基于超临界CO2流体的载药二醋酸纤维释放行为

朱维维, 施楣梧,2, 龙家杰

(1.苏州大学 纺织与服装工程学院, 江苏 苏州 215123; 2.北京海淀第57离职干部休养所, 北京 100035)

二醋酸纤维为再生纤维素纤维,其产量仅次于粘胶纤维,具有良好的吸湿性和染色性,手感舒适,光泽柔和,质感如蚕丝,多用于高档成衣面料。随着时代发展,人们不仅仅满足于纤维材料本身带来的舒适体验,更期待材料被赋予一定功能性,其中保健护肤类纤维材料广受市场欢迎[1-3]。若二醋酸纤维被赋予相应护肤保健功能而用于内衣制品,其市场价值将被进一步提升。

目前,保健护肤类纤维材料的制备方法主要有共混纺丝法和接枝改性法,但均存在一定缺陷。其中共混纺丝法不适合加入热敏性药物,加入后易损伤纤维的物理力学性能,同时留存于纤维内部的护肤药物难以迁移至纤维表面,造成大量浪费[4-5]。接枝改性法制备流程偏复杂,且易导致织物发硬或表面泛黄,其物理力学性能同样易受影响[2,6]。通过微胶囊包合易受环境影响的护肤药物,如维生素[7]、精油[8]等,除可利用上述2种方法将其负载到纤维或织物上,也可直接采用浸轧或涂覆方式,但需加入交联剂进行固化,从而导致织物手感下降。同时,上述方法均难以实现护肤药物从纤维或织物中释放的速率及周期的有效调控。

超临界CO2流体技术可在较低温度 (≥31.1 ℃) 下直接溶解护肤药物并将其载入纤维中,加工结束后流体可转变为气体被回收再次利用。该方法不仅使护肤纤维的制备方法更加简单、高效,且可通过改变流体温度、压力等调节药物在纤维上的负载量及其分布,而负载量及其分布是影响药物从基材中释放的速率及周期的关键因素[9-11]。为此,本文以具有抗菌、抗氧化功效的生物活性药物白藜芦醇作为护肤药物,采用超临界CO2流体技术制备载药二醋酸纤维,考察流体温度、压力对所制备的载有白藜芦醇的二醋酸纤维释放行为的影响,并建立释放模型,为获得具有良好缓释性能的保健护肤二醋酸纤维提供一定参考。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

材料:白藜芦醇,分析纯,阿拉丁试剂(上海)有限公司;无水乙醇,分析纯,优特普科技苏州有限公司;CO2气体,吴江市国荣气体有限公司;二醋酸纤维,单纤维线密度为2.7 dtex,取代度为 2.45,南通醋酸纤维有限公司。

仪器:SD10-Ⅱ型超临界CO2流体小样机,自制;TU-1810型紫外-可见分光光度计,北京普析通用仪器有限责任公司;KQ-50DB型数控超声波清洗器,昆山市超声波仪器有限公司;DHG-9070A型电热恒温鼓风干燥箱,上海精宏实验设备有限公司。

1.2 标准曲线绘制

称取0.1 g白藜芦醇溶于250 mL无水乙醇中,将其稀释为不同标准质量浓度的溶液,并分别置于紫外-可见分光光度计中测试其在波长为306 nm处的吸光度,根据质量浓度-吸光度值绘制出标准曲线。以吸光度作为横坐标,质量浓度作为纵坐标,标准曲线方程为

C=0.008 5A

式中:C为白藜芦醇在乙醇中的质量浓度,g/L;A为含白藜芦醇的乙醇溶液在波长为306 nm处的吸光度。

1.3 载药二醋酸纤维制备

首先,称取5 g二醋酸纤维经去离子水水洗、烘干后均匀捆绑于纱线架上,同时称取质量为5%二醋酸纤维质量的白藜芦醇置于钢杯底部,将纱线架、钢杯均放置于超临界CO2流体设备的染色釜中,其中纱线架处于钢杯上方。接着关闭染色釜,开启设备,使染色釜中超临界CO2流体温度(70、80、 90 ℃)、 压力(12、16、20 MPa)达到设定值,并保持流体处于循环流动状态,使得白藜芦醇充分溶解于流体中,90 min后停止实验,泄压打开染色釜,取出制备好的负载白藜芦醇的载药二醋酸纤维。前期实验发现,流体温度和压力过高、加工时间过长,所制备的负载白藜芦醇的二醋酸纤维的力学性能会明显下降,因此,最高流体温度设为90 ℃、最高压力设为 20 MPa、 加工时间设为90 min。

1.4 载药二醋酸纤维负载量计算

取约0.65 g负载白藜芦醇的二醋酸纤维置于乙醇中,超声波振荡120 min后将萃取液转移至100 mL 容量瓶中,并定容至100 mL,取其中少量采用紫外-可见分光光度计进行吸光度测试;同时将萃取结束后的二醋酸纤维在90 ℃条件下烘干(4 h),并平衡24 h后称取质量。负载量计算公式为

