布洛芬聚乙二醇b聚L乳酸电纺超细纤维毡的药物释放

作者：王浩 ， 崔勇 焦自学 陈学思 邓英杰

【摘要】 目的 通过静电纺丝制备同时包载有布洛芬的聚乙二醇b聚L乳酸纤维毡，并在纤维中添加月桂酸，考察月桂酸是否对纤维中药物的释放行为有影响。方法 以聚乙二醇嵌段聚乳酸为载体材料，有机溶液高压静电法纺丝法制得同时包载布洛芬和月桂酸的纤维毡，采用ESEM、WAXD和DSC对其进行表征研究，采用HPLC法测定布洛芬在含有蛋白酶K的磷酸缓冲盐溶液中的释放行为。结果 ESEM结果显示得到添加有月桂酸的聚乙二醇聚乳酸纤维药物释放体系，WAXD扫描显示纤维表面无药物结晶析出，说明其对布洛芬和月桂酸完全包封，药物体外释放表明添加月桂酸后，药物释放速率加快明显。结论 在聚乙二醇聚乳酸超细纤维添加月桂酸可加快纤维中布洛芬的释放，蛋白酶K的降解也可加快布洛芬的释放。

【关键词】 超细纤维; 布洛芬; 静电纺丝; 聚乳酸; 药物释放; 月桂酸

　　【Abstract】 Objective To prepare poly ethylene glycol blocked poly lactic acid ultrafine fibers with ibuprofen entrapped by electrospinning and add lauric acid into fibers to investigate whether or not lauric acid affects the in vitro release of ibuprofen.Methods Fiber mats were prepared with both ibuprofen and lauric acid added by organic solvent highvoltage electrospinning technique by using poly ethylene glycol blocked poly lactic acid as drug loading material.The characterization of fiber mats was researched by ESEM，WAXD and DSC.The release behavior of ibuprofen in PBS with proteinase K added was investigated by HPLC.Results PEGPLLA fiber drug delivery system with lauric acid added was obtained，WAXD scanning demonstrated that no drug crystal was decomposed and all compounds were perfectly entrapped.After lauric acid addition，ibuprofen released faster.Conclusion Addition of lauric acid could facilitate ibuprofen release from PEGPLLA fibers.Moreover，proteinase K could facilitate ibuprofen release from PEGPLLA fibers.

　　【Key words】 ultrafine fiber;ibuprofen;electrospinning;poly lactic acid;drug release;lauric acid

　　静电纺丝技术是一种制备微米及纳米尺度纤维的新方法，近些年有不少文献采用此方法将药物包载在医用高分子材料中，进行了一些前瞻性的研究[15]。载药纤维制备的大体过程包括将药物溶于或分散于待纺丝的高分子聚合物有机溶液中或熔体中，将聚合物溶液或熔体带上103～104 V高压静电，在强静电场作用下带电的聚合物溶液滴在电场的作用力下克服液体表面张力于毛细管的末端形成Taylor锥体，并以静电力为牵引力来形成喷射流进行纺丝，在此过程中，由于溶剂的快速挥发，药物将以极小的颗粒或分子(离子)状态存在于聚合物纤维中最终在接收装置上获取一种新型的药物释放系统——超细纤维[6，7]，纺丝装置及原理如图1所示。

　　能够进行静电纺丝的高分子材料有很多，聚L乳酸是脂肪族聚酯中在人体中生物相容性和生物可降解性最好的材料之一，并且由于其亲脂的化学结构，其可对许多在水中溶解度低的化合物进行包裹，是近些年研究应用较多的一类高分子药物载体材料[8，9]。将PLLA用适当分子量的聚乙二醇(PEG)修饰后可使高分子呈现一定的亲水性，改善其在体内的应用[10]。本实验拟通过对溶解在有机溶剂中的聚乳酸进行静电纺丝制备得到超细生物可降解纤维。

