聚（L-丙交酯-co-ε-己内酯）电纺防粘连膜的研究

2018-05-22李李，张彪

安徽化工 2018年2期

李李，张彪

（合肥安利聚氨酯新材料有限公司，安徽合肥 230001）

外科手术后常引起组织与器官之间的粘连。在经历过一次或者多次手术的病人中，93%的人会发生内腹腔粘连[1]。术后粘连易造成小肠梗塞[1]、再手术困难[2]、慢性腹痛、盆腔疼痛[3]和不孕症等[4]，严重影响了人们的身心健康。目前，解决术后粘连常用的办法是物理屏障作用，即将组织与手术切口隔离开，从而达到防粘连的目的。

近年来，国外有一些防粘连产品已经被FDA批准，如 INTERCEED（Johnson&Johnson）、PRECLUDE（W.L.Gore）和Seprafilm（Genzyme）。这些产品在实际应用中还存在许多不足，防粘连的效果也不佳，使用范围受到一定的限制。国内也有一些用于防粘连用的可吸收生物医用膜产品，主要以聚乳酸、聚乳酸-聚乙醇酸和壳聚糖为材料的防粘连膜。在实际应用中，以聚乳酸为材料的可吸收生物医用膜主要存在在水中变硬，易刺激组织，没有柔韧性，降解较慢，降解过程易产生碎片，容易形成肉芽，产生异物等缺陷。而以聚乳酸-聚乙醇酸为材料的防粘连产品与聚乳酸材料品种相比，只是改善了降解时间，其他缺陷依然存在。以壳聚糖为材料的产品更是由于材料的来源不稳定受到了生产限制。因此，研发新一代的防粘连产品具有重要的社会意义和经济意义。

L-丙交酯与ε-己内酯的共聚物，由于其良好的生物可降解性及生物相容性，在生物可降解高分子材料中占有重要的地位[5-6]，在生物医学领域中有广泛的应用。尤其当共聚物中L-丙交酯与ε-己内酯摩尔比为50∶50时，这种共聚物（简称PLCA5050）展现出极好的柔韧性[7]和降解性，和其他用于防粘连的材料相比，在水中更具有柔韧性，而且具有一定的强度。该共聚物是一种较理想的、潜在的用于防粘连的材料。载药电纺膜是近年来研究的热点[8]。本文采用静电纺丝技术开展聚（L-丙交酯-co-ε-己内酯）共聚物载药电纺防粘连膜研究，对开发新一代的防粘连产品具有重要意义。

1 实验部分

1.1 主要原料及仪器

PLCA5050（实验室自制，共聚物中L-丙交酯与ε-己内酯的摩尔比为 50∶50，Mw≈3.6×105）；丙酮（分析纯，广州市金华大化学试剂有限公司）；N,N-二甲基甲酰胺（DMF，分析纯，广州市金华大化学试剂有限公司）；氯仿（分析纯，广州市金华大化学试剂有限公司）；替硝唑（Tinidazole，Aarti Drug limited，India）。

DW-P503-1ACCC型高压直流电源（天津市东文高压电源厂）；WZS-50F2型微量注射泵（浙江大学医学仪器有限公司）；扫描电子显微镜（Inspect F，FEI，USA）；恒温培养箱（GHP-9080，上海齐欣科学仪器有限公司）；DSC（Q20，美国 TA instruments公司）；电子万能测试机（SANSCMT4503，中国深圳）；紫外分光光度计（UV-vis spectrophotometer,UV-2550,Shimadzu,Japan）。

1.2 电纺膜的制备过程

静电纺丝装置如Fig.1所示，由高压电源、带针头的注射器、注射泵和接地平板收集器组成。将PLCA5050溶于丙酮与DMF混合溶剂中（体积比为1∶1），配成浓度为7%、10%、12%、15%（m/v）的溶液，在10kV和20kV电压下进行静电纺丝。通过注射泵控制溶液流量分别为1mL/h和2mL/h，针头与收集器之间的距离为15cm。

Fig.1 Schematic of the electrospinning system

1.3 电纺膜形貌测试

使用扫描电子显微镜观察电纺膜表面形貌。采用图像分析软件ImageJ测定电镜照片中纤维直径。每个样品的电镜照片至少取50根纤维计算平均直径。

1.4 电纺膜收缩率测试实验

取三个电纺膜样品（大小为50mm×20mm，厚度约为0.11mm）置于37℃下PBS溶液中24h，然后取出立即放入真空干燥箱中，完全除水后进行测量。收缩率计算公式如下：

收缩百分数=体外24h之后回复膜的尺寸变化/原始表面尺寸

收缩百分数取三个样品的平均值。

1.5 体外降解实验

将电纺膜裁剪成条状样品（大小为50mm×5mm，厚度约为0.11mm），每组4个平行样，使样品完全浸没在Na2HPO4和KH2PO4配制成的PBS缓冲溶液中（pH=7.44），置于37℃恒温培养箱内进行体外降解实验，定时取样测试。

