皮肤吸附静电喷雾载药微球的制备及其吸附性能研究

毛越洋 徐静文 张宇轩 沈文

文章编号：2096-398X2024）03-0076-07

（陕西科技大学 生物与医药学院，  陕西 西安 710021）

摘 要：为了开发一种促进伤口愈合的新型生物医用敷料，利用静电喷雾技术制备了三种载药微球.采用扫描电子显微镜、红外光谱、亲疏水性测试等表征了微球的形貌、结构、湿润性能，结果表明三种微球的最适合负载药物的浓度：1%浓度聚乳酸（PLA），3%浓度丙烯酸树脂（PAR），1%浓度的壳聚糖（CS），三种微球均具有良好的润湿性和包封效果.通过皮肤吸附性实验表明，可以定性分析微球确实吸附在皮肤表面，进一步模拟自然环境下微球损失率的测定，定量说明了微球在皮肤表面的黏附情况.

关键词：静电喷雾； 载药微球； 皮肤吸附

中图分类号：R944.9    文献标志码： A

Study on preparation and adsorption properties of electrostatic spray drug-carrying microspheres with skin adsorption function

MAO Yue-yang， XU Jing-wen， HANG Yu-xuan， SHEN Wen*

School of Biological and Pharmaceutical Sciences， Shaanxi University of Science & Technology， Xi′an 710021， China）

Abstract：In order to develop a novel biomedical dressing to promote wound healing，three types of drug-loaded microspheres were prepared using electrostatic spraying technology.Scanning electron microscopy，infrared spectroscopy，and hydrophilicity test were used to characterize the morphology，structure，and wetting properties of the microspheres，and the results showed that the three microspheres had the most suitable concentrations for loading drugs：1% concentration of polylactic acid PLA），3% concentration of acrylic resin PAR），and 1% concentration of chitosan CS），and that the three microspheres had good wetting and encapsulation effects.The skin adsorption experiments showed that the microspheres could be qualitatively analyzed to be indeed adsorbed on the skin surface，and further simulated the determination of microsphere loss rate in the natural environment，which quantitatively illustrated the adhesion of the microspheres on the skin surface.

Key words：electrostatic spray; drug-loaded microspheres; skin absorption

0 引言

皮膚是人类最重的器官，能够起到屏障和保护作用［1］.但是由于其位于体表，不免会与各种化学物质接触、受到各种物理因素影响，导致皮肤组织功能的丧失.皮肤受到严重损伤后，有可能会生成大量的瘢痕组织，给病人生活质量带来重大影响.因此，开发能够促进创面细胞迁移、增殖和分化的新型生物医用材料，从而实现创面的快速修复，具有重大的医学意义和市场价值［2］.传统的伤口敷料主要包括凝胶和薄膜两大类.这两类敷料主要通过其结构特征而发挥隔菌、透气的作用，同时负载一部分具有抗菌抗炎功能的药物来进一步加速伤口愈合.这部分敷料在应用中往往存在两大问题.其一是透气性能不足导致伤口处温度升高缺氧进而影响伤口的愈合速率［3，4］.其二就是敷料与皮肤的贴合程度不足，导致其易于脱落或者造成体感不适［5］.针对上述问题，载药微球被提出用于促进伤口愈合.

载药微球拥有较高的比表面积，可以吸附在伤口处促进血液凝固并释放药物抑制细菌增殖.常用的微球基材包括天然高分子和合成高分子两类.壳聚糖［6］、海藻酸钠［7］、透明质酸［8］等天然高分子拥有优秀的生物相容性，材料本身几乎不会对伤口的愈合产生负面影响.但天然高分子大多数亲水，从而导致天然高分子基微球更易从伤口处脱落，需要反复给药.聚乳酸［9］、聚己内酯［10］等合成高分子降解速率较慢、大多呈疏水性，所以合成高分子基微球对皮肤的吸附效果更好，作为伤口敷料拥有显著优势.载药微球还能够更好的保护药物活性.由于载药微球的结构可以很好地阻断药物和液体及氧气之间的接触，生长因子等小分子多肽直接装载至凝胶、薄膜等敷料上时活性周期往往短于微球敷料［11］.常用的载药微球制备方法有离子交联法［12］、相分离法［13］、反溶剂法［14］、静电喷雾法［15］等.