　　布洛芬(ibuprofen，IPF)，化学结构如图2B，是近年来应用较多的一种芳基烷酸类非甾体抗炎药，其有一些副作用，尤其是对胃肠道系统有较强刺激作用，且IPF属于应用较早的药物，随着时间的推移，布洛芬的原料药及其制剂专利保护期逐步临近，因此，开发布洛芬的新型局部释药系统很有必要，其现有的剂型有缓释片、凝胶、微球等[11，12]。

　　本实验采用电纺技术制备得到一种新型的局部布洛芬释放系统——布洛芬生物可降解超细纤维，它可以作为组织表面仿生贴敷无纺布，对皮肤、粘膜烧伤、机械损伤或细菌感染引起炎症的部位进行抗炎，其还可以作为手术后防组织粘连的隔离材料，这相对于已有的布洛芬术后防组织粘连释放体系是一种改进[10]。作为人体腔道部位如阴道的抗炎，拔牙或去牙髓手术后作为牙髓腔的抗炎，镇痛填料等，电纺纤维也是一种较好选择。此外，对PLLA纤维中布洛芬的释放进行研究，可以为相似结构的化合物在聚乙二醇嵌段聚乳酸纤维中酶降解释放的规律提供参考。

　　由布洛芬化学结构可知，其属于芳基丙酸类非甾体抗炎药，化学结构中除有一羧基结构在水中可以电离外。其余部分为不含杂原子的碳氢结构，其与聚乳酸的结合应较为紧密，在PEGPLLA材料形成的药物载体中包封率应该较高。但是布洛芬中的羧基可在弱碱环境中解离使其在水中的溶解度增加。在高分子材料中添加小分子物质来改善药物的释放是制剂学中较常用的方法，本实验选用十二碳直链脂肪酸月桂酸作为药物释放调节物质。由于纺丝是在非水介质中进行的，只要可以纺成纤维，那么就可认为高分子中各种添加物质在纤维中的包封率是100%，这为纺丝成品中载体材料、药物和其它各种提供添加成分的定量提供了方便。本研究成功制得包载有布洛芬的PLLA纤维，并在纤维中进一步添加月桂酸拟改善药物的释放，考察了两种纤维中布洛芬的酶降解释放规律。

　　1 仪器与材料

　　静电纺丝装置(自组装，含玻璃注射器及内径0.4 mm不锈钢平口针头);静电发生器(LipexExtruder，加拿大NorthernLipid公司);场发射扫描电子显微镜(ESEM，日本);广角X射线衍射仪(日本理学);差示扫描量热仪(DSC);高效液相色谱仪(日本SHIMADZU公司，UV975型紫外检测器，PU980型泵);Anastat色谱工作站(天津奥特赛斯仪器有限公司);PHS2F型精密酸度计(上海精科仪器厂)。

　　布洛芬原料药(江苏巨化集团制药厂，含量98.5%，符合中国药典2005版);聚乙二醇2000聚L乳酸(PEGPLLA 本课题组合成，Mw=80 400 g/mol，PDI=1.22);月桂酸(lauric acid，博迪化工有限公司，天津);三乙基苯基氯化氨(TEBAC，国药试剂，长春);蛋白酶K(生化纯，Amesco，美国);氯仿(分析纯，康科德试剂公司，天津);甲醇(色谱纯，禹王公司，山东);其他试剂均为分析纯。

　　2 方法与结果

　　2.1 静电纺丝法制备布洛芬纤维毡首先配制纺丝溶液，将PEGPLLA、TEBAC、布洛芬和月桂酸等溶解在氯仿中磁力搅拌24 h后可得到无色、透明、均一的纺丝溶液，用氯仿定容得到待纺丝溶液。纺丝液的配方如表1 所示。

