t i n gd i f f e r e n tm o l e c u l a rw e i g h t sa n dc o m p o s i t i o no fp l g a w h i c hh a s b e e nw i d e l yu s e da sc a r r i e r st or e a l i z ec o n t r o l l e dd r u gd e l i v e r yi nf o r m so f m i c r o p a r t i c l e so rm i c r o c a p s u l e s i nt h i sp a p e r t h er e l e a s eb e h a v i o r so ft w o t y p e so fm o d e ld r u g s 5 f l u o r o u r a c i la n dn i f e d i p i n e e n c a p s u l a t e di nc o a x i a l e l e t r o s p u nf i b e r sw i t hp l g a a ss h e l la n dp o l y v i n y lp y r r o l i d o n e p v p a s c o r ew e r es t u d i e d r e s p e c t i v e l y t h em o r p h o l o g ya n dc o r e s h e l ls t r u c t u r eo f f i b e r sw e r ec h a r a c t e r i z e d b 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 a n d t r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p e t e m t h e c u m u l a t i v er e l e a s e so f d r u g l o a d e d f i b e r sw e r ee x a m i n e db yu l t r a v i o l e ts p e c t r o p h o t o m e t r y t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tc o m p o s i t ef i b e r sw i t hc o r e s h e l ls t r u c t u r e a n dd i f f e r e n ts i z e so fd i a m e t e r sc o u l db ea t t a i n e d b ya d j u s t i n gl a g a c o m p o s i t i o n m o l e c u l a rw e i g h t so fp l g a c o n c e n t r a t i o no ft h ei n n e ra n dt h e o u t e rs o l u t i o n m e a n w h i l e t h em o l e c u l a rw e i g h ta n dc o m p o s i t i o no fp l g a h a v eag r e a te f f e c to nd r u gr e l e a s ef r o mf i b r o u sm e m b r a n e s t h er e l e a s e i i i 北京化工大学硕士学位论文 p r o f i l e so f5 f ue x h i b i t e dag r e a tb u r s tr e l e a s ew i t ht h ed e g r a d a t i o no fp l g a w h i l et h a to fn i fd i s p l a y e das t e a d yi nv i t r or e l e a s e d i f f e r e n tt y p e so fd r u g s l o a d e di nc o m p o s i t ef i b e r sr e s u l t e di nd i f f e r e n tr e l e a s ep r o f i l e s a l t h o u g ht h e y w e r ep r e p a r e du n d e rt h es a m ep r o c e s s m e a n w h i l e c h i n e s em e d i c i n e a n n o