L=0.008 5A1V1/m

式中:L为白藜芦醇在二醋酸纤维上的负载量,即二醋酸纤维负载的白藜芦醇质量与二醋酸纤维本身质量之比,g/g;A1为所萃取的白藜芦醇在乙醇中的吸光度;V1为萃取液的体积,100 mL;m为萃取后的二醋酸纤维质量,g。

1.5 载药二醋酸纤维释放实验及相关计算

取约1.3 g负载白藜芦醇的二醋酸纤维置于装有75 mL乙醇的锥形瓶底部,选择乙醇作为释放介质以避免因在水溶液中溶解度过小导致药物释放不完全,然后于32 ℃静置,间隔特定时间(10、 20、30、40、50、60、90、120、150、180、210、240 min)后,取少量上清液采用紫外-可见分光光度计进行吸光度测试,测试结束后再将上清液缓慢倒回锥形瓶中。实验结束后,从锥形瓶中取出二醋酸纤维,于90 ℃条件下烘干(4 h),平衡24 h后称取质量。绝对释放量、累计释放百分比以及相应的释放速率计算公式为:

RARM=0.008 5A2V2/G1

RCRP=0.008 5A2V2/(G1L)×100%

2 结果与讨论

2.1 不同温度下制备的载药纤维释放曲线

利用超临界CO2流体分别在压力为16 MPa、时间为90 min、不同温度条件下制备得到负载白藜芦醇的二醋酸纤维,将其置于释放介质乙醇中,根据其释放量、释放时间绘制相应释放曲线,如图1所示。

图1 不同流体温度下所制备负载白藜芦醇的二醋酸纤维的释放曲线Fig.1 Release curves of resveratrol-loaded diacetate fibers processed by different fluid temperatures. (a) Absolute release amount; (b) Absolute release rate; (c) Cumulative release percentage; (d) Cumulative release rate

由图1(a)、(b)可看出,较高温度条件下制备的载药二醋酸纤维其绝对释放量更大,相应的绝对释放速率也更快。经计算,当处理温度为70、80、90 ℃ 时,白藜芦醇在二醋酸纤维上的负载量分别为0.358×10-4、0.884×10-4、2.78×10-4g/g。分析其原因为绝对释放量、绝对释放速率与负载量呈正相关[9],温度越高,白藜芦醇在二醋酸纤维上的负载量越高,从而导致绝对释放量、绝对释放速率均越高。图1(b)显示当释放时间为40 min时,不同温度(70、80 ℃)下制备的载药二醋酸纤维的释放速率出现上升趋势,其中温度为90 ℃时制备的载药二醋酸纤维在释放时间为50 min时释放速率出现上升现象。这与白藜芦醇在二醋酸纤维表面及内部的分布相关,当处于释放介质中时,分布于纤维表面的白藜芦醇首先溶解并扩散在乙醇中,随着乙醇浸入到纤维内部,更多分布于纤维内部的白藜芦醇溶解并从纤维内层扩散到纤维表面,再由纤维表面扩散到乙醇溶液中;相较表面,分布于纤维内部的白藜芦醇扩散到乙醇中需要更长的时间,因此,释放一定时间后释放速率反而上升。此现象说明采用超临界CO2流体制备的载药二醋酸纤维能使药物更大比例地分布于纤维内部。

由图1(c)、(d)可看出,更高超临界CO2流体温度条件下制备的载药二醋酸纤维在释放介质中的累计释放百分比及对应的累计释放速率均更低。这说明当温度较高时,溶解在流体中的白藜芦醇进入二醋酸纤维内部的比例更大,当制备好的载药二醋酸纤维处于释放介质中时,由于白藜芦醇更多分布于二醋酸纤维内部,最终使累计释放百分比、累计释放速率降低。分析其原因为二醋酸纤维本身分子链之间空隙较大,规整性较低[12],超临界CO2流体渗透进入二醋酸纤维内部相对更容易,并能够对其产生溶胀作用,而温度升高起到进一步加强作用,因此,温度越高,溶解在流体中的白藜芦醇越能更大程度地随CO2流体进入二醋酸纤维内部,最终导致温度为90 ℃条件下制备的载有白藜芦醇的二醋酸纤维在接近释放平衡时,仍有将近40%的白藜芦醇残留在二醋酸纤维中。