静电喷雾法是一种应用广泛载药微球制备方法.其最主要优点在于可以最大程度避免制备过程中溶剂对药物活性的影响.其原理就是在高压电场的作用下，导电液体从注射器的喷嘴喷出，形成微小液滴.当电压足够大的时候，电场力克服液体的表面张力，使得液滴喷出并且分裂成雾状，变为带有电荷的雾滴，并且由于电场的作用，当雾滴的电场力与表面张力处于平衡状态时，雾滴继续分裂，产生直径更小的雾滴，形成泰勒锥，直到液滴中的溶剂完全挥发，最后变为微（纳）米粒子沉积在接收板上［16］.这些微（纳）米粒子的粒径分布具有单分散性，可以通过调整工艺参数准确地控制其平均粒径与形貌［17］.其主要优势在于制备过程简单，制备条件易于实现，载药量较高，制备过程对药物活性的影响较小.

载药微球应用于伤口愈合的关键在于其皮肤吸附能力.过去的研究发现当粒子的直径小于200 nm时由于其较高的比表面积，对皮肤的吸附能力也会显著增加［18］.除此之外，疏水性微球更易与皮肤贴合还能避免因与体液接触造成的脱落.载药微球的粒径分布，微观形态形貌，亲疏水性还会影响药物的输送，从而改变药物的给药途径.本研究通过调整聚合物的种类、聚合物的浓度梯度等因素，控制微球的形态和形貌，从而得到具有良好皮肤吸附性能的载药微球.

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

聚乳酸（Mn=18 kDa），Nature Works；聚丙烯酸樹脂Ⅳ（Mn=150 kDa），德国Rohm公司；壳聚糖（Mn=100 kDa），上海麦克林生化科技有限公司；二氯甲烷（分析纯），天津科密欧试剂有限公司；乙酸（分析纯），天津科密欧试剂有限公司；氯仿（分析纯），天津科密时欧试剂有限公司；二甲基亚砜（分析纯），天津科密欧试剂有限公司；无水乙醇（分析纯），天津科密欧试剂有限公司.

1.2 仪器与设备

FEI Verios 460高分辨场发射扫描电镜，美国FEI公司；Vertex70傅里叶变换红外光谱仪，德国布鲁克公司；Y1515恒流泵，保定融柏恒流泵制造有限公司；FM-1012型静电纺丝设备，北京富友马科技有限责任公司.

1.3 微球制备

1.3.1 空白静电喷雾微球的制备

称取不同质量的PLA（Mw=18 kDa），PAR（Ⅳ型，Mw=150 kDa），CS（Mw=100 kDa）作为基础材料，按照表1所示比例配制不同的静电喷雾溶液.各取4 mL上述不同浓度的PLA溶液、CS溶液和PAR溶液进行静电喷雾.高压正极连接针头，负极连接10×10 cm2的铝箔.喷雾条件为：相对湿度55%，温度25 ℃，针尖与接收端的距离为10 cm，电压18 kV，注射速率7 mL/h.

铝箔上收集到的样品即为空白静电喷雾微球，室温保存.探究上述不同聚合物类型对应的浓度对微球形貌的影响，筛选最优微球制备浓度.

1.3.2 载药静电喷雾微球的制备

根据表1筛选出的三种聚合物静电喷雾微球制备的最优浓度（1%PLA，3%PAR，1.0%CS）在溶液中加入占溶质质量分数10%的姜黄素（Cur）.各取4 mL上述PLA/Cur溶液、PAR/Cur溶液和CS/Cur溶液进行静电喷雾.高压正极连接针头，负极连接10×10 cm2的铝箔.喷雾条件为：相对湿度55%，温度25 ℃，针尖与接收端的距离为10 cm，电压18 kV，注射速率7 mL/h.