　　纺丝装置

参考文献

[13]搭建并有所改进，如图1所示，针头与静电发生器相连，接收屏接地并在其表面包蒙上铝箔，使针头喷丝口与铝箔平面之间的距离即纺丝距离为50 cm.用重物推动注射器的玻璃杆，使得从直角型针头滴出的溶液速度为1.5～2.5 ml/h.开动高压静电发生器至4 500 V，在针头和接收屏之间形成一个高压电场，电纺丝开始。从喷丝口流出的纺丝液在电场力的作用下以高速不规则的螺旋轨迹运行，并被拉伸成为一定形状沉积到接收屏上，在接受屏的后方用电暖气对铝箔上新纺出的成型材料中残余溶剂进行挥发，并确保接收板上的温度为30℃左右。纺丝约24 h后，注射器内的溶液使用完毕，接收平板上形成一张由纤维层积而成的毡，待纤维毡层积至0.5 mm后将其揭下，按一定规格用剪刀切成小片后进行表征、体外释放等研究。表1 纺丝液中高分子材料、药物和其它辅料的用量

　　2.2 布洛芬纤维毡的表征

　　2.2.1 ESEM观察厚朴酚聚乳酸珠串网络微观形态 将得到的两种薄膜剪切成0.5 cm×0.5 cm小片后用双面胶固定在载玻片上并真空蒸镀一层金后用ESEM进行观察。图3为所得两种薄膜在不同放大倍率下的微观形态。(1)(2)中的标尺为5 μm，(3)(4)中的标尺为2 μm，可以看出两种纤维的直径一般在0.3～0.5 μm，但也有部分直径1 μm左右的纤维存在。进一步放大倍数观察，发现纤维表面光滑，无结晶状或块状物质析出，说明IPF较好包裹在纤维中。

　　2.2.2 WAXD与DSC对厚朴酚聚乳酸珠串网络的表征 将纤维毡切成1.5 cm×1.5 cm方形薄片，用双面胶固定在载玻片上，扫描范围5° ～60°，扫描速率2°/min.称量6 mg纤维毡小块，进行DSC测定，扫描温度范围0～100℃，扫描速率2℃/min.

　　从WAXD扫描结果可以看出所得纤维表面均无布洛芬原料药和PEGPLLA高分子材料特征衍射峰的存在，而是在低衍射角度处形成坡度极缓的“馒头峰”，说明布洛芬被较好地包裹在高分子材料中(见图4)。

　　从DSC扫描图谱上可以得知，布洛芬、TEBAC、月桂酸在DSC扫描后均有明显的结晶峰，但是纺丝过后的纤维使得结晶材料的结晶峰均消失，说明纺丝过后，纤维中的各种材料均呈无定型状态(见图5)。

　　2.3 布洛芬聚乳酸珠串网络薄膜中药物的体外释放研究

　　2.3.1 布洛芬HPLC测定方法[14] 色谱柱:DikmaDiamonsil C18(4.6 mm×150 mm，5 μm);流动相:甲醇水(80︰20);检测波长:225 nm;流速1 ml/min;柱温:室温;进样量:20 μl.

　　图4 材料和纤维毡的广角X射线衍射图谱(从上至下:布洛芬原料药;MePEGPLLA粉末;无布洛芬和月桂酸添加的纤维毡;只添加布洛芬的纤维毡;布洛芬和月桂酸均添加的纤维毡)

　　Fig.4 WAXD detection patterns of material and fiber mats(from top to bottom:ibuprofen;MePEGPLLA powder;PEGPLLA fibers with neither IPF nor lauric acid added;PEGPLLA fibers with IPF and without lauric acid added;PEGPLLA fibers with both IPF and lauric acid added)

　　图5 DSC图谱(从上至下：布洛芬;三乙基苄基氯化铵;月桂酸;MePEGPLLA粉末;无布洛芬和月桂酸添加的纤维毡;只添加布洛芬的纤维毡;只添加月桂酸的纤维毡;布洛芬和月桂酸均添加的纤维毡)

　　Fig.5 DSC thermographs(from top to bottom: ibuprofen; TEBAC， Lauric acid; MePEGPLLA powder; PEGPLLA fibers with neither IPF nor lauric acid added; PEGPLLA fibers with IPF and without lauric acid added; PEGPLLA fibers without IPF and with lauric added; PEGPLLA fibers with both IPF and lauric acid added)