n a c e o u sa c e t o g e n i n s l o a d e df i b e r sw i t hp l g aa ss h e l lh a v et h es i m i l a r r e l e a s eb e h a v i o rw i t hn i f s oc o a x i a le l e c t r o s p u nf i b e r sw i t l lp l g aa ss h e l l c o u l dm e e tt h ed e s i r e dr e l e a s et i m eo fd i f f e r e n td r u g s w h i c hw o u l db ea p p l i e d i nd r u gd e l i v e r ys y s t e mi nt h ef u t u r e k e yw o r d s c o a x i a l e l e c t r o s p i n n i n g p l g a c o r e s h e l ls t r u c t u r e c o m p o s i t ef i b e r s a n n o n a c e o u sa c e t o g e n i n s i v 北京化工大学硕士学位论文 w t p l g a l n g 入 p v p p l a 5 一f u n i f 墩 p c l p e g p l l a p e o p v a p k n p u p b s 符号说明 质量百分数 聚乳酸 乙醇酸共聚物 乳酸 乙醇酸之比 聚乙烯吡咯烷酮 聚乳酸 5 一氟尿嘧啶 硝苯地平 红外光谱 聚己内酯 聚乙二醇 聚 l 乳酸 聚环氧乙烷 聚乙烯醇 聚丙烯腈 聚氨酯 磷酸缓冲液 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 蕉暂主 日期 丝坠兰 至 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 垄堑墨 日期 丝2 笪 兰 导师签名 已为 垄 日期 皇 z 圣 第一章绪论 第一章绪论 静电纺丝 简称电纺 这种思路6 0 年前就产生了 2 0 世纪9 0 年代初美国阿克 伦大学的r e n e k e r 和他的同事u j 对这项技术又产生了兴趣 然而对静电纺丝的大量实 验工作和深入的理论研究 却是近l o 年中随纳米纤维的开发才完成的 由于超细纤 维的优良性能j 人们对其制造方法进行了广泛的研究 用传统的纺丝方法很难纺出直 径小于5 0 0 n m 的纤维 而静电纺丝法则能够纺出超细的纤维 直径最小可至l n m 此 外 对于人们感兴趣的许多生物来源和生物相容性材料 电纺提供了一种制造纳米纤 维的便捷途径 生产合用数量纳米纤维所需聚合物的量可小至几百毫克 同轴静电纺丝技术是在静电纺丝的基础上发展而来的 它可以将药物 蛋白 磁 性粒子和活性剂等包覆于壳层纤维的芯部 可以达到保护包覆物和受控释放的效果 此外 同轴静电纺丝技术具有一步成型的优点 由于纺丝液在纤维成丝的过程中 溶 剂的快速挥发 致使残留在核 壳结构的分层复合纤维中的溶剂较少 目前有关同轴静 电纺丝技术的报道较多 如黄争鸣等人 2 采用同轴电纺丝技术将药物和蛋白包埋于聚 己内酯为壳层材料的纤维内 又如j i a n g 等人 3 1 也采用相同的技术制得以活性剂与聚 乙二醇的混合物为内芯材料 聚己内酯为壳层材料的纳米纤维 结果发现包埋于内芯 材料中的活性剂依然保存着完好的结构和生物活性 且同轴电纺纤维内 外层的厚度 可以通过调节内 外纺丝液的流速来实现 1 1 同轴静电纺丝技术 1 1 1 同轴静电纺丝的起源与发展 静电纺丝起源于1 9 世纪末 l 9 1 4 年 z e l e n y 4 1 把静电纺丝作为静电雾化的二个 特例 最早开展研究 1 9 3 4 年 f o r m h a l s l 5 7 1 设计了静电纺丝的装置并申请了二系列 专利 通常人们认为这是静电纺丝的最早开发应用 纺丝原料除了聚环氧乙烷 p e o 聚乙烯醇 p v a 聚乳酸 p l a 聚丙烯腈 p a n 聚氨酯 p u 等合成聚合 物外 7 m 还延伸到蚕丝 胶原蛋白 壳聚糖等天然聚合物 1 3 1 5 1 1 2 静电纺丝的基本原理 静电纺丝通过将高压直流电场加到聚合物溶液内 驱动纺丝液从毛细管出口处以 丝状或雾状射向接地的金属收集装置 板 网或滚筒等 在纺丝过程中 聚合物溶液 射流迅速变细进而固化为纳米纤维 1 6 1 7 1 北京化工大学硕士学位论文 同轴电纺的原理与传统的静电纺丝相同 只是在装置上进行改进 不同研究组报 道的实验装置虽有差异 但原理一样 同轴静电纺丝技术都是在针管与接收器之间施 加高压直流电源 使纺丝液受驱动后从针头底部流出汇合后喷射成纤维或微球的过 