，，，，

(1． 福建工程学院 材料科学与工程学院，福建 福州 350118； 2．高分子材料及制品福建省高校重点实验室，福建 福州 350118)

1 前 言

药物释放体系使用过程中药物释放的高效性和安全性等问题已成为研究者关注的热点。其中高分子聚合物或脂质体作为药物释放体系在临床试验上已被广泛使用[1]。高分子材料在药物释放体系中具有重要地位，这是由于脂质体药物释放体系结构不稳定，而高分子药物释放体系具有结构可控性优点。根据剂型结构的不同, 高分子药物释放体系可分为微胶囊、微粒或纳米粒、电纺纳米纤维以及水凝胶等。由于静电纺丝技术设备操作方便，可利用的材料种类繁多，易制备复合纤维支架，且能够通过简单的改变其工艺参数、材料组成等方法达到控制药物释放速率和药物释放量的目的，使静电纺丝技术作为一种简单制备纳米纤维药物释放体系的方法而被研究者们广泛关注[2-6]。

纤维素是一种含量丰富的可再生天然高分子材料，可以从植物和动物中获取，同时采用纤维素在酸中水解可以获得NC。由于NC具有较高的比表面积和结晶度，较低的成本，优良的机械性能，良好的生物降解性和生物相容性等优点，使其已经广泛应用于生物、医学、食品等领域[7-8]。但由于NC分子中氢键的大量存在，使得NC较难溶于普通溶剂，不能单独采用静电纺丝技术制备纤维。PVA是一种无味，无毒且具有良好成纤能力的水溶性高分子材料[9]。但由于其具有较高的亲水性能，使制备获得的PVA药物载体具有较快的药物释放速率。为了在提高NC可纺性的同时，降低PVA的亲水性能，达到降低药物载体的药物释放速率的目的，本文采用静电纺丝技术制备PVA/NC、PVA/NC/氨苄西林钠复合纤维, 研究药物含量、材料配比对复合纤维形态、亲水性能和药物释放速率的影响。

2 实 验

2.1 原料

PVA粉末(型号2488，醇解度88%)；NC(型号LY100)，其直径为100～200nm，长度为100～500nm。磷酸缓冲盐(PBS)粉末；氨苄西林钠粉末。

2.2 静电纺丝溶液的配制

首先，将0.06g NC放入30mL去离子水，超声震荡30min后获得0.2%(w/v，g/mL)NC均匀悬浮溶液；其次，称取2g PVA溶于20mL去离子水，在80℃恒温水浴中搅拌6h，得到10%(w/v)的PVA均匀纺丝液；最后，将10% PVA与0.2% NC溶液分别以体积比为9/1、8/2、7/3的配比振荡混合，得到不同材料配比的PVA/NC均匀混合纺丝液；另外，称取不同量的氨苄西林钠加入体积比为8/2的PVA/NC混合纺丝液振荡2h，分别制得药物质量分数为0.5%、1%和2%(w药物/wPVA/NC)的载药混合溶液。

2.3 复合纤维的制备

首先，将5mL均匀纺丝溶液装入注射器内，将其安装在SN-50微量注射泵上，注射器出口连接内径为0.8mm的针头；其次，采用聚四氟乙烯管将注射器内的纺丝液连接到纺丝针头，且其连接高压发生装置；最后采用铝箔纸覆盖的接地平板电极作为纤维的接收装置。注射器的进给速度为0.3mL/h。为了研究纺丝电压和收集距离对PVA/NC复合纤维形态的影响，本文电压分别取10、14和18kV，收集距离分别取10、13和15cm。纺丝针头为23G(外径=0.6mm、内径=0.3mm)，纺丝温度控制为50℃。相对湿度为40%左右。

2.4 复合纤维的微观形貌分析

利用S-3400N型SEM观察复合纤维表面形态，电子束电压为5kV，观察前样品喷金处理40s。采用Nano Measure图片处理软件统计复合纤维直径分布和平均直径。

2.5 复合纤维亲水性测试

采用SL200B型接触角测试仪测定PVA/NC复合纤维表面润湿性能(亲水性)。利用30μL去离子水液滴进行测量，当液滴滴落到复合纤维表面并稳定后采用高速摄像机进行拍摄，并通过软件计算出其接触角数值。每个样品测试5次，求其平均值。

