壳聚糖绒网成型及其在模拟体液内降解的研究*

卢 娟 梁列峰 陈晓龙 张成龙

(1.西南大学材料科学与工程学院，重庆，400715; 2.西南大学纺织服装学院，重庆，400715)

壳聚糖绒网成型及其在模拟体液内降解的研究*

卢 娟1梁列峰2陈晓龙2张成龙2

(1.西南大学材料科学与工程学院，重庆，400715; 2.西南大学纺织服装学院，重庆，400715)

壳聚糖具有良好的生物相容性和生物可降解性，在医药领域常作为药物载体和释放体。将壳聚糖乙酸溶液喷纺成绒，自然沉积成网，分别置于空气和模拟体液中，用显微镜观察绒网体的降解和吸附特征。结果表明，壳聚糖绒网具有良好的降解特征，降解速度不仅与制品的材料构成有关，而且主要受成型工艺控制的绒网结构，即绒的线密度和网孔尺寸的影响。研究结果可为以壳聚糖为载体的药物释放体的设计和制备提供理论依据和技术路径。

壳聚糖，绒网，模拟体液，制备，降解

壳聚糖(chitosan，CS)是由自然界广泛存在的甲壳素脱乙酰后得到的产物，广泛应用于食品、生物医学和制药领域［1］。CS具有生物相容性、生物可降解性、无毒性、抗菌性、对重金属的螯合作用、成膜性、亲水性及对蛋白质的亲和性［2］。CS在组织工程领域可抑制纤维素增生，促进伤口愈合及组织生长和分化［3］;在制药工程中能对药物释放进行有效的控制［4］。CS是依靠物理和化学作用交联成的水凝胶，能够大量地吸收水分并进行物质交换［5-6］。本研究采用 CS作为药物释放体系的载体，将CS溶液喷纺成绒，自然沉积成网，控制绒网的结构，通过在模拟体液(Simulated Body Fluid，SBF)中的形态变化研究绒网成型方式，为CS绒网用于药物释放体的制备提供理论依据和技术路径。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

CS，相对分子质量分别为5万 ～10万、15万和20万，浙江金壳生物化学有限公司;

HOI-3型恒温磁力搅拌器，上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司;

ALC-110.4电子天平，Acculab公司;

NDJ-8S数字显示黏度计，上海精密科学仪器有限公司;

HH-4恒温水浴锅，常州澳华仪器有限公司;

数码相机;

Axioskop 40/40 FL光学显微镜，Carl Zeiss(上海)公司。

1.2 方法

1.2.1 CS 绒网制备

以3%(体积分数)的乙酸水溶液为溶剂，分别配制不同相对分子质量、不同质量浓度的CS溶液，常温搅拌至完全溶解，静置脱泡，喷丝进入15%(质量浓度)NaOH+10%(体积分数)C2H5OH的凝固浴中定型，取出后洗涤，放置于玻璃皿中，加入适量的水，使其处于悬浮状态，振荡，摇匀，自然堆积，烘箱干燥(40℃，12 h)，获得干燥的CS绒网体。

1.2.2 SBF 配制

SBF用于常规检测材料的生物相容性，通过材料在SBF中磷灰石的形成和沉积可以预测该材料在体内的生物活性［7］。本实验旨在观察 37℃下CS绒网在SPF中的降解情况。为了缩短实验周期，本实验按文献［8］配制一定体积的 5倍 SBF(5SBF)，即按原配方中的各药剂用量的5倍配制。将干燥的CS绒网浸于5SBF中观察其吸附和降解状况。

1.2.3 检测

用数字显示黏度计分别测定不同质量浓度CS溶液的黏度;将CS绒网浸泡于37℃的5SBF中，30 d后开始每间隔3 d用数码相机照相观察其形态变化;并用显微镜观测置于空气中的CS绒网表面降解状况，进行比较。

