静电纺聚乳酸及其复合材料的研究及应用
2011-04-10王香梅杨丑伟
魏 兴,王香梅,杨丑伟
(1.中北大学理学院,山西太原 030051;2.中北大学化工与环境学院,山西太原 030051)
0 引言
近年来,可生物降解的合成聚合物已广泛用作药物载体。生物可降解高分子药物载体按其形态可分成4类:纳米或微米微球、水凝胶、胶束和纤维支架。微球载药的药物包封率很低,并且由于表面区域庞大,容易引起药物团聚;水凝胶主要适用于亲水性药物,并且为了达到理想的溶胶—凝胶敏感性,需要进行复杂的分子设计;高分子胶束更适用于憎水性药物的负载。最近,静电纺丝纤维支架在一些生物医药领域得到了广泛应用。静电纺丝生物可降解聚酯类纳米纤维支架可以用作亲水性和憎水性药物的载体。药物释放可以通过调节纤维支架的形态、孔隙率和组成等进行精确控制[1-2]。
聚乳酸(PLA)是一种无毒、可完全生物降解的聚合物,具有较好的化学惰性、易加工性和良好的生物相容性,不污染环境,被认为是最有发展前途的高分子材料,备受国内外关注[3]。而静电纺丝法制备的纤维直径小,具有精细程度好、孔隙率高、比表面积大、孔径小等特点,可促进细胞的迁移和增殖[4]。若在电纺材料中加入如各种细胞生长因子、药物、DNA、多肽等具有生物活性的分子,更能拓宽聚乳酸材料的应用领域[5]。因此,电纺法制备的聚乳酸及其复合材料在组织工程支架、药物控释系统、伤口敷料等领域均得到了广泛的应用。
1 静电纺丝技术的原理和发展
静电纺丝的概念可以追溯到上个世纪,在1934年Formhals[6]设计了第一套在电场力作用下纺高聚物纤维的装置,申请了世界上第一个静电纺丝的专利。随后相当长一段时间又有多项专利出现。近年来,随着对纳米材料研究的兴起,静电纺丝已经成为一种重要的纳米材料加工技术。目前已有超过100种天然和人工合成高分子材料被成功地电纺成纳米纤维,使得这种技术重新受到重视并出现了大量的文献[7]。
静电纺丝是高压静电场(一般在几千到几万伏)在毛细喷丝头和接地极间瞬时产生一个电位差,使毛细管内聚合物溶液或者熔融体(一般为非牛顿流体)克服自身的表面张力和黏弹性力,在喷丝头末端呈现半球状的液滴,随着电场强度增加,液滴被拉成圆锥状即Taylor锥。当电场强度超过某一临界值后,将克服液滴的表面张力形成射流(一般流速数每秒数米),在电场中进一步加速,直径减小,拉伸成一直线至一定距离后弯曲,进而循环或者循螺旋形路径行走,伴随溶剂挥发或熔融体冷却固化,终落在收集板上形成纤维[8]。
近年来,人们试图将药物、酶、DNA等活性物质混合到电纺纤维中,取得了一些成果。但这需要两者的溶剂一致,使适用范围受限。此外,两者的简单混合可能导致活性物质仅分布在纤维表面而引起迸发释放[9]。为了克服传统电纺的不足,近期,一种新的电纺办法——同轴静电纺丝及其紧密相关的同轴射流技术,引起了人们极大的关注[10-11],并被认为是静电纺丝技术最近的三大进展之一[12]。
同轴静电纺丝的原理与传统的电纺相同,只是在装置上进行了改进。不同研究组报道的实验装置虽有差异,但其原理是一样的[13]。芯质和表层材料的液体分装在两个不同的储液罐(如注射器)中。根据需要,芯质和表层液体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进行汇合。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形成同心分层流。由于纺丝过程中两种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[14]。