降解前样品的质量为W0，于不同时间点将降解后的样品取出，放入去离子水中洗涤后，用滤纸吸干表面水分，称重W1，然后再真空干燥至恒重，称重W2，试样的吸水率采用以下公式进行计算：

吸水率%=（W1-W2）/W2×100%

试样的质量损失采用以下公式进行计算：

质量损失率%=（W0-W2）/W0×100%

1.6 特性黏度

聚合物的特性黏度由乌氏粘度计测定。将聚合物配制成一定浓度的氯仿溶液，置于25℃的恒温水槽中进行测定。

1.7 差热分析

使用DSC进行热力学表征。样品量为3～5mg，在氮气气氛下进行。样品的控温程序如下：先将样品由-80℃以10℃/min升高到200℃，在该温度下保持5min，以消除样品的热历史。然后样品快速降温至-80℃，再以10℃/min的速率升温至200℃。结晶度其中△Hcc为冷结晶焓，△Hm为熔融焓，△Hom为PLLA完全结晶的熔融焓值，其值为135J/g[9]。

1.8 力学性能分析

力学性能在电子万能测试机上进行，测试内容主要包括样条（每组3个平行样）的拉伸强度和断裂伸长率。测试温度为25℃，加载速度为10.00mm/min。

1.9 电纺膜载药及释放测试

将替硝唑、PLCA5050聚合物（替硝唑占聚合物质量的5%）溶于丙酮与DMF混合溶剂中，配成10%（w/v）的溶液，在10kV电压、15cm距离下静电纺丝，制成载有替硝唑的PLCA电纺膜。

将载药电纺膜裁成尺寸为2cm×2cm，准确称重，设三组平行样，放入150mL烧杯中，准确加入50mL的PBS缓冲溶液，密封后放入37℃恒温振荡培养箱中。在预定时间从烧瓶中精确取出5mL释放液，同时补加相同量的新鲜PBS溶液。采用紫外-可见分光光度计检测释放液中的药物浓度（318nm处吸收峰），继而折算出载药膜的累积释放量。

2 结果与讨论

2.1 PLCA5050电纺膜形貌分析

（1）聚合物浓度对电纺膜形貌的影响

保持电压10kV、注射速度1mL/h、针头与接收器距离15cm不变，通过改变溶液浓度来研究浓度对电纺膜形貌的影响。不同浓度下电纺膜形貌见Fig.2。从Fig.2可以看出，7%浓度时（Fig.2a），有少量扁平型球珠存在于纤维中。这是由于在浓度较低情况下，针头处液滴受到重力和微量注射泵的推力，液滴较易下落，使泰勒椎形成时间较短，减少了电荷的累积时间，液滴离开针头时静电斥力仍不能克服表面张力使液滴完全劈裂成丝。带电液滴在下落过程中，溶剂将快速挥发，最终收集器上形成了不规则的球珠形状[10]。10%浓度时（Fig.2b），纤维形貌得到极大改善，纤维更加平直，没有球珠存在纤维中，这可能是由于粘度增大，电荷有充分的积累时间，射流被充分拉伸所致[10]。当浓度达到12%（Fig.2c）和15%（Fig.2d）时，纤维变的更粗，且纤维直径变得更加不规则。这是由于此时浓度较高，溶液粘性更强，针头易堵塞造成的。

Fig.2 SEM micrographs of electrospun fibers spun from PLCA5050 at different polymer concentrations

纤维平均直径与浓度的关系见Fig.3。从Fig.3可以看出，纤维平均直径随浓度呈线性增长关系，这也与Chung等[11]报道相符。

Fig.3 Linear regression of the concentration of PLCA5050 versus mean fiber diameter

（2）电压对电纺膜形貌的影响

为了评价电压变化对电纺膜形貌的影响，10%浓度的聚合物溶液分别在10kV和20kV电压下被电纺。Fig.4为不同电压下10%浓度聚合物溶液电纺膜的SEM图。从Fig.4可以观察到，增加电压，纳米纤维直径增加，且纤维变得不规则。这可能是由于电压的增加，加剧了纺丝过程中的无序弯曲不稳定性，不能得到较好的纤维形貌造成[10]。

（3）注射速度对电纺膜形貌的影响

为了研究注射速度对电纺膜形貌的影响，在10%浓度、10kV电压下，把注射速度从1mL/h提高到2mL/h。Fig.5为不同注射速度下制备的电纺膜SEM图。从Fig.5可以看出，增加注射速度，纤维变粗且更加不规则。这是由于在更高的注射速度下，针头末端的小液滴变得更大，喷射流通过针头与收集器之间的距离更快造成[11]。