铝箔上收集到的样品即为载药静电喷雾微球，室温保存.探究药物的加入对微球形貌的影响.

[BT4-+1mm]1.4 形貌与结构表征

1.4.1 SEM

将静电喷雾微球冻干处理后，裁剪成小块置于导电胶上，在真空条件下进行喷金处理，之后使用SEM进行微球的形态形貌表征，得到的电镜图使用ImageJ软件手动测量微粒的直径，最后用Origin Pro 2023软件绘制粒径分布直方图并拟合分布曲线.

1.4.2 FTIR

使用傅里叶红外光谱仪对制备的载药微球进行表征，取微量的样品和干燥后的Br粉末混合并研磨均匀，压片成功后测试.

1.5 亲疏水性测试

制备水接触角表征所需的样品，使用表面润湿角仪测量静电喷雾微球的水接触角，每个样品分别滴入三次5 μL的水，三次滴入互不影响，滴下后立即拍照，记录水滴左右两侧的角度数据，每组样品测出三组数据，取左右侧和三组数据的平均值来确定水接触角的大小.计算平均值与标准偏差，用Origin Pro 2023绘制相应的水接触角柱状图.

1.6 姜黄素标曲测定

精密称定10.50 mg姜黄素，用无水乙醇超声溶解后转入100 mL容量瓶中，得到0.105 mg/mL的对照品溶液，精密量取100、200、300、400、500、600、700 μL至10 mL棕色容量瓶后定容，摇匀，使用426 nm最大波长，紫外-可见分光光度计测定，绘制姜黄素标准曲线.

1.7 皮肤吸附性能测试

1.7.1 主动吸附性能测试

本研究设计了如图1所示的微球吸附装置，从而减少外力对微球吸附性能的影响.将猪皮垂直方向固定在固定板上，漏斗完全封闭的盖在猪皮之上，将载药微球取固定量放置在漏斗的颈前端，使用洗耳球进行快速吹气，可以将微球吸附在猪皮表面.

将进行上述步骤的猪皮，裁剪成小块，用镊子取上层极薄皮制样后，使用光学显微镜放大400倍后观察.

1.7.2 吸附稳定性测试

将猪皮切割成3 cm的圆形并将其内层粘贴至垂直放置的固定板上.分别取2 mg PLA-Cur微球、PAR-Cur微球和CS-Cur微球均匀涂抹在不同圆形猪皮表面.用恒流泵输送洗脱液冲洗涂抹微球处的皮肤1 min并收集洗脱液.洗脱液为PBS缓冲液（pH7.2～7.4），恒流泵流速分别设置为20 mL/min、40 mL/min、60 mL/min.

洗脱液加入无水乙醇稀释，搅拌24 h至Cur完全释放后测量吸光度.测量姜黄素标准曲线，根据姜黄素标准曲线算出洗脱液中的药物含量即药物损失量.根据公式（1）计算药物损失率.

损失率=药物损失量/（吸附微球质量×载药量）×100%（1）

2 结果与讨论

2.1 微球的形貌分析

2.1.1 PLA靜电喷雾微球

不同浓度的PLA静电喷雾微球的微观形貌如图2所示.当PLA浓度在0.1%～1%时，随着PLA浓度升高微球的直径和球度逐渐增大，并且微球表面出现多孔.当PLA浓度在1%～5%时，随着PLA浓度增大微球逐渐向纤维转化.当PLA浓度增加到5%时，几乎不再生成微球，而是生成了静电纺丝纤维.这一现象的产生是由于PLA分子间链缠结力随着浓度增大而增大，当PLA浓度在0.1%～1%时，链缠结力较弱，故分子团聚成直径较小的纳米粒.当浓度达1%时，链缠结力相对较强导致微球直径增加，微球表面的溶剂率先挥发留下孔洞.PLA浓度增大至1%～5%时，PLA溶液粘度和电导率同时增大，PLA分子链缠结力继续增大，达到静电纺丝的条件，形成纤维.