静电纺丝技术的发展历程:1745年,Bose发现在高压静电场中下坠的带电液滴可以雾化。1882年,Lord Rayleight考察了带电液滴在静电场中雾化时克服表面张力所需的电荷数。1902~1903年,Cooley等发明了第一台静电喷雾装置。1934年,A Forhals申请了静电纺丝装置的专利。1952年,Vonneguth等用他们发明的离子化装置得到了直径约为l μm、均匀、带电程度高的微粒。1971年,Baumgarten Peter K利用静电纺丝法制备了超细(<1 μm)纤维。1981年,Larrondo L等对聚乙烯和聚丙烯进行了熔融静电纺丝,获得了连续的聚合物纤维。1995年,Renker等开始对静电纺丝机理和应用进行研究,极大地推动了静电纺丝技术的发展。2000年,Reneker等发现静电纺丝过程是聚合物溶液射流在静电场中弯曲不稳定扰动形成纤维的过程,研究了静电纺丝过程的不稳定性。2002年,I G Loscertales等在流动聚焦技术的启发下,发明了第一台同轴电喷设备,Dai等和Shao研究小组分别利用静电纺丝法和后续高温煅烧制得了无机纳米纤维。2003年至今,Reneker等对静电纺丝机理进行了更深入的研究,将静电纺丝与其他方法结合开发出新型纳米纤维。首台纳米纤维纺丝机“纳米蜘蛛”问世。开发了多种静电纺纳米纤维的原料。
2 聚乳酸及其复合材料的静电纺丝
随着聚乳酸在越来越多的领域得到应用,如何进一步改善纤维的结构及性能受到广大研究者的重视。静电纺丝技术的出现弥补了传统浇铸法制备的聚乳酸膜缺乏良好的多孔结构,不利于细胞与环境之间进行营养交换和新陈代谢的缺点,进一步拓展了聚乳酸的应用领域。国内外的研究者也纷纷针对静电纺丝技术在聚乳酸及其复合材料上的应用展开了一系列的研究。
赵敏丽等[15]采用静电纺丝法制备了生物降解聚乳酸(PLLA)纳米纤维无纺毡。结果表明,在PLLA质量分数为5.7%、挤出速度0.8 mL/h、接受距离15.5 cm、电压8 kV的静电纺丝条件下,可制备纤维直径为200~400 nm的PLLA纳米纤维无纺毡。
徐安长等[16]通过静电纺丝制备了直径为数微米的聚乳酸纤维构成的多孔状材料。同时发现:当以纳米级的静电纺丝素或锦纶纤维毡为基底时,可以使PLA纤维的分布均匀化,同时纤维的直径下降;经过复合后,PLA复合纤维毡承受负荷的能力得到了很大提高。
李常胜等[17]采用静电纺丝技术制备了聚乳酸(PLA)微/纳米纤维膜,并研究了其可纺性、浸润性能及结构。结果表明:以二氯甲烷为溶剂的PLA电纺丝溶液,当PLA质量分数为7%时,可纺出纤维直径为280~690 nm的PLA微/纳米纤维膜。X光电子能谱测试表明PLA微/纳米纤维膜的表面碳氧含量比高于PLA流延膜,PIA微/纳米纤维膜的疏水性得到提高。
王曙东等[18]以聚乳酸(PLA)为原料通过静电纺丝法,以高速旋转的滚轴为收集装置制备了PLA小口径管状支架(d=4.5 mm)。结果表明:随着纺丝液质量分数的增加,纤维直径增大,孔隙率减小,断裂强度提高;当滚轴转速为2 000 r/min时,可获得取向很好的纤维,此时,PLA管状支架的孔隙率最小,断裂强度最大,其爆破强度远高于人体正常血压;随着管壁厚度的增加,PLA管状支架的孔隙率减小,其断裂强度及爆破强度均增加。他们又通过与以平板为收集装置制得的无规排列PLA纤维膜进行比较得到:滚轴转速对纤维取向具有较大影响,当滚轴转速为2 000 r/min时可获得具有较好取向的纤维;PLA取向纤维膜的结晶度高于无规则排列PLA纤维膜,前者的力学性能好于后者[19]。为了克服聚乳酸超细纤维亲水性不足、降解周期不易控制、降解时呈酸性以及亲水性差等缺点,研究者又把眼光投向了聚乳酸的共聚物和共混物。通过对聚乳酸材料的改性来满足其在更多领域的应用。
Wan Ju Li等[20]对利用聚乳酸—聚乙交酯共聚物制备的电纺丝纤维的研究,孔隙率达90%以上。何晨光等[21]采用静电纺丝方法制备纤维支架,考察静电纺丝的主要参数对PLGA纤维支架形貌和纤维直径的影响。当浓度为0.29 mol/mL、流速为0.4 mL/h、电场强度为1.5 kV/cm的条件下制备的PLGA纤维直径分布最窄、珠滴最少、纤维平均直径最小为330 nm。