程 其装置主要由高压直流电源 注射器 针管 接收器等装置组成 其中芯质和表 层材料的溶液分装在两个不同的储液罐 如注射器 中 根据需要 芯质和表层纺丝液 可以分别是单一或多种聚合物溶液或熔融体 聚合物与陶瓷或金属 金属氧化物的混合 溶液 药物或生长因子 芯质 等 液罐末端均连接一根内径不同的毛细管 内层毛细 管套在外层毛细管内并保持同轴 两个毛细管之间根据需要留有一定的间隙 以保证 外层液体能够顺利流出与芯质液体汇合 在需要精确计量的实验中 可采用单道或双 道微量注射泵来控制芯质和表层液体的流量 实验时对内外层液体施加相同或不同的 高压电场 使从两个同轴但不同直径的喷管中喷出的芯质和表层材料的液体为同心分 层流 由于纺丝过程中两液体在喷口处汇合的时间很短 加上聚合物液体的扩散系数 较低 固化前不会混合到一起 在高压电场力作用下 经高频拉伸 弯曲甩动变形并 固化为超细共轴复合纳米纤维 根据需要可以用不同的收集装置收集 聚合物溶液或熔体经静电射流后成的形貌与尺寸不仅与聚合物溶液或熔体的黏 度 电导率 表面张力 聚合物的分子量等性质有关 还与施加的电压 液体流速 接收距离等工艺参数有关 影响同轴静电纺丝过程的因素概括起来主要有溶液性质 例如芯壳溶液的粘度 电导率 表面张力等 可控变量 例如芯壳流速及其流速比 尖端和收集装置之间的距离与施加的电压 环境参数 包括温度 湿度 纺丝室的气 流速度等 有关报道的实验结果归纳见表1 1 w o n 等 1 8 对壳聚糖与天然高分子丝素 蛋白共混的甲酸溶液进行电纺 研究发现 单一的壳聚糖甲酸溶液不能电纺 但加入 天然高分子丝素蛋白后 壳聚糖在与天然高分子丝素蛋白共混的甲酸溶液中含量低于 3 0 时 可纺成连续的纤维结构 壳聚糖与天然高分子丝素蛋白共混溶液与单一的天 然高分子丝素蛋白溶液相比 前者电纺所得到的纤维较细且具有和较窄的直径分布 但当壳聚糖在共混溶液中的含量高于4 0 时 电纺得到的是丝素蛋白的均匀纤维和壳 聚糖的珠粒 从目前对同轴泰勒锥稳定的了解来看 内外层纺丝液必须满足内层的表 面张力大于外层的表面张力 2 第一章绪论 表1 1 电纺工艺参数对纤维形貌的影响 坚 生 堕型巴苎 竺塑竺翌 塑竺竺唑垫墅垡堑堕 浓度气体流喷射液电压聚合物聚合物电导率 逮流速分子量结晶度 纺丝过程中壳液对芯液的稳定作用机理主要有以下两点 i 用黏弹性介质取 代外层流体 在单一溶液电纺丝中为空气或真空 当外 层流体被进一步地作为壳液体进行电纺丝时 壳液体的拉伸给与了界面更大的弹性 从而进一步的稳定了芯液 2 将单一液体电纺丝中典型的相对较高的液 气表面张力替换为较低的液 液 表面张力 降低了芯液边界处会导致芯液破裂成液滴的表面力 在电纺丝过程中 流体在离开喷嘴时可达到每秒十几米的速度 由于两种溶液 在喷丝口喷出在很短的时间内溶剂挥发迅速固化 二者接触时间极短 故即使内外液 体为易混合的液体在纺出的纤维中也不会出现捏合 而是仍然为 芯一壳 结构 见图 1 1 图1 1 同轴电纺所得的芯一壳结构 图中p c l 为壳层材料 p e g 为芯层材料 f i g 1 1 t h ec o r e s h e l ls t l a l c t l l r e o f c o a x i a le l e c t r o s p u n f i b e r 伊c la n d p e g s h e l la n d c o r em a t e r i a l s r e s p e c t i v e l y 北京化工大学硕士学位论文 最近 生产效率较高的自喷射多股纳米纤维静电纺丝技术的开发使静电纺丝向产 业化方向迈出了可喜的一步 高分子的静电纺丝也将不断向着大型化产业化发展 1 1 3 静电纺丝载药体系的影响因素 1 1 3 1 药物性质 药物性质会直接影响药物的释放速率和释放总量 p a t t a m at a e p a i b o o n 等人 1 9 用 四种水溶性不同的药物 依次为水杨酸钠 s s 完全溶于水 双氯芬酸钠 d s 部分 溶于水 甲氧萘丙酸 n a p 与茚甲新 i n d 这两种均不溶于水 对这一特性进行了实 验 在用聚乙烯醇 p v a 制成了载药纤维之后 他们发现 水杨酸钠在溶液中会使得 p v a 纤维富集分子的能力增强 这可能是因为药物分子和p v a 之间形成了氢键的缘 故 而其他三种分子则无此现象 类似地 水杨酸钠和双氯芬酸钠似乎促进了p v a 纤维毡的降解 而甲氧萘丙酸和茚甲新则相反 随着药物分子量的增大 药物释放速 率和释放总量都会减小 但无论如何 电纺纤维释药性能仍远远优于同类流延膜 除了药物自身的性质外 药物与高分子之间的相容性 也是影响药物释放效果的 一个重要因素 z c n g 等 2 0 2 l 发现当添加药物的量增加时 会对喷射液的稳定性和纤 维的形成产生影响 他们直接将疏水性药物利福平 r