结合微球的粒径分布情况（图3）以及特殊的多孔结构带来的高表面能，选择1%浓度的PLA作为微球制备的最优浓度进行后续实验.

2.1.2 PAR静电喷雾微球

不同浓度的PAR静电喷雾微球的微观形貌如图4所示.PAR（Ⅳ）分子链缠结力较大，故所有浓度的PAR微球的黏连情况都较为显著.但是其较大的分子链缠结力使1%和3%浓度PAR的微球呈现类似红细胞的双凹圆盘形.这种结构拥有更高的表面积和更大的表面能，对于药物的负载拥有显著优势.粒径分布（图5）表明3%浓度PAR的微球粒径更加均匀.综上考虑，选择PAR3.0%浓度的微球进行后续的负载药物研究.

2.1.3 CS静电喷雾微球

不同浓度的CS静电喷雾微球的微观形貌如图6所示.质量分数为0.1%的CS微球的SEM图种无法准确区分微球与杂质的大小差异，结果并不明显.较低浓度的CS（质量分数≤1%时）获得的静电喷雾微球的形态较为规则，为圆球状，且微球与微球间的粘连较不明显，未分散开的纤维较少，较高浓度的CS（质量分数≥1%）获得的微球粘连较严重，并且出现很明显的纤维结构，不适合进行静电喷雾微球的制备.CS微球的的粒径分布曲线（图7）表明，四种浓度CS微球的粒径分布区间无明显差异.综合考虑，选择CS1.0%浓度的微球进行后续的药物负载研究.

2.1.4 载药微球的形貌分析

不同基材载药微球的微观形貌如图8所示.

三种微球的载药量均为10%，形貌上与未载药的空白微球无明显差异.PLA-Cur微球呈现多孔状，这种形貌拥有更大的比表面积，能够显著增强微球的皮肤吸附性能.PAR-Cur微球出现粘连现象，与2.1.2节中PAR浓度较低时形态结构相似.CS-Cur微球形态较为均匀，直径最小，有利于对皮肤的吸附.

2.2 FTIR

姜黄素与PLA，PAR，CS载药微球的红外特征如图9所示.由图可知，姜黄素的酚羟基-OH特征峰位于3 509 cm-1，C=C的特征吸收峰为1 509 cm-1.三种载药微球中均出现了姜黄素的-OH特征峰，C=C的特征峰的偏移，表明药物成功被包封在聚合物中.

2.3 亲疏水性测试

静电喷雾微球的润湿性有很多因素影响，其中主要因素是微球基材的性质，同时制备微球的表面结构和形貌以及粗糙程度也会影响润湿性.润湿性会影响微球在皮肤表面的黏附性能以及制备成复合材料在组织工程中是否有利于细胞的黏附，生长，增殖，分化等过程.

微球的水接触角测试结果如图10所示，选择的微球基材PLA与PAR属于疏水性材料，CS属于亲水性材料，亲水性材料的水接触角应该低于90°，疏水性材料的水接触角应该高于90°.通过对三种基材的微球进行润湿性的分析.同浓度的载药微球与纯基材微球的水接触角相近，姜黄素是疏水性药物，可以说明载药并不影响微球的性质，在亲水性CS微球的水接触角图中可以看出水接触角并没有明显增加，可以体现微球的包封效果较好.