2.6 药物释放实验

利用一定量的去离子水溶解PBS粉末，将其配制为浓度0.1mol/L，PH 7.4的缓冲溶液；分别称量一定量的氨苄西林钠溶于上述PBS溶液，分别配制药物含量为1.6、3.2、6.4、8.0、12.8μg/mL的氨苄西林钠标定溶液，在氨苄西林钠最大吸收波长209nm处测定其吸光度，绘制标准曲线。

取不同药物含量的PVA/NC/氨苄西林钠复合纤维，裁剪成1×1cm试样，并测量其质量W0，分别置于装有10mL PBS溶液的玻璃瓶内，将其放于37℃恒温培养箱内，在规定的时间内取出10mL释放液，并加入等量的PBS缓冲液继续释放药物，用紫外分光光度计在209nm波长处测试释放液的吸光度。利用药物标准曲线方程计算药物释放浓度及释药量，并计算累计释药百分率并作累计释药曲线。同时，通过复合纤维累计释放的总药量W药和复合纤维质量W0，计算复合纤维实际载药量。

3 结果与分析

3.1 材料配比对复合纤维形态的影响

图1是不同材料配比下PVA/NC复合纤维的SEM形貌图和直径分布图。由图可知，三种配比下均获得了形态良好的复合纤维，其直径分布范围为100～400nm，均匀性良好。随着NC含量降低，复合纤维直径分布的均匀性降低，且平均直径增加。这是由于随着NC含量的降低，混合溶液黏度增加，使溶液射流在电场中的分化能力降低，导致其在电场力的作用下较难被完全拉伸，从而复合纤维平均直径增加，直径分布均匀性降低[10]。本文采用NDJ数显黏度计分别测得10% PVA及PVA/NC为9∶1、8∶2、7∶3的混合溶液黏度为245、221、213和196mPa·S。

3.2 纺丝电压对复合纤维形态的影响

图2给出了不同电压下制备的PVA/NC复合纤维SEM图和直径分布图。由图可知，随着纺丝电压的升高，PVA/NC复合纤维直径分布的均匀性提高，且平均直径降低。这主要是由于纺丝电压的升高导致高分子溶液射流表面的电荷密度增大，同时电荷之间的相互排斥力增强使纤维易于分化，从而使复合纤维直径降低[11]。

图1 不同材料配比下PVA/NC复合纤维SEM形貌图(a,b,c)和相应的直径分布图(d,e,f)[PVA/NC=9/1(a,d), 8/2(b,e), 7/3(c,f)，纺丝电压14kV，收集距离13cm]Fig.1 SEM images (a,b,c) and diameter distribution (d,e,f) of PVA/NC composite fiber under different material proportion: PVA/NC=9/1(a,d), 8/2(b,e), 7/3(c,f), voltage=14kV, collected distance=13cm

图2 不同纺丝电压下制得的PVA/NC复合纤维SEM形貌图(a,b,c)和相应的直径分布图(d,e,f)[纺丝电压=10kV (a, d), 14kV (b,e), 18kV (c, f), PVA/NC体积比8/2，收集距离15cm]Fig.2 SEM images (a, b, c) and diameter distribution (d, e, f) of PVA/NC composite fiber under different electrospinning voltage of 10kV (a, d), 14kV (b,e), 18kV (c, f) [PVA/NC=8/2, collected distance=15cm]

3.3 收集距离对复合纤维形态的影响

图3给出了不同收集距离下制备的PVA/NC复合纤维SEM图和直径分布图。由图可知，当收集距离较小(如10cm)时，PVA/NC复合纤维之间出现较严重的粘结现象，且纤维直径分布均匀性较差，这是由于当收集距离较小时，制备获得的复合纤维在电场中被拉伸的时间较短，纺丝溶剂没有足够的时间挥发，从而导致纤维之间的粘结现象。随着收集距离的增大，复合纤维粘结现象消失，这是因为随着收集距离增大，复合纤维被拉伸和溶剂挥发的时间增加，使复合纤维得到了充分拉伸，且溶剂得到了充分挥发，从而使粘结现象消失[10]。值得注意的是，随着收集距离的增加，复合纤维平均直径先降低后增大，直径分布均匀性先增加后降低。例如，收集距离从10cm增大至13cm时，复合纤维平均直径减小，这是因为随收集距离增加，溶剂挥发路径和挥发时间增大，使纤维分化环境变优，且高分子射流体在电场中被拉伸的时间增大，从而导致复合纤维平均直径减小。相反，当收集距离从13cm增大至15cm时，复合纤维平均直径由0.24μm增大至0.29μm，这是由于溶剂在合适的路径内得到充分挥发后，获得凝固定型的复合纤维，再增加纤维拉伸和溶剂挥发时间对复合纤维的直径不再产生明显的影响。同时，由电场强度=电压/距离可以看出，当电压恒定时，增加纺丝距离将使电场强度降低，使纤维分化能力降低。因此，收集距离的进一步增加反而会使纤维平均直径增加，直径分布均匀性降低[12]。