i f a m p i n 混入p l l a 聚合物溶 液中后进行电纺丝 由于利福平与p l l a 的氯仿溶液有较好的相容性 因此 随着溶 剂的不断挥发 药物被包裹在p l l a 纤维内部而不发生相分离 但是当加入亲水性药 物盐酸阿霉素 d o x o r u b i c i nh y d r o c h l o r i d e 到p l l a 聚合物溶液中时 尽管也可以电 纺出均匀的p l l a 纤维 但在纤维表面却存在结晶的药物颗粒 容易引起突释 因此 药物与载药高分子之间的结合能力 对最终药物颗粒在成型纤维中的分布也是至关重 要的 1 1 3 2 载药材料性质 将药物直接加人聚合物溶液或乳液中进行直接电纺丝 所得的载药纤维中药物是 以微小的颗粒均匀分散在聚合物纤维之中 药物释放遵循联合扩散机制和降解机制 如果降解速度大大低于扩散速度 扩散成为释放的控制因素 反之 如果药物在聚合 物中难以移动 则聚合物降解为释放的控制因素 表面的药物可以顺利地释放 而内 部的药物需要先到表面 然后才能释放 药物的释放速度随药物扩散迁移到表面的距 离增加而下降 也就是说释放速度随时间的增加而减小 难以达到零级释放 何莉等 人1 2 2 j 在聚乳酸纳米纤维负载盐酸阿霉素的释药体系的体外释放实验中发现 5h 后药 4 第一章绪论 物几乎无释放 p l a 纤维阻碍了水进人纤维内部 限制了药物的释放 因此 应根据 药物的释放要求来选择具有不同降解速度的聚合物 或者选用多种可降解 吸收聚合物 的混合物或共聚物 对于生物可降解 可吸收性高分子 载药材料的降解性能对于药物释放过程的影响 是巨大的 例如 在蛋白酶k 存在的情况下 电纺载药中常用的生物降解性材料聚 l 一乳酸 p l l a 会逐渐降解 此时药物的释放遵守零级动力学原理 h o n g l i a n gj i a n g 等 人1 2 3 j 用同轴电纺的方法制得了外层为聚 e 己内酯 p c l 内层为载有牛血清白蛋白 b s a 的葡聚糖的生物降解性双层纤维 他们发现 当在外层加入聚乙二醇 p e g 时 b s a 的释放速率会增加 并且随着p e g 在鞘层含量中的增加而加快 通过改变纺丝 时的内层给液速率和p e g 的百分含量 可以将释药周期从 周延长到 个月 1 1 3 3 药物与聚合物 溶剂体系的相容性 在静电纺丝制备纳米纤维载体的过程中 药物与聚合物 溶剂体系的相容性是首要 因素 顾书英等人 以聚乳酸纳米纤维为载体 制各出卡莫氟一聚乳酸纳米纤维缓释 体系 在体外药物释放性能研究中 该体系在释放初期存在一个快速释放期 1 0 h 左 右 所释放的药物占总药物量的1 0 3 0 卡莫氟为亲水性类药物 与聚乳酸相容性 较差 在静电纺丝过程中 由于药物本身的高离子能而主要积聚在纳米纤维的表面 所以药物分子在水相中会很容易地扩散出来 导致部分药物在释药初期快速释放 j 而 g c e r tv e r r e c k 掣2 5 对嵌段聚氨酯纳米纤维负载伊曲康唑 i t r a c o n a i t r a c o n a z o l e 脂溶性 载药体系进行的研究中发现 当载药量较低时 伊曲康唑在纳米纤维中的释放与持续 时间的平方根呈线性关系 动力学过程为f i c k i a n 型 没有出现突释现象 压n g 等1 2 0 直接将疏水性药物利福平混入聚乳酸溶液中后进行静电纺丝制备载药纳米纤维膜 由 于利福平与聚乳酸 氯仿溶液有较好的相容性 因此药物能够被包裹在聚乳酸纤维内 部而不发生相分离 纤维对药物有很高的包封率 后续工作中他们报道了用紫杉醇 亚德里亚霉素氢氯化物 亚德里亚霉素碱作为模型药物通过电纺丝聚乳酸体系的药物 释放 认为当药物与载体聚合物相容性好时可以避免初始时的药物突释 同时在蛋白 酶k 的存在下聚乳酸的降解可以使药物达到几乎是零级动力学的恒速释放 此外 z e n 9 1 2 l 还报道过一种乳液体系的静电纺丝用于制备药物控释系统 他们将 亲水性药物溶于水后逐滴滴人p e g 聚乳酸两嵌段共聚物乳液中形成乳液 发现这种 体系所得电纺丝纤维释药性能明显好于药物颗粒直接加入乳液中电纺得到的载药纤 维 徐秀玲等 也采用了乳液静电纺丝的方法 将水溶性抗癌药物盐酸阿霉素 d o x 与p e g p l l a 二嵌段两性共聚物的氯仿溶液制成乳液后 再通过静电纺丝制备纤维控 释体系 可实现载体对药物的有效封装 突释现象得到明显改善 如果药物和聚合物 5 北京化工大学硕士学位论文 有较好的相容性 能溶解在溶剂中形成均匀的纺丝液时 随着静电纺丝过程中溶剂的 不断挥发 药物最终包埋于纤维内部而不发生分离 而当两者相容性差 药物仅以小 颗粒分散于纺丝液中时 药物与聚合物在静电纺丝过程中便会发生分离现象 致使药 物大量积聚在纤维表面 在进行药物释放过程中 药物会很容易扩散到水中 导致暴 释 因此 对于亲水性药物来说 