2.4 微球的皮肤吸附性能测试

2.4.1 微球的主动吸附性能

模拟自然气流条件下微球对皮肤的吸附，吸附后皮肤表面的显微镜图像如图11所示.未被微球吸附的普通猪皮呈灰白色或偏红色，三种载Cur微球皆呈明显的黄色，故可根据猪皮表面黄色的深浅及面积大小判断微球的吸附能力.PLA-Cur微球及PAR-Cur微球吸附的皮肤皆呈现大面积的黄色，而PLA-Cur微球吸附的皮肤黄色更加明亮.CS-Cur微球吸附的皮肤与未被微球吸附的皮肤差异较小，仅呈现浅浅的黄色.

因此合成高分子微球拥有更好的皮肤吸附能力.而PLA微球相比PAR微球直径更小，同时具备多孔结构带来的高比表面积，因此拥有着更加优异的主动皮肤吸附能力.

2.4.2 微球的吸附稳定性

姜黄素的标准曲线如图12所示.根据此标曲计算的PLA-Cur微球、PAR-Cur微球和CS-Cur微球被涂抹在皮肤表面后被不同流速洗脱液洗脱的损失率如图13所示.从图中可以看出三种基材的微球被不同流速的洗脱液洗脱后的损失率均低于40%，表明三种基材的载药微球均具有良好的皮肤吸附性能.随着流速增大，三者损失率均呈上升趋势.但PLA-Cur微球的损失率上升趋势最小，证明PLA-Cur微球拥有最优异的皮肤吸附性能.CS-Cur微球的损失率始终高于合成聚合物，证明亲水性高分子的皮肤吸附能力相对较差，易受到汗液等外界因素影响而脱离皮肤.而合成高分子主要呈疏水性，皮肤亲和力更强.PAR-Cur微球的直径更大且不具备多孔结构，因此相较于PLA-Cur微球皮肤吸附性能更差.

3 結论

本文基于静电喷雾法制备了PLA、PAR、CS皮肤吸附式微球，研究了微球的微观形貌、亲疏水性能以及皮肤吸附能力.根据SEM图，筛选出PLA、CS、PAR三种微球的最适合负载药物的浓度：1%PLA、3%PAR、1%CS.SEM结果表明10%载药量的PLA-Cur微球、PAR-Cur微球和CS-Cur微球形貌与载药前无明显差异，CS-Cur微球形态较为均匀，粒径较小；PAR-Cur微球出现粘连现象；PLA-Cur微球呈现多孔状，多孔结构可以显著增强微球的比表面积加强皮肤吸附性能，并且为药物的持续释放提供基础.FTIR结果表明，载药微球均出现了姜黄素的红外特征峰，姜黄素已经成功的负载在三种微球上.亲疏水测试结果表明三种微球皆具有良好的包封效果，载药前后微球的亲疏水性无明显变化.皮肤吸附性能测试的结果表明，PLA-Cur微球拥有更加优异的主动吸附能力，并且吸附稳定性更好.这基于其合成高分子材料的疏水性以及多孔结构带来的高比表面积，未来可以为伤口愈合敷料提供技术支持，提升静电喷雾伤口敷料的产业化应用.

参考文献

［1］ Venkata Thulabandu，Chen Demeng，Atit Radhika P.Dermal fibroblast in cutaneous development and healing.Wiley Interdisciplinary Reviews-Developmental Biology，2018，7e3072）.

［2］ Ting Ting Li，Sun Li，hong Yanqin，et al.Silk fibroin/polycaprolactone-polyvinyl alcohol directional moisture transport composite film loaded with antibacterial drug-loading microspheres for wound dressing materials.International Journal of Biological Macromolecules，2022，207：580-591.

［3］ Shuo Shi，Wu Hanbai，hi Chuanwei，et al.A skin-like nanostructured membrane for advanced wound dressing.Composites Part B：Engineering，2023，250：110 438.

［4］ Wen Jiang heng，Chen Qian，ou Wei，et al.Waterproof and breathable wound dressing composited by expanded polytetrafluoroethylene backing and hydrogel.Macromolecular Bioscience，2022，228）：2 200 131.