图1(d)同样显示释放一定时间后,白藜芦醇从二醋酸纤维中的累计释放速率呈现上升趋势,具体为当释放时间为40 min时,温度为70、80 ℃条件下制备的载药二醋酸纤维释放速率呈现上升现象;当释放时间为50 min时,温度为90 ℃条件下制备的载药二醋酸纤维释放速率呈现上升现象。其原因仍然与二醋酸纤维内部分布的部分白藜芦醇相关。在CO2流体对二醋酸纤维的渗透作用下,溶解在CO2流体中的白藜芦醇也随其渗透进入二醋酸纤维内部;当所制备的载药二醋酸纤维处于释放介质中时,分布于纤维内部的白藜芦醇溶解在乙醇中并从纤维内层扩散至纤维表面,再扩散至乙醇中;相较分布于纤维表面的白藜芦醇直接扩散至乙醇中,处于纤维内部的白藜芦醇扩散到乙醇中的时间有一定的延后,从而使得整体释放速率在初始释放一定时间后反而呈现上升现象。

2.2 不同压力下制备的载药纤维释放曲线

利用超临界CO2流体在温度为80 ℃,时间为90 min,不同压力条件下制备负载白藜芦醇的二醋酸纤维,将其置于释放介质乙醇中,根据其释放量、释放时间绘制相应释放曲线,如图2所示。

图2 不同流体压力下所制备负载白藜芦醇的二醋酸纤维的释放曲线Fig.2 Release curves of resveratrol-loaded diacetate fibers processed by different fluid pressure. (a) Absolute release amount; (b) Absolute release rate; (c) Cumulative release percentage; (d) Cumulative release rate

由图2(a)、(b)可看出,整体上随着压力的升高,白藜芦醇从二醋酸纤维中的绝对释放量、绝对释放速率均更高,分析其原因仍与白藜芦醇在二醋酸纤维上的负载量相关。当压力分别为12、16、20 MPa 时,白藜芦醇在二醋酸纤维上的负载量分别为0.592 × 10-4、0.884 × 10-4、2.177 × 10-4g/g, 更高的负载量使得白藜芦醇从二醋酸纤维中的绝对释放量、绝对释放速率均更高。但初始释放时间0～50 min 内,在压力为12 MPa条件下制备的载药二醋酸纤维的绝对释放量、绝对释放速率均更高。其原因为:低压下超临界CO2流体通过渗透作用进入二醋酸纤维内部的程度较小,压力释放后CO2流体转变为气体逸出,而溶解在流体中的白藜芦醇析出并更多负载在纤维表面;当压力升高时,CO2流体渗透进入二醋酸纤维内部的程度增大,从而引起溶解在流体中的白藜芦醇渗进纤维内部的程度增大,压力释放后更多的白藜芦醇分布在纤维内部。当处于释放介质中时,分布在纤维表面的白藜芦醇最先释放,而分布在纤维内部的白藜芦醇释放有一定延迟,最终导致在释放初始阶段(0～50 min),压力为 12 MPa 条件下制备的载药二醋酸纤维绝对释放量、绝对释放速率更高。

由图2(c)、(d)可看出,较高流体压力下制备的载药二醋酸纤维的累计释放百分比、累计释放速率均更低。其原因为:当压力较低时,CO2流体渗透进入二醋酸纤维内部的程度较小,导致溶解在CO2流体中的白藜芦醇渗进二醋酸纤维内部的程度也较小;压力释放后,相较于纤维内部,纤维浅表层分布更多的白藜芦醇,因此,压力较低时制备的载药二醋酸纤维的累计释放百分比更高;当压力升高后,CO2流体对二醋酸纤维的渗透作用显著增强,溶解在CO2流体中的白藜芦醇渗进纤维内部的比例增大,压力释放后大量白藜芦醇留存在纤维内部,导致较高压力下制备的载药二醋酸纤维累计释放百分比更低。从图2(c)看出,当超临界CO2流体压力为 20 MPa 时,所制备的载药二醋酸纤维在介质中释放250 min时,药物残留量可达50%。从图2(d)看出,当压力为16、20 MPa时,制备的载药二醋酸纤维在释放30～50 min后累计释放速率有轻微上升。其原因仍然与更多的白藜芦醇分布在纤维内部相关,当处于释放介质中时,分布在纤维内部的白藜芦醇需先扩散至纤维表面,随后再分散到释放介质中,导致一定释放时间后累计释放速率有轻微上升。

综上可知:超临界CO2流体温度、压力越高,制备得到的载药二醋酸纤维其白藜芦醇负载量越大,从而导致白藜芦醇从二醋酸纤维中的绝对释放量、绝对释放速率更高;温度、压力的升高增强了CO2流体对二醋酸纤维的渗透、溶胀,使得更多的白藜芦醇进入到二醋酸纤维内部,引起白藜芦醇从二醋酸纤维中的累计释放百分比、累计释放速率下降;由于白藜芦醇在纤维内部的分布比例增大,导致初始释放一定时间后,累计释放速率反而有一定上升。