可选用疏水性的聚合物与亲水性聚合物的混合物或 亲水性单体与疏水性单体的共聚物作为药物载体材料 或者采用乳液纺丝的办法 可 有效实现药物的控制释放 1 1 3 4 溶剂对电纺制备药物缓释体系的影响 静电喷射法制得的药物载体具有尺寸可控性好 比表面积大 制作简便等优点 如e 1 r e f a i ek e n a w y 等人1 1 2 j 对p l a p e v a 和两者同比例混合的载四环素的纳米纤维 膜进行了研究 得出可通过改变电纺的工艺条件来改变纤维的直径 从而进一步地改 变药物的释放速度 同济大学的顾书英等人 2 4 制备并研究了载卡莫氟的聚乳酸纤维的 体外药物释放性能 结果发现制备载体时所使用的溶剂不同 导致溶液的性质如黏度 弹性 电导率 表面张力和溶剂的挥发性等的不同 纤维的结构与形貌有很大的差异 释放速率也不同 当纤维表面有孔洞时 药物容易被p b s 缓冲溶液冲刷下来 药物释 放速率较快 当纤维表面比较致密时 药物分子从纤维内部渗透出来比较困难 药物 释放速率相对较慢 且导致药物释放速率较慢且释放不完全 只达到5 7 i i 3 5 加工参数对电纺制备药物缓释体系的影响 加工参数对释药性能的影响 主要表现在对纤维直径与纤维形貌的影响上 对于 同轴电纺来说 影响纤维形貌的主要因素有芯 壳纺丝液的粘度 电导率 表面张力 电压 接收距离 内 外层流速以及流速比 实验温度和湿度等 d h i r e n d r as k a t t i 等人 2 7 用聚 乳酸一乙醇酸 p l g a 为载药材料 用抗生素头孢唑啉为药物样品 对加 工参数对电纺纤维形貌和载药情况的影响进行了研究 结果表明 纳米纤维的直径随 着针头孔径的减小而减小 随着聚合物浓度的增加而增加 随着电压的升高而减小 除此之外 载药量对纤维直径似乎也有一定的影响 对于生物降解性纤维而言 药物在纤维中的释放遵循联合扩散机制和酶降解机 制 一般来说 联合扩散机制在早期占优势 经过一段时间后 起作用的主要就是酶 降解机制了 w e n g u o 等人 2 8 用聚乳酸 聚 乳酸一共 乙醇酸 聚 d l 乳酸 一聚乙 醇酸等生物可降解性材料与扑热息痛 p a r a c e t o n a l 研究了药物释放与高分子纤维之间 的关系 体外药物释放实验表明 最初确实会出现明显的突释现象 但是慢慢就会转 6 第一章绪论 入平稳而缓慢的释放过程 并且 纤维的直径越大 零级释放期就越长 对药物的压 缩越紧密 潜伏后期的突释就越明显 对浸润现象的研究也表明 电纺纤维的疏水程 度越高 水分进入纤维毡的速度就越慢 于是便会影响纤维表面腐蚀降解的状况 在纺丝溶液中加入某些物质 也会使电纺纤维的直径和形貌发生改变 从而最终 影响释药性能 j i n gz e n g 等人 2 0 在p l l a 溶液中加入各种表面活性剂 阳离子型 阴 离子型及非离子型 以考察表面活性剂和药物对电纺丝聚 l 乳酸 p l l a 纤维直径大 小与均一度的影响 结果发现j 加入表面活性剂后 纤维直径减小而均一度增加 说 明药物被封装在纤维内部 在有蛋白酶k 存在时 药物的释放遵守零级动力学原理 1 1 3 6 载药量的大小 当添加药物的量增加时 会对静电喷射过程的稳定性和纤维的形态产生 定的影 响 药物在聚合物中的比例同样也影响着药物的释放速度 何莉等人 2 2 1 将紫杉醇 阿 霉素和盐酸阿霉素等药物分别加人到聚乳酸纺丝液中 通过静电纺丝得到不同载药率 的纳米纤维膜 她发现载药率为2 5 的释药速度远远大于载药率为5 的纤维膜 尤 其在初始阶段 前者有瞬时释药现象 这是由于附着在纤维表面过量的药物在释放溶 液中迅速溶解所致 因此j 应在保证达到药效的前提下选择适宜的载药率 1 1 4 同轴电纺制备载药纳米纤维的研究前景 现代中药肺部吸人制剂大多采用雾化吸人的方式 制剂包括有用于肺部和呼吸道 局部治疗的复方双花气雾剂 双黄连气雾剂 咳嗽气雾剂 雾化吸人鱼腥草制剂i 雾 化吸人双黄连制剂等 以及达到全身治疗目的的复方丹参气雾剂 川弯茶调气雾剂等 至少5 0 多个配方 2 9 1 目前所采用雾化方式为射流和超声 如前所述 电喷雾雾化方 式具有更好的可吸人性 因此 从这方面考虑 电喷雾雾化方式在中药肺部吸人给药 中具有广泛应用性 此外电喷雾制备的纳米粒子具有较高的z a t a 电位 在水溶液具有 较好的分散性 因此可通过雾化吸人制剂直接传递到肺部 并在肺部达成控制释放的 效果 这种控释效果相对于传统的吸人微粒制剂具有独特的优势 因为可吸人微粒的 粒径范围通常在1 5 1 l m 而这个粒径范围内的微粒在肺部很容易被巨噬细胞吞噬而 清除 因此不能达成长效释放 相反纳米粒子由于能长时间驻留在肺部 很容易通过 释放速度的控制达成长效释放 此外 功能修饰的纳米粒子还可达成肺癌细胞靶向治 疗 可吸入纳米粒子适用于肺癌 肺结核以及其他肺部感染类疾病的中药控缓释治疗 其次 静电喷射制备的纳米载体在 