贾骏等[22]制备了胶原改性的聚羟基乙酸—聚乳酸共聚物(PLGA)电纺纳米纤维支架,并检测了其对真皮成纤维细胞生长和增殖的影响。3-(4,5-二甲基噻唑 -2)-2,5-二苯基四氮唑溴盐(MTT)结果表明,真皮成纤维细胞在胶原接枝改性的PLGA电纺纤维表面的生长明显优于未经处理的纤维。电镜观察显示所制备的PLGA电纺纤维直径均一,呈相互连通的多孔网状结构,成纤维细胞在改性后的材料表面具有良好的生长形态。
杨立新等[23]通过高压静电纺丝制备了具有不同三醋酸甘油酯(GTA)含量的聚乳酸超细纤维毡,测试结果表明,随着GTA含量的增加,纤维之间趋于黏连,形成立体网状结构。当GTA质量分数高于50%时,水能迅速浸润纤维毡。李楠等[24]通过静电纺丝技术可以将聚乳酸-聚3羟基丁酸酯-4羟基丁酸酯和聚碳酸亚丙酯3种材料制备成微纳米纤维结构,控制制备参数可以获得不同直径的纤维,样品随着在培养液中的浸泡实际延长,总体显示出接触角比初始降低,亲水性增强。
刘森等[25]通过静电纺丝先制备聚乳酸(PLA)纤维膜,在PLA纤维膜上分别喷射不同比例的丝素-明胶纺丝液制得PLA/丝素—明胶复合纤维膜。结果表明:与丝素—明胶纤维膜相比,PLA/丝素—明胶复合纤维膜的溶失率明显下降。尺寸稳定性及柔软性得到改善,且经甲醇处理后,复合纤维膜的力学性能提高。
赵亚男等[26]通过静电纺丝法制备甲氧基聚乙二醇—聚乳酸两嵌段共聚物mPEG-PLLA(PELA)单纺纤维膜、由PELA共聚氧化乙烯(PEO)经乳液电纺制备了芯/壳结构乳液电纺膜(E-PEO/PELA);由外管PELA的三氟乙醇溶液,内管PEO水溶液,经同轴电纺制备了芯/壳结构超细纤维膜(C-PEO/PELA),实验结果表明电纺纤维形貌良好,E-PEO/PELA和C-PEO/PELA超细纤维具有芯/壳结构。随着mPEG含量的增加,其亲水性有所提高;E-PEO/PELA和C-PEO/PELA亲水性高于PELA。E-PEO/PELA、C-PEO/PELA的弹性模量显著高于PELA的弹性模量,各电纺膜的力学性能在湿态下较干态下都有不同程度的变化。
3 在药物载体中的应用
静电纺丝制备的聚乳酸及其复合材料具有静电纺纤维的一般特点,如孔隙率高、比表面积大等。同时由于聚乳酸本身良好的生物相容性和生物可吸收性,它能够与其它各种高分子材料共聚或共混后对亲水性和憎水性的药物进行负载,并获得适宜的降解周期,避免酸性降解物引起的酸性反应。所以静电纺丝制备的聚乳酸及其复合材料在药物控释领域具有十分广阔的应用前景。
何莉等[27]将药物消炎通过静电纺丝制备载药PLA纤维膜。结果表明:与纯药粉的释药速率相比,载药PLA纤维膜有明显的缓释性,提高了药物的利用率及安全性。李博等[28]将担载阿霉素的可降解静电纺丝纤维毡植入小鼠H22肝癌肿瘤体内,可显著抑制肿瘤细胞的生长,导致肿瘤细胞坏死、凋亡。植入缓释系统具有可定位给药、用药次数少、长效恒释作用等优点,将抗癌药物持续缓慢释放于靶部位,提高了药物的生物利用率,加速肿瘤细胞的凋亡。
林彦等[29]以牛血清蛋白BSA为蛋白模型,以聚乳酸为载体材料,共混制得纺丝液进行静电纺丝。实验发现,包埋蛋白的纤维膜材料能够更好的起到控制释放的功效,并以此推断:通过改变纤维的形貌、控制纤维中孔洞的疏密结构来调节目标药物的渗透速度,从而达到有效地控制释放药物的目的。
费燕娜等[30]采用静电纺丝技术,分别制备了聚乳酸(PLA)质量分数为8%的纳米纤维膜及茶多酚(TP)质量分数不同的茶多酚/聚乳酸复合纳米纤维膜并测试其抗菌性能。抗菌结果表明,茶多酚/聚乳酸复合纳米纤维膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有良好的抗菌作用,并且随着纺丝液中TP含量的增加,抗菌性能不断提高,对金黄色葡萄球菌的抗菌效果也更好。