3 载药二醋酸纤维释放模型的建立

零级释放模型、一级释放模型、Higuchi模型以及Korsmeyer-Peppas模型是描述药物释放机制的主要模型,但零级释放模型相对简单,建立的相关参数一般难以准确描述释放过程[13-15],因此,本文选择一级释放模型、Higuchi模型以及Korsmeyer-Peppas模型描述白藜芦醇从二醋酸纤维中的释放行为,模型具体公式如下。

一级释放模型:

Qt=Keαt+b

Higuchi模型:

Qt=Kt0.5+b

Korsmeyer-Peppas模型:

Qt=Ktn

式中:Qt为药物在时间t时对应的累计释放百分比[11],%;K为速率常数;n为扩散指数;α、b为所建立模型的相应系数及截距。

3.1 不同温度下制备的载药纤维释放模型

将不同温度下制备的载药二醋酸纤维的累计释放百分比曲线进行一级释放动力学模型、Higuchi模型、Korsmeyer-Peppas模型拟合,结果如表1及图3所示。

表1 超临界CO2流体不同温度下制备的载药二醋酸纤维的释放模型拟合参数Tab.1 Fitting parameters of release models of drug-loaded diacetate fibers processed by supercritical CO2 fluid at different temperatures

图3 不同流体温度下所制备负载白藜芦醇的二醋酸纤维的释放拟合曲线Fig.3 Release simulation curves of resveratrol-loaded diacetate fibers at different fluid temperatures. (a) First-order release model; (b) Higuchi model; (c) Korsmeyer-Peppas model

由表1可看出,超临界CO2流体温度为70、80、90 ℃时制备的载药二醋酸纤维的一级释放模型拟合度R2分别为0.957 1、0.961 3、0.935 4,Higuchi模型拟合度R2分别为0.598 4、0.759 9、0.716 5,Korsmeyer-Peppas模型拟合度R2分别为0.666 4、0.819 9、0.763 3。说明一级释放模型对载药二醋酸纤维释放曲线的拟合度最高,均在0.93以上。此外,图3表明一级释放模型的拟合曲线与载药二醋酸纤维实际释放曲线重合度最高,说明载药二醋酸纤维的释放曲线可用一级释放动力学模型描述。

3.2 不同压力下制备的载药纤维释放模型

将不同压力下制备的载药二醋酸纤维的累计释放百分比曲线进行一级释放动力学模型、Higuchi模型、Korsmeyer-Peppas模型拟合,结果如表2及图4所示。

表2 超临界CO2流体不同压力下制备的载药二醋酸纤维的释放模型拟合参数Tab.2 Fitting parameters of release models of drug-loaded diacetate fibers processed by supercritical CO2 fluid at different pressures

图4 不同流体压力下所制备负载白藜芦醇的二醋酸纤维的释放拟合曲线Fig.4 Release simulation curves of resveratrol-loaded diacetate fibers at different fluid pressures. (a) First-order release model; (b) Higuchi model; (c) Korsmeyer-Peppas model

由表2可知,超临界CO2流体在不同压力12、16、20 MPa条件下制备的载药二醋酸纤维的一级释放模型拟合度R2分别为0.996 3、0.976 9、0.966 4,Higuchi模型拟合度R2分别为0.443 8、0.797 9、0.968 5,Korsmeyer-Peppas模型拟合度R2分别为0.587 4、0.850 2、0.965 4。同样显示一级释放动力学模型对载药二醋酸纤维释放曲线的拟合度最高,且图4中一级释放模型的拟合曲线与载药二醋酸纤维实际释放曲线重合度最高。

综上可知,一级释放动力学模型更适合描述不同超临界CO2流体温度、压力条件下制备的负载白藜芦醇的二醋酸纤维的释放行为。

4 结 论

本文考察了超临界CO2流体温度、压力对负载有白藜芦醇的二醋酸纤维在释放介质乙醇中释放行为的影响,同时建立释放动力学模型,可为制备具有良好释放性能的载药二醋酸纤维提供参考依据,通过研究得到如下主要结论。

1)由于更高超临界CO2流体温度、压力下制备的载药二醋酸纤维药物的负载量更高,从而导致药物白藜芦醇从二醋酸纤维中的绝对释放量、绝对释放速率均更高。

2)温度、压力的升高引起CO2流体对二醋酸纤维渗透、溶胀作用增强,导致更高温度、压力条件下制备的载药二醋酸纤维累计释放百分比、累计释放速率更低,接近释放平衡时,白藜芦醇在二醋酸纤维中的残留率可达50%。

3)由于部分白藜芦醇分布于二醋酸纤维内部,导致初始释放一定时间后,白藜芦醇释放到介质乙醇中的速率反而有一定上升。

4)相较Higuchi模型、Korsmeyer-Peppas模型,白藜芦醇从二醋酸纤维中的释放行为更符合一级释放动力学模型,拟合度R2均在0.93以上。