以毒攻毒 类中药控制和靶向释放制剂应用方 面同样具有巨大潜力 应用 以毒攻毒 的经验法则的中医药在癌症治疗方面取得一 定的成功 得到药监局批准这类中药包括砒霜和雄黄 斑鳌 蟾蛛 鸦胆子等癌症治 7 北京化工大学硕士学位论文 疗药物 此外 大量研究也为中药 以毒攻毒 赋予了科学内涵 例如 陈竺课题组 曾在分子和细胞水平阐明砒霜能选择性诱导早幼粒细胞白血病的致病蛋白质发生降 解 从而达成白血病治疗 3 0 1 最近中山大学颜光美课题组也在美国p n a s 杂志上运用 现代科研手段为 以毒攻毒 找到了实验室证据 他们发现霍乱毒素能在体外诱导大 鼠和人的脑癌细胞分化为正常细胞 3 l l 然而 以毒攻毒 药物的有效剂量和中毒剂量 很接近 因此从临床药剂学角度剂量控制成为了此类中药的关键 通过应用新型制剂 技术 控制药物的体内药代和毒代动力学无疑具有重要的现实意义 此外 静电喷射技术制备的纳米材料在外用中药制剂 中药植人制剂以及靶向纳 米制剂方面均有巨大的应用潜力 例如 静电纺丝制备的纳米骨架材料在烧伤创面敷 料和组织工程材料的应用方面已得到了广泛认同 中药在烧伤治疗和组织再生方面均 具有一定疗效 利用纺丝制各的纳米纺丝一方面可承担骨架材料的功能 另一方面也 可作为控制中药原位释放的载体材料 这些载药的组织材料就可能具有双重的治疗功 能 另外 原位释药还可克服因中药的某些药代动力学原因引起的疗效不稳的缺点 纳米技术在中药现代化上的应用还仅仅是刚起步 需要进行系统的大量的基础研究及 生产工艺研究工作 随着对传统中药不断深人的研究 借鉴西药缓 控释制剂已取得的 成果 将静电喷射技术应用于单味中药 复方的有效成分 部分或整个中药饮片进行 纳米化 缓释化处理 或在原有复方中加入纳米化的中药 可通过改变给药途径 药 物作用方式 作用部位等方面 将发挥出常态中药无法比拟韵功效 并且避免了传统 中药及其复方在加工过程中烦琐的处理工序 有利于药物规范化研究 开发 生产 管理 易于符合并达到国际主流市场对产品的标准和要求 推动中药尽可能快的走向 国际市场 静电喷射制备中药纳米控释系统的研究前景广阔 意义巨大 1 2 医用高分子材料 1 2 1 天然高分子材料 1 2 1 1 纤维素 纤维素是一种高度结晶的高分子量天然聚合物 来于自然界又可消失于自然界 是良好的生物降解材料 纤维素用于药物缓 控 释材料系统需对其进行改性 破坏 纤维素的氢键 使纤维素分子上的羟基发生反应 形成醚 如甲基纤维素 羟乙基纤 维素 酯 如醋酸纤维素 或是缩醛 如丁缩醛纤维素j 改性后的纤维素可制成性能 良好的生物降解材料 1 2 1 2 蛋白质 8 第一章绪论 白蛋白 明胶等是常用的蛋白质类生物降解材料 其降解主要是肽键的水解反应 降解的产物为氨基酸 可被人体再次利用或排出体外 而且此类材料还具有生物亲和 性好 无异物反应 不致癌 抗原性小 对组织恢复有促进作用等优点 故而常用于 静脉注射型药物缓 控 释体系 1 2 1 3 多糖类 淀粉是应用较早的多糖类生物降解型天然高分子 淀粉本身很脆 不宜单独做降 解材料使用 常进行改性 壳聚糖则是目前研究最多的多糖类天然高分子 壳聚糖是 由甲壳质在碱性条件下脱乙酰得到 它具有良好的生物亲和性和生物可吸收性 能在 体内逐渐降解和代谢 其自身具有抗癌和抗菌等作用 是很有前途的药物缓 控 释 载体材料 1 2 1 4 聚羟基烷酸酯类 p h a 聚合物 聚羟基烷酸酯类聚合物是一类由微生物产生的产物 化学结构式为 c h c h 3 一c h 2 一c o o k 其生物相容性甚至好于聚乳酸 p l a 和聚乙醇酸 p g a 具有中长期降解周期 约6 个月 较合适作为中长期缓 控 释药物的载体 为满 足不同的使用要求 可通过改变菌种 碳源 基因等制造不同结构的聚合物 1 2 2 合成高分子材料 1 2 2 1 非生物降解型 首先用于缓 控 释体系的合成高分子材料是有机硅橡胶类 此类材料具有生理 惰性 无毒副作用 无味 理化性质稳定等优点 是医疗领域中重要的弹性高分子材 料 交联的硅橡胶常作为疏水药物 麻醉剂 激素等 的载体进行缓 控 释释放 乙烯 醋酸乙烯酯共聚物也是研究较早的一类药物缓 控 释载体 采用不同共聚和方 法可调节醋酸乙烯酯的含量 使其在3 0 5 0 间变化jo c u s e r 就是以这种材料为缓 控 释载体的治疗青光眼的治疗体系 其缓释时间超过7 天 水凝胶是一类亲水性 高分子载体 具有较好的生物相容性 自身能感知处理并作功而响应外界环境细微的 变化 以亲水凝胶为载体的药物缓 控 释体系因其独特的物理 化学和生物学性质 以及环境敏感性 已被广泛用于药物缓 控 释体系 成为当前药物释放体系研究的 热点之一 近年来 人们看中了水凝胶的独特响应功能 以其作为药物载体尝试性设 9 北京化工大学硕士学位论文 计出多种智能型给药系统 i d d s 如p h 敏感给药系统 热敏给药系统 