2 结果与讨论

2.1 CS溶液的黏流特征

CS溶液的存放及使用均处于酸性环境中，会产生降解，有必要对CS溶液黏度随存放时间的变化进行观察［9］。从图1可看出，随存放时间的增加，CS溶液的黏度逐渐下降，说明CS溶液的稳定性较差。CS的糖苷键是半缩醛结构，该结构对酸不稳定。CS的酸性溶液在放置过程中会发生酸催化的水解反应，分子主链不断降解，黏度越来越低，相对分子质量逐渐降低，最后被水解成寡糖和单糖。即使采取一些办法使周围环境近乎没有游离酸存在，CS溶液放置较长时间也会发生水解［10］。因此，CS溶液配制后应及时喷纺，以免相对分子质量发生变化而影响纺丝的连续性。黏度可以反映CS溶液的致密性及可纺性，黏度过高或过低都不能纺丝。通过黏度测试，了解CS溶液黏度变化情况，可确定最佳的纺丝时机。

图1 不同质量浓度的CS溶液黏度变化趋势

2.2 CS绒网的形态

喷纺的难易取决于溶液配制浓度。相对分子质量为5万～10万的CS配制成质量浓度为9%的溶液时，纺丝液黏度适中，挤压成形容易，丝条线密度均匀。相对分子质量为15万的CS配制成质量浓度为3%的溶液时，黏度过小，喷入凝固浴液中易发生断头;配制成质量浓度为6%的溶液时，纺丝液流动性差，喷纺压力不易控制均匀，丝条易出现线密度不匀;配制成质量浓度为4%的溶液时，喷纺较为容易。要形成较一致结构(线密度、致密度)的丝绒，需综合考虑原料的相对分子质量和溶液浓度，相对分子质量大的CS，溶液浓度可低些，反之可使用较高的浓度，以保证能够实现较连续的喷纺。为了检测制品在SBF内随时间变化的解体状况，减少其他可变因素，实验选择相对分子质量为20万，质量浓度为2%的CS溶液，喷纺成批量丝绒(样品编号S202)［图2(a)］，可发现单绒长度连续，线密度均匀，堆砌干燥后成绒网结构［图2(b)］，网孔清晰。作为药物载体，网孔的数量和大小以及网孔分布的均匀程度是药物释放速度及网体降解的控制要素。

图2 喷纺成型的样品S202

2.3 CS绒网在SBF内的形态变化

药物载体是药物释放体系的重要组成部分。CS是一种具有良好生物相容性的氨基多糖，可被体内溶菌酶、胃蛋白酶等多种生物酶降解。用此类生物降解性高分子制成绒网状的药物载体时，随着时间的延续，网状结构在体内变得更加疏松，绒网单纤与体液接触面逐步扩大，使其内含药物的溶解和向网体外的扩散阻力减少，药物释放速度加快，抵消了因接触体液的网体外表含药量减少引起的释药速度减慢，从而实现药物在体内的恒量释放。因此，结构控制是网体作为药物释放体功能实现的关键环节。

当CS溶液细流与凝固浴接触时，细流表面的溶剂被碱性溶液迅速中和，在最外层生成稠密的膜层(显微镜观察显示出玻璃化程度较高的晶状)，获得表面匀净、线密度均一的丝绒状CS［图3(a)］。将这种属于生物降解高分子材料的CS丝绒放置在空气中，在物理因素(如热、紫外线等)和化学因素(如氧气)作用下材料会逐渐变性，其中以氧化降解和因自然界微生物(如细菌、真菌等)作用引起的降解为主，将高分子物质分解成小分子化合物，但是这种降解是缓慢和有限的，表现为放置50 d后，在样品的表面才局部出现小颗粒状的降解斑［图3(b)］，而绒网中的单纤维依然保持完整的形态。将绒网体放置在5SBF内，降解速度明显加快，在30 d后丝绒单纤维已完全膨胀，表面吸附有晶状颗粒。生物活性材料在体内或在SBF内会发生类骨磷灰石(Bonelike Apatite，BLA)的表面沉积。根据CS的生物相容性和SBF的性质，CS吸附 SBF中 Ca2+，随后 Ca2+与 PO结合，生成磷灰石，导致晶状颗粒的形成。此时，由于丝绒表面遍布降解形成的白斑，并部分随同外表面沉积的磷灰石溶解或分散至SBF内［图4(a)］，SBF变得白浊，单纤维因降解在表面发生凹凸不平的降解区［图4(b)］。绒网体在5SBF中放置50 d后外围的单纤维已全部膨胀解体，以粉碎的颗粒状溶解在SBF内［图5(a)］，原网体孔隙分布较多的部分已解体，较致密的部分及网体的内部也开始膨胀松散，单纤维已开始表面剥离、开裂至解体［图5(b)］。