邹杰[31]在肝素化的聚乳酸纤维上通过肝素于碱性成纤维细胞生长因(bFGF)之间的亲合作用,成功地在纤维上载入了bFGF。体外释放结果表明,纤维上接枝肝素的量越多、接枝肝素相对分子质量越低,bFGF的释放速度越慢;而细胞培养液为释放介质中存在的蛋白等导致bFGF的释放稍快。通过体外细胞试验,肝素化纤维上载入bFGF的活性保持较好,释放后能有效地促进细胞的黏附、增殖和胶原的分泌。
王浩等[32]通过静电纺丝制备同时包载有布洛芬的聚乙二醇—共聚—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。环境扫描电镜(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,广角X射线衍射(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。
颜娜等[33]使用静电纺丝技术制备载不同含量盐酸四环素的聚乳酸—聚乙醇酸载药纳米纤维膜。载药纳米纤维的直径均在360~470 nm之间,且载药率都可以达到80%以上。载药纳米纤维膜可以有效抑制金黄色葡萄球菌的生长,但是对于MG-63细胞的黏附和增殖没有明显的不良影响。
同轴静电纺丝被广泛用于制备壳—芯型纳米纤维结构,在生物医学等领域具有广泛的潜在用途。核—壳结构的电纺丝的优势在于:首先,解决了某些不能单纺聚合物的纳米纤维制备难题;其次,可以获得中空结构的纳米纤维;另外,核—壳结构电纺丝可以在内层负载某些药物和生物活性因子,作为药物缓释载体及组织工程支架;此外,同轴静电纺丝技术具有一步成型的特点。
何创龙等[34]采用同轴静电纺丝技术制备了以聚己内酯(PCL)为壳层材料,脂溶性药物(白藜芦醇)和水溶性药物(硫酸庆大霉素)为芯层的双层复合纳米纤维。实验结果显示,随着聚合物的降解,芯层的药物能够平稳的释放。通过合理调节壳层材料的成分和加工参数将能够获得理想的药物释放体系。Jiang等[35-36]证明了同轴纺丝技术可以简便地在纤维中包埋水溶性生物活性物质,并实现控制释放。王建广等[37]应用同轴静电纺丝技术成功制备了以乳酸己内酯共聚物为壳,神经生长因子和牛血清蛋白为芯的纳米纤维缓释载体,通过调整芯层溶液的流速可以控制纳米纤维的直径,并且能够保持神经生长因子的生物活性和持续释放。龙新云等[38]以水溶性药物5-FU和脂溶性药物硝苯地平为模型药物,采用同轴静电纺丝技术分别将其载入以聚乙丙交酯(PLGA)为壳层材料的纤维芯部,实现了对两种药物的缓释行为。他们又将中药番荔素代替模型药物包埋于纤维的芯部,研究结果表明,以PLGA为壳层材料的同轴静电纺丝纤维可以实现番荔素的缓慢释放,且释放时间与释放量可以通过PLGA的相对分子质量和LA/GA的组成比来调节。Kumar等[39]对于静电核壳纤维结构对亲水性物质的控释提出了分区控制的原理,他们使用亲水性药物胃复安作为模型,通过分别改变内核和外壳的物理和化学性质实现了对其释放速度的控制。
4 结束语
利用静电纺丝技术来制备聚乳酸及其复合材料的超细纤维并将其应用于药物控释体系是一个具有重要意义的研究领域。目前,国外熔融纺丝法制备聚乳酸纤维的工艺比较成熟,已有不少聚乳酸纤维类商品面世,如美国Cargill Dow的Ingeo纤维、日本钟纺公司的Lactron纤维、尤尼吉卡公司的Terramac纤维等。随着成本的不断降低,聚乳酸及其超细纤维的生产规模也在逐年扩大。
我国对聚乳酸的研究与开发主要集中在合成聚乳酸上,纤维的研究与开发处于起步阶段,还有很多的问题需要解决,例如开发产量高的静电纺丝机,将静电纺丝纳米纤维从实验室推向市场,将成果产业化有待今后进一步的深入研究。如何在电纺过程中简便地加入各种功能性物质,如何制备特定形态的纤维支架、多种材料形成的复合材料支架以及特殊区域掺入生物活性因子的支架,提高电纺膜的生物学领域的应用潜能也是目前急需解决的问题。
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