生化响应 型给药系统以及电场控制的给药系统 1 2 2 2 生物降解型 一 聚羟基酸酯 聚羟基酸酯主要有聚乳酸 p l a 聚羟基乙酸 p g a 聚已内酯 p c l 聚 羟基丁酸酯 p h b 以其共聚物等 由于具有优异的生物可降解型和生物相容性 它 们在药物缓 控 释体系中得到广泛应用 利用聚羟基酸酯作为载体可制成各种制剂 通过口服 注射 埋植等使其在体内降解持续释放药物达到长效的目的 根据其分子 量的大小和制剂的不同 药效可保持1 天到5 年 其中聚乳酸的应用研究最为热门 聚乳酸是由乳酸脱水聚合成丙交酯 再由丙交酯开环聚合而成i 其化学结构式简 单表示为 o c h c h 3 c o n 聚乳酸在体内代谢最终产物是二氧化碳和水 中间 产物乳酸也是体内正常糖代谢的产物 不会在重要器官聚集 乳酸是手性分子 因此 p l a 有四种形态 即p l l a p d l a d l p l a 以及m e s o p l a op l l a 和p d l a 是 半结晶状高分子 机械强度好 常用作医用缝合线和外科矫正材料 d l p l a 是无 定形高分子 常用作药物缓 控 释的载体 d l p l a 目前在油溶性药物控释中已 得到成功的应用 通过共聚等方法向 p l a 结构中可引入羟基 羧基 氨基等可以将 其功能化 改善其亲水性 因此p l a 在近年来大量涌现的多肽和蛋白质药物 多为 水溶性 的控释系统中得到广泛应用 二 聚酸酐 聚酸酐是在7 0 年代末开始被开发并应用于生物医学领域的一类重要的可生物降解 的高分子材料 它的种类很多 主要由脂肪族聚酸酐 芳香族聚酸酐 杂环族聚酸酐 聚酰酸酐 聚氨酯酸酐及可交联聚酸酐等 聚酸酐是通过缩聚或开环聚合而得到的以酸酐键相连的聚合物 其结构式可简单 表示为 c o r c o o 1 n 酸酐键具有水不稳定性 能水解成羧酸 而且聚酸酐具有 优异的表面溶蚀性和生物相容性 故该材料在药物缓 控 释领域得到广泛的应用 聚酸酐对药物缓 控 释效果良好 但酸酐是一种亲电试剂 对有些药物可能会使其 失活 所以解决大分子敏感药物在加工过程中的失活问题是聚酸酐用于药物缓 控 释的一个重要研究方向 三 聚膦腈 聚膦腈是一族由交替的氮磷原子以交替的单键 双键构成主链的高分子 其结构 式为 i n p r r n 通过侧链衍生化引入性能各异的有机基团可以得到理化性质 变化范围很广的高分子材料 它的生物相容性好 可生物降解 水解降解的最后产物 只有氨 磷酸及侧基 在体内可被吸收 所以聚膦腈适用于制备多种药物缓 控 释 1 0 第一章绪论 体系 众多的研究报道都表明 聚聚膦腈作为药物缓 控 释载体 通过对其侧基种 类的选择 比例的调剂及侧基结构的设计与组合 可调节材料水解降解速度 控制药 物释放的速度 改变材料的力学状态等 无论对小分子还是大分子药物都可以得到较 好的释药行为 而且通过生物大分子级组合体在其表面的固定化还可以达到生物功能 化和智能化目的 四 脂肪族聚碳酸酯 脂肪族聚碳酸酯 a p c 起初主要由二氧化碳固化反应合成 是由二氧化碳和环 氧化物生成的交替共聚物 其结构式为 c h r c h r o c o o k 这种利用大气的二 氧化碳制备高分子材料的方法 在当今自然资源日益短缺 温室效应日益严重的情况 下具有重要的意义 a p c 结构中酯基的存在使得聚碳酸酯具有生物降解的能力 同时 它的良好的生物相容性和机械加工性能使其在药物缓 控 释体系中应用日益增多 五 聚原酸酯 聚原酸酯是一种新型的生物降解材料 可通过多元原酸或多元原酸酯与多元醇类 竞在无水条件下缩合形成原酸酯键而制得 简单的聚原酸酯结构式为 r i o c r 2 r 3 0 n 它的生物相容性好 降解最终产物为水溶性的小分子 容易被 生物体所代谢 聚原酸酯为疏水性聚合物 不溶于水 不发生溶胀 在生物体内的降 解过程主要发生在材料表面 称为 表面溶蚀 聚原酸酯作为药物缓 控 释材料 的优点是可预测降解过程 可以恒定的速度控制药物释放 六 聚q 氨基酸 随着生物技术的发展 获得大量的氨基酸成为可能 于是在7 0 年代 聚q 一氨基 酸开始作为一种新型生物降解材料得到广泛的注意 它无毒性 生物相容性较好 降 解产物为人体内天然存在的物质 可制备具有不同理化特性和生物降解性的氨基酸共 聚物 但由于聚q 氨基酸在水解降解过程中生成的低聚物往往具有抗原活性 而且目 前也缺乏生成高分子量的聚q 氨基酸的聚合方法 所以近年来多把q 氨基酸或其二 肽转化为适当的高分子单体 再进行聚合或共聚 其结构式为 c o c h r n h n 由于聚q 氨基酸具有丰富的侧链基团 应用于药物缓 控 释体系时 也常将药物与 聚合物侧链基团共价结合 制备复合型的聚a 一氨基酸缓 控 释药物 随着聚合物 药物共价键的断裂 药物被游离出来发挥其效用 一 此外能用于药物缓 控 释的生物降解高分子还有聚酰胺 聚缩醛类等等 而且 