［5］ Derek Jang，Tang Jie，Schwendeman Steven P，et al.Effect of surface interactions on microsphere loading in dissolving microneedle patches.Acs Applied Materials & Interfaces，2022，14：29 577-29 587.

［6］ Hao Li，Wang Feng.Core-shell chitosan microsphere with antimicrobial and vascularized functions for promoting skin wound healing.Materials & Design，2021，204：109 683.

［7］ Boquan Qin，Wu Shizhou，Dong Hongxian，et al.Accelerated healing of infected diabetic wounds by a dual-layered adhesive film cored with microsphere-loaded hydrogel composite dressing.Acs Appled Materials & Interfaces，2023，1528）：33 207-33 222.

［8］ Megan Hamilton，Harrington Stephen，Dhar Prajnaparamita，et al.Hyaluronic acid hydrogel microspheres for slow release stem cell delivery.Acs Biomaterials Science & Engineering，2021，78）：3 754-3 763.

［9］ Yin Mingming，hu Xinyan，Chen Fuliang.Release performance and sustained-release efficacy of emamectin benzoate-loaded polylactic acid microspheres.Journal of Integrative Agriculture，2018，173）：640-647.

［10］ Xuewu Huang，Gao Jiefeng，Li Wan，et al.Preparation of polyε-caprolactone） microspheres and fibers with controllable surface morphology.Materials & Design，2017，117：298-304.

［11］ Ruonan Dong，Guo Baolin.Smart wound dressings for wound healing.Nano Today，2021，41：101 290.

［12］ Hongying Gong，Lin Xiaoyan，Xie Yu，et al.A novel self-crosslinked gel microspheres of premna microphylla turcz leaves for the absorption of uranium.Journal of Hazardous Materials，2021，404：124 151.

［13］ Mohammad I Ibrahim，Alsafadi Diya，Safi Eyad，et al.Biosynthesized poly3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate） as biocompatible microcapsules with extended release for busulfan and montelukast.International Journal of Biological Macromolecules，2022，213：728-737.

［14］ Jingjing Li，Yang Rongjie，eng Tao，et al.Preparation and growth mechanism of micro spherical ammonium dinitramide crystal based on ultrasound-assisted solvent-antisolvent method.Ultrasonics Sonochemistry，2021，78：105 716.

［15］ Jiawen Chen，Chen Shuning，Cheng Wei，et al.Fabrication of porous starch microspheres by electrostatic spray and supercritical CO2 and its hemostatic performance.International Journal of Biological Macromolecules，2019，123：1-9.

［16］ Yinjie Qian，hang Junjie，Yu Yanxue，et al.Preparation and release of novel frog egg-like microspheres by coaxial electrostatic spray technique.Materials Letters，2022，328：133 089.

［17］ Jialiang ang，Wang Xueting，He Xiaoxiang，et al.Preparation of hydrophobic block copolymer PCL-b-PFPE：The microsphere-coated fabrics via direct electrostatic spraying and its super-hydrophobicity.Progress in Organic Coatings，2023，176：107 395.

［18］ Mariola M Blaszczyk，Sek Jerzy，Przybysz Lukasz.The combined diffusion and adsorption concept for prediction of nanoparticles transport through dermal layers based on experiments in membranes.International Journal of Molecular Sciences，2022，23：641 912.

【責任编辑：蒋亚儒】

基金项目：国家自然科学基金项目（22308207）； 陕西省科技厅科技计划项目（2023-YBSF-379）； 江苏省农业科学院自主创新基金项目（CX21）3030）

作者简介：毛越洋（1999—），男，黑龙江哈尔滨人，在读硕士研究生，研究方向：静电纺丝组织工程支架

通讯作者：沈 文（1982—），男，陕西咸阳人，高级实验师，博士，研究方向：药物制剂及生物医用高分子材料，shenwensm@sust.edu.cn