CN104911738B - 一种pu/cap芯鞘结构纤维的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PU/CAP芯鞘结构纤维的制备方法，将CAP溶于由甲氧基乙醇、丙酮与水配置而成的混合溶剂，获得CAP溶液；将PU溶解在由四氢呋喃和N,N‑二甲基甲酰胺配置而成的溶剂，获得PU溶液；采用同轴电纺装置，通过微量推进泵，调节装有电纺溶液的注射器的流速，得到以PU为芯、CAP为鞘的PU/CAP芯鞘结构纤维。本发明制备了以CAP为鞘，以PU为芯的同轴载药纤维，纤维表面光滑，芯鞘层之间界限分明，力学强度比单纯的电纺CAP纤维的力学强度增强了14.25倍。制备的同轴纤维毒性评级为0级或1级，对正常细胞不具有毒性，符合相关使用标准，具有一定的药物缓释能力。

Description

一种PU/CAP芯鞘结构纤维的制备方法

技术领域

本发明涉及邻苯二甲酸醋酸纤维素技术领域，具体涉及一种PU/CAP芯鞘结构纤维的制备方法。

背景技术

邻苯二甲酸醋酸纤维素（Cellulose acetate phthalate，CAP）为制备胶囊和片剂的肠溶性包衣辅料，是作为一种惰性物质使用，其具有多种活性。由于其具有良好的组织相容性、无毒副作用和栓塞血管腔完全牢固持久等特点，可作为液体栓塞材料使用。然而，纯的CAP纤维力学强度较弱，在使用过程中容易出现断裂和破损等现象，影响其使用效果。最近，CAP被发现显示出一定的抗人类获得性免疫缺陷病毒（HIV）活性。CAP可以引起HIV糖蛋白gp41和糖蛋白gp120构象的改变，这些糖蛋白可以连接人类细胞膜上负责细胞内外物质运输的CD4受体等，CAP作用于gp41形成一个六元螺旋终端，使病毒失去活性。近期，Huang课题组利用静电纺丝技术制备CAP纤维用于精液诱导的抗艾滋药物的输送，CAP纤维在遇到pH值大于7的精液时会立即溶解，负载于CAP纤维中的药物随后释放出纤维，起到杀灭病毒的效果。然而由于CAP纤维强度较弱，易断裂破损，在使用过程中有诸多不便。

聚氨酯（PU）由于其良好的生物相容性被广泛应用于生物材料领域。同时，由于聚氨酯弹性体在分子链结构上属于（AB）型嵌段共聚物，由柔性软段和刚性硬段组成。由于软段和硬段的热力学不相容导致了微相分离，PU的这种结构使其具有很高的断裂伸长率和优良的力学性能。

纯的PU和CAP被用作为药物递送系统的材料已有文献报道，然而对于提高CAP纤维的力学强度方面还未有研究，电纺PU与CAP同轴纤维方面研究也鲜有报道。本实验使用同轴电纺技术，制备以PU为芯，CAP为鞘的同轴纤维。拟通过力学性能优良的PU提高CAP纤维的力学强度，使其作为药物递送系统更便于使用。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种PU/CAP芯鞘结构纤维的制备方法，增强纤维强度，具备一定的缓释效果，满足药物载体的使用需求。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种PU/CAP芯鞘结构纤维的制备方法：将CAP溶于由甲氧基乙醇、丙酮与水配置而成的混合溶剂，获得CAP溶液；将PU溶解在由四氢呋喃和N, N-二甲基甲酰胺配置而成的溶剂，获得PU溶液；采用同轴电纺装置，通过微量推进泵，调节装有电纺溶液的注射器的流速，得到以PU为芯、CAP为鞘的PU/CAP芯鞘结构纤维。