图3 不同收集距离下制备的PVA/NC复合纤维SEM形貌图(a,b,c)和相应的直径分布图(d,e,f)[收集距离=10cm (a, d), 13cm (b, e), 15cm (c, f), PVA/NC体积比8/2，纺丝电压14kV]Fig.3 SEM images (a, b, c) and diameter distribution (d, e, f) of PVA/NC composite fiber under different collected distance of 10cm (a, d), 13cm (b, e), 15cm (c, f). [ PVA/NC=8/2, voltage=14kV]

3.4 PVA/NC复合纤维的亲水性能

图4给出了不同材料配比下PVA/NC复合纤维膜的水接触角值。由图可知，随NC含量增加，复合纤维膜水接触角从25°增加至57°。这主要是由于PVA分子链中含有大量的羟基导致其为可溶于水的高分子材料，具有较好的亲水性能，NC的加入，降低了复合纤维的亲水性能[7]，因此可以通过简单的调节PVA/NC材料配比来控制复合纤维的亲水性能。

3.5 PVA/NC/氨苄西林钠复合纤维形态及释药性能

图5为不同药物含量下PVA/NC/氨苄西林钠复合纤维的SEM图和直径分布图(PVA/NC体积比8/2，纺丝电压14kV，收集距离13cm)。由图可知，随氨苄西林钠含量增加，复合纤维平均直径增大，直径分布均匀性降低且表面出现粘结现象。这是因为药物含量增加，使复合纤维内部包裹的氨苄西林钠药物增多，从而复合纤维平均直径增大，比表面积降低，复合纤维表面溶剂挥发速率变慢，溶剂挥发不完全，导致复合纤维表面出现部分粘结现象。

图4 不同材料配比下制备的PVA/NC 复合材料水接触角Fig.4 Water contact angles of the PVA/NC composite fiber under different material proportion

图5 不同药物含量PVA/NC/氨苄西林钠复合纤维的SEM图(a,b,c)和相应的直径分布图(d,e,f)[药物含量=0.5%(a, d), 1% (b, e), 2% (c, f)]Fig.5 SEM images (a, b, c) and diameter distribution (d, e, f) of PVA/NC/ampicillin sodium composite fiber under different drug content of 0.5% (a, d), 1%(b, e), 2% (c, f)

图6为不同药物含量下PVA/NC/氨苄西林钠复合纤维的药物释放曲线。

图6 不同药物含量下PVA/NC/氨苄西林钠复合纤维的药物释放曲线Fig.6 Drug release curves of PVA/NC/ampicillin sodium composite fiber under different drug contents.

由图6可见，在药物释放初期，载药复合纤维膜体出现较快的药物释放速率，处于药物突释阶段，这是因为亲水性药物具有较高的离子能，在静电纺丝过程中较易吸附于复合纤维表面，因此，释药初期产生较快的药物释放速率。随着药物释放时间的增加，复合纤维表面的药物释放完毕后，复合纤维内部药物逐渐被释放，但缓冲溶液浸入纤维内部和药物向外扩散的时间较长，导致药物释放后期具有较慢的释放速率。通过计算获得不同药物含量即投药量为0.5%，1%，2%下，复合纤维的实际载药量分别为0.36%，0.52%和0.98%。由图6可知，随载药量降低，复合纤维药物释放速率增大，这是因为当载药量较低时，由SEM图可知复合纤维平均直径较小，比表面积较大，使缓冲溶液较易浸入复合纤维内部，且表面药物含量较多，因此使其药物释放速率增大[13]。

4 结 论

采用静电纺丝技术制备了PVA/NC载药复合纤维，研究了材料配比、纺丝电压和收集距离对PVA/NC复合纤维形态、直径分布和平均直径的影响。探讨了材料配比对复合纤维亲水性能影响，并分析了氨苄西林钠含量对PVA/NC载药复合纤维膜形态和药物释放速率的影响。结果表明：随着NC含量增加，PVA/NC复合纤维直径降低，直径分布均匀性增加，亲水性降低；PVA/NC/氨苄西林钠载药复合纤维膜在药物释放初期具有较快的释放速率，且药物含量越少，其复合纤维直径越小，比表面积越大，表面药物含量越多，导致其药物释放速率越大。