图3 样品S202的表面形态

图4 在5SBF中放置30 d后的S202表面形态

图5 在5SBF中放置50 d后的S202表面形态

3 结论

本研究将CS先喷纺成丝绒，再自然沉积成绒网体。通过CS绒网体在SBF内的降解实验发现，绒网体降解速度受成型工艺控制的绒网结构即绒的线密度和网孔尺寸的影响，合理配置和选择上述要素能够实现此类型和结构的药物释放体的释药速度的准确控制。

［1］MARGUERITE R.Chitin and chitosan:properties and applications［J］.Progress in Polymer Science，2006，31:603-632.

［2］BARBARA K.Application of chitin-and chitosan-based materials for enzyme immobilizations:a review［J］.Enzyme and Microbial Technology，2004，35:126-139.

［3］MAJETI N V R.A review of chitin and chitosan applications［J］.Reactive ＆ Functional Polymers，2000，46:1-27.

［4］DAVID J B.Controlled release technologies for drug delivery［J］.Drug Discovery Today，2003，21:976-978.

［5］ANSETH K S，METTERS A T，BRYANT S J，et al.In situ forming degradable networks and their application in tissue engineering and drug delivery［J］.Journal of Control Release，2002，78:199-209.

［6］LI Jie，NI Xingwen，LEONG K W.Injectable drug-delivery systems based on supramolecular hydrogels formed by poly(ethylene oxide)s and cyclodextrin［J］.Journal of Biomedical Material Research，2003，65A:196-202.

［7］TADASHI K，HIROAKI T.How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity? ［J］.Biomaterials，2006，27:2907-2915.

［8］KIM H M，MIYAZAK T，KOKUBO T，et al.Revised simulated body fluid［J］.Key Engineering Materials，2001(192-195):47-50.

［9］贾浩，黄玉丽.壳聚糖溶液性质的研究［J］.北京联合大学学报，1998(6):65-68.

［10］蒋挺大.壳聚糖［M］.北京:化学工业出版社，2006.

Study on preparation of chitosan fluffy meshwork and its degradation in stimulated body fluid

Lu Juan1，Liang Liefeng2，Chen Xiaolong2and Zhang Chenglong2
(1.College of Materials Science and Engineering，Southwest University;2.College of Textile and Garment，Southwest University)

Chitosan has good biocompatibility and biodegradation，which is often used as drug carrier and release body in medical field.In this research，the chitosan acetic acid spinning dope was spun into slender fluff，the fluffy network deposited naturally were placed respectively in air or simulated body fluid(SBF).The characteristics about adsorption and degradation of its fluffy body was investigated by optics microscope.The result showed that the chitosan fluffy had good degradation characteristic.The speed of degradation is not only related to material composition but also to the structure of the fluffy network which is mainly controlled by the fineness of the fluffy and the network size modulated from the molding process.This research would provide the theory basis and technical way to design and fabricate for chitosan as the carrier of the drug release.

chitosan，fluffy network，stimulated body fluid，preparation，degradation

TQ914.2;TQ340.643

A

1004－7093(2010)09－0025－04

*重庆市自然科学基金项目(CSTC-2008BB4096)，重庆市教委科学研究计划项目(KJ060307)

2010－04－14;修改稿:2010－06－30

卢娟 ，女，1985年生，在读硕士研究生。研究方向是纺织材料与功能材料。