新的材料还在不断被开发 生物降解型高分子缓 控 释材料现已成为高分子生物材 料分子工程研究中一个十分重要的内容 1 3 中药番荔枝的研究及发展 北京化工大学硕士学位论文 1 3 1 番荔素的简介 番荔素是1 9 8 2 年发现的一类有很强抗肿瘤活性的长碳链脂肪酸内酯 称为 a n n o n a c e o u sa c e t o g e n i n s 或p o l y k e t i d e s 其译名有番荔 枝 索 番荔枝内酯 番荔枝皂 素 番荔枝乙酰甙元和番荔枝乙酰精宁等 主要分布于该科的u v a r i a 紫玉盘 a n n o n a 番荔枝 a s i m i n a g o n i o t h a l a m u s 哥纳香 和r o u i n i a 等1 2 属中 至今已发现 3 5 0 多种同系物 番荔素分子中存在多个手性碳原子 立体结构比较复杂 多为蜡状 物 在番荔素众多的生物活性中 其抗肿瘤活性吸引了众多学者的研究兴趣 已见报 道番荔素体内外实验具有治疗白血病 肝癌 前列腺癌 胰癌 宫颈癌等作用 3 2 3 3 1 番荔素中抗癌活性最强的内酯是b u l l a t a c i n 按重量计算为紫杉醇抗白血病作用的3 0 0 倍 其他作用较强的番荔素包括a s i m i c i n t r i l o b a c i n t r i l o b i n 等 s h y n g s h i o u 等 3 4 1 研究发现番荔素对卵巢癌 宫颈癌 乳腺癌 膀胱癌 皮肤癌等多种肿瘤细胞具有细 胞毒作用 中山大学附属第三医院药剂科做的细胞生长抑制实验证明 番荔枝总内酯 a a 曲及其单体b u l l a t a c i n a t e m o y a c i n a 等对人喉癌 人乳腺癌细胞具有较强的体外 抗肿瘤作用 巧1 番荔素 a n n o n a c e o u sa c e t o g e n i n s a a s 是一类很有希望的新抗癌药物 被喻为 明 日抗癌之星 它也是一类具有多种生物活性的物质 目前所知只能从番荔枝家族分 离出来 从化学方面看 它们来自二些长链脂肪酸 从生物方面看 它们是通过抑制 线粒体的复合物i 和抑制肿瘤细胞的质膜上的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 n a d h 氧化 酶使腺嘌呤核苷三磷酸 a t p 水平降低 即损耗能量来阻断肿瘤细胞的生长繁殖 1 3 2 番荔素的结构 番荔枝内酯与其他天然产物的结构类型有较大区别 其基本化学结构为3 5 3 7 个 碳原子构成的化合物骨架 分子中含有0 3 个四氢呋喃环 t e t r a h y d r o f u r a n t h f 末端有1 个甲基取代或经重排的7 一内酯环和2 条联接这些部分的长烷基直链 在碳链上 还常常带有一些立体化学多变的含氧官能团 羟基 酮基j 乙酰氧基 环氧结构等 或 者双键 另外 含四氢吡喃环 t e t r a h y d r o p y r a n t h p 和无t h f t h p 环的化合物也已 被发现 这类化合物分子中通常有5 个以上手性碳原子 立体结构比较复杂 且多为 蜡状物 根据四氢呋喃环的数目 排列方式及羟基位置 可将番荔枝内酯分为邻叁t h f 型 邻双t h f 型 非邻双t h f 型 单t h f t h f 型和非典型的番荔枝内酯6 类 图1 2 根 据y 一内酯环上的含氧官能团的特征可分为4 种类型 图1 3 还可以再细分为众多亚 型 但一般以第一种类型划分方法较为常用f 3 引 1 2 第一章绪论 拜 孓a 塑 a l y p e t b 缆 t b l y p o t c 錾 m i 聃 t d 麓 t d l y p e t e 凌 t e 哆p e 鼻g 型 t g t y p t f 塑 t f 孵 图1 2 不同类型t t i f 的结构式 f i g 2s t r u c t u r eo fd i f f e m mt y p e so ft e t r a h y d r o f u r a n t h f i na n n o n a c e o u sa c e t o g e n i n s 睇过父 心如 o a 壅f r h 醒o h l a t y p e l c 塑 l c t y l 始 b b 爨 l b 辨 l 1 3 i 受 l d t y 弦 图卜3 同类型y 一内酯环的结构式 f i g 1 3s t r u c t u r eo fs a m et y p e so f t l a c t o n er i n g si na n n o n a c e o u sa c e t o g e n i n s 1 3 3 番荔素的作用机制 线粒体是细胞产生能量的主要场所 番荔枝内酯强烈的生物活性来自于