通过前述三种因素对电纺膜形貌影响的研究，发现这种PLCA5050共聚物在10kV、10%浓度、1mL/h流速下得到的电纺膜形貌最好，纤维直径相对较细。因此，我们选用这种条件下制成的电纺膜做进一步的研究。

2.2 PLCA5050电纺膜收缩率分析

收缩率反映了电纺膜的尺寸稳定性。Tab.1为常见电纺膜[12]及PLCA5050电纺膜的24h后收缩率。从Tab.1可以看出，DL-PLA、PDLGA7525收缩率很大，达到了85%左右。PLLA和PLCA5050的收缩率很小，只有百分之几。DL-PLA、PDLGA7525是无定型聚合物，在电纺过程中被拉伸的无规链由于热引发的链松弛造成了较大收缩。而PLLA以及PLCA5050为结晶性聚合物，结晶阻碍了链松弛，从而收缩率较小[12]。

Tab.1 Shrinkage comparisons of electrospun membranes after 24h at 37℃in PBS

Fig.4 SEM micrographs of electrospun fibers spun from PLCA5050 at different voltages

Fig.5 SEM micrographs of electrospun fibers spun from PLCA5050 at different flow rates

2.3 PLCA5050电纺膜力学性能分析

Tab.2为PLCA5050电纺膜拉伸性能数据。从Tab.2可以看出，电纺膜断裂伸长率较高，将近300%，拉伸强度达到了4MPa左右。Fig.6为PLCA5050电纺膜的应力-应变曲线，展现了类似橡胶的拉伸行为。

Tab.2 Tensile properties of PLCA5050 membranes

Fig.6 Stress-strain diagrams of PLCA 5050 membranes

Fig.7 Water absorption percentages of PLCA5050 membranes during in vitro degradation

Fig.8 Mass loss percentages of PLCA5050 membranes during in vitro degradation

2.4 PLCA5050电纺膜体外降解分析

（1）吸水率变化分析

当聚合物材料被放置在水介质中，首先发生的现象就是吸水，它反映了材料的亲水性。Fig.7为PLCA5050电纺膜吸水率与降解时间的关系图。可以看出，电纺膜吸水率较高，6周之内达到了20%。这是由于电纺膜独特的多孔结构和高比表面积造成的。还可以看出，在前两周之内电纺膜吸水率增加很快，迅速达到了15%左右，而在后12周之后吸水率增加缓慢。

（2）质量损失变化分析

质量损失反映了在水解过程中可溶性低聚物的释放。Fig.8为质量损失与降解时间关系图。从Fig.8可以看出，前8周展现了缓慢的质量损失，而在10周之后质量损失明显加快。

（3）分子量变化分析

聚酯材料在水解过程中会发生酯键断裂，造成分子量下降。Fig.9为PLCA5050膜特性黏度随降解时间变化曲线。从Fig.9可以看出，PLCA5050电纺膜的黏度在降解过程中不断下降，经过14周的降解，特性黏度从最初的3.5dL/g下降到了0.5dL/g。

Fig.9 Variation of inherent viscosity（[η]）during in vitro degradation

（4）热力学性能变化分析

聚酯在水解过程中其热力学性能会发生变化。Tab.3为PLCA5050电纺膜降解过程中热力学性能的变化情况。从Tab.3可以看出，熔点和结晶度在降解过程中不断升高，这是在水解过程中聚合物中无规链的断裂和消失以及分子量降低和水促进了链运动双重作用的结果[13]。玻璃化转变温度无明显变化规律，基本稳定在0℃左右。

（5）力学性能变化分析

Fig.10 In vitro release of tinidazole from PLCA5050 membranes

Tab.3 Thermal property of PLCA5050 membranes as function of hydrolysis time at 37℃

Tab.4 Tensile strength and breaking elongation of PLCA5050 membranes as function of hydrolysis time at 37℃

Tab.4为PLCA5050电纺膜降解过程中力学性能的变化情况。从Tab.4可以看出，拉伸强度与断裂伸长率都在不断降低，这是由于样品自身缺陷及分子量下降等多重因素影响的结果。拉伸强度和断裂伸长率保持了将近8周时间，而在第10周之后强度下降到0.75MPa，断裂伸长率下降到38.2%。

2.5 PLCA5050电纺膜药物释放

感染是造成术后粘连的重要原因之一。为了减少感染，制备了载有替硝唑（Tinidazole）的电纺膜。Fig.10为替硝唑的释放曲线。从Fig.10可以看出，载药电纺膜展现了“突释”的药物释放行为，24h内释放80%的药物。这种“突释”模式可能是预防术后粘连的理想释放模式[14]，这是因为大部分的感染都发生在手术前期，这种“突释”能在前期释放高浓度的药物，有效杀灭细菌，减少感染，从而有效防止粘连。