　　2.3.2 超细纤维中布洛芬的累积释放曲线 将样品剪切成5 cm×1 cm长方形条，(50±2)mg，浸入250 ml释放介质中，释放介质组成:将13.6 g Kh3PO4和3.16 g NaOH 溶解在去离子水中并定溶至2 000 ml，精密称量5 mg蛋白酶K至上述PBS中，得蛋白酶K浓度为2.5 μg/ml的PBS，实验中以不含蛋白酶K的PBS作为对照，以不含蛋白酶K的PBS为对照释放介质。在预定的时间点30 min、1 h、2 h、4 h、8 h、12 h、16 h、24 h、48 h、72 h、96 h，取释放介质1 ml进行HPLC测定，并在释放介质中添加1 ml新的相应释放介质，计算各时间点的药物释放百分率并以其对时间作释放曲线(见图6)。厚朴酚释放百分率计算公式为:

　　Release(%)=(Ibuprofen released in PBS / Ibuprofen totally entrapped in net works ) × 100%

　　超细纤维毡可以看成是固体分散体型药物释放系统，所以其中药物释放可以根据Higuchi方程进行模拟[15]:

　　α=DεT×(2A-εCs)×Cst1/2

　　上式可简化为:α=Kt1/2

　　α:单位表面积药物释放量，mg/cm2;D:药物在介质中的扩散系数，cm2/s;ε:材料的孔隙率;T:材料的曲折因子;Cs :药物在释放介质中的溶解度，mg/cm3;A:单位体积固体分散体中药物含量，mg/cm3.

　　可采用上式对释放时间的算数平方根t1/2 和布洛芬的累积释放量(%) 进行线性回归。

　　药物释放结果发现，纤维毡中的药物有30%左右的突释效应，释放曲线的拟合符合α=Kt1/2的形式。蛋白酶K的添加加速了药物释放的速率，其原因是酶能加快降解聚乳酸中的酯键，使得纤维变得疏松，产生亲水性的孔洞等，这些都使Higuchi方程中的T值变小，ε值变大，从而加大K值即拟合曲线的斜率增大，药物释放速率加快，这已多有报道[13]。

　　3 讨论

　　本研究首次制得有生物可降解材料聚乳酸经过静电纺丝技术而成型的含有非甾体抗炎药物的纤维毡，得到一种新型释药体系，并在纤维中添加小分子物质调节药物的释放速率，该项研究国内外文献未见报道。实验后成功得到表面无药物析出的超细纤维。

　　已有文献报道[1，2]包载有利福霉素、紫杉醇、阿霉素等聚乳酸，或聚乙二醇修饰的聚乳酸静电纺丝纤维，并对药物的释放规律进行了较为详细的研究。结果显示，相对于没有蛋白酶K的释放介质，有蛋白酶K的释放介质中的纤维毡，药物释放的速率加快，这是由于蛋白酶K对聚合物中的聚乳酸部分有降解作用;水溶性药物的不同状态(例如阿霉素的分子型、盐型)对其释放也有着相当强的影响[2]。纤维毡应用于生物组织后，在水中具有一定溶解度的药物通过扩散作用释放进入周围环境，另外由于H+、OH—和酶对聚乳酸酯键的作用，高分子逐步降解并促使纤维加快释放药物，所以在释放介质中添加蛋白酶K可以加快药物的释放速率。

　　将纤维中的一部分高分子材料(本实验设为1/60)用小分子物质月桂酸替换后，从0～12 h药物释放速率有较明显的加快。在含有月桂酸的电纺丝中释放变快，说明添加合适的生理相容的小分子化合物可调节布洛芬在PLLA电纺纤维中的释放。

　　所得纤维毡中的药物在释放的前5 min内有一突释，这可以满足病变部位在初始治疗对大浓度药物的需要，随后的伪1级药物缓慢释放阶段可满足病变部位对一定水平药物浓度的需要。

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