所述的混合溶剂中，甲氧基乙醇、丙酮与水的体积比为1:0.85:0.15。

所述CAP溶液的质量浓度为25%。

所述四氢呋喃和N, N-二甲基甲酰胺的体积比为1:1。

所述PU溶液的质量浓度为14%

所述PU溶液流速为0.19~0.96mL/h。

所述CAP溶液流速为6.70mL/h。

所述的PU/CAP芯鞘结构纤维的制备方法所制备的PU/CAP芯鞘结构纤维。

本发明使用的同轴静电纺丝技术是在静电纺丝技术的基础上发展而来的，主要是将喷丝口改进为同心轴的复合毛细管，解决了将两种或两种以上原料进行简单的物理共混静电纺丝法必须是均一的混合体系的局限性，这种加工方法操作简单并且制备的纤维在均匀性和连续性方面都要好于其他加工方法。芯一壳结构纤维的壳层被赋予良好的生物相容性，纤维芯层则具备良好的机械性能。

有益效果：与现有技术相比，本发明制备了以CAP为鞘，以PU为芯的同轴载药纤维，CAP流速为6.70mL/h，PU流速为0.77mL/h，纤维尺寸在1μm左右，纤维表面光滑，芯鞘层之间界限分明，与纯CAP纤维相比，芯部PU的加入，使其力学强度比单纯的电纺CAP纤维的力学强度增强了14.25倍（由0.20MPa增强至2.85MPa）。制备的同轴纤维毒性评级为0级或1级，对正常细胞不具有毒性，符合相关使用标准。载药纤维的药物释放速率为24h，突释现象不明显，且药物可持续释放一定时间，具有一定的药物缓释能力。

附图说明

图1是电纺装置的结构示意图；

图2是25%纯CAP纤维扫描电镜形貌图；

图3是PU/CAP同轴纤维透射电镜图；

图4是PU/CAP同轴纤维激光共聚焦图（绿色为香豆素6，红色为罗丹明B）；

图5是PU/CAP同轴纤维透射电镜图；PU浓度14%，CAP浓度25%，流速为0.77/6.70mL/h；

图6是PU/CAP同轴纤维的普通可见光显微镜图；a图为0.19/6.70mL/h，b图为0.48/6.70mL/h，c图为0.77/6.70mL/h，d图为0.96/6.70mL/h；

图7是PU/CAP同轴纤维抗拉强度结果图；

图8是PU/CAP同轴纺丝纤维膜断裂伸长率结果图；

图9是单个针头纺丝纤维膜抗拉强度结果图；

图10是单个针头纺丝纤维膜断裂伸长率结果图；

图11是两个针头单独纺丝复合纤维膜的抗拉强度结果图；

图12是两个针头单独纺纤维膜丝断裂伸长率结果图；

图13是不同纺丝工艺载药纤维的释放曲线图；

图14是材料浸提液细胞毒性评价结果图；

图15是搭载5-Fu纤维膜抗癌细胞活性结果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

将CAP溶于由甲氧基乙醇、丙酮与水以体积比为1:0.85:0.15配制成的混合溶剂中，获得质量浓度为25%的CAP溶液。芯层为质量浓度为14%的PU溶液，溶剂为按照1:1的体积比配制的四氢呋喃和N, N-二甲基甲酰胺溶液。设置三组电纺装置，分别为将CAP与PU混合在一个针头电纺；以PU为芯，CAP为鞘的同轴电纺纤维；PU与CAP两个针头混合电纺。通过微量推进泵，调节装有电纺溶液的注射器的流速，得到以PU和CAP的微纳米级纤维，实验装置（如图1所示）由传统电纺装置、高压电源、两个注射器、同轴电纺针头组成（ 以同轴为例）。

实验初期，通过显微镜观察电纺不同流速下的PU/CAP结构，设置PU/CAP同轴纤维实验组的流速：0.19/6.70mL/h（a组）、0.48/6.70mL/h（b组）、0.77/6.70mL/h（c组）、0.96/6.70mL/h（d组）。

同轴纤维形貌表征：截取一部分电纺同轴纤维膜，对其进行干燥后裁剪成适宜大小，喷金，电压调至15kV，扫描电镜观察。在电纺时，将样品直接接收在表面涂有碳膜的铜网上，用JEM-2100型透射电子显微镜观测单根纤维的核一鞘结构，加速电压为l00kV，透射电镜观察其同轴结构。将PU用罗丹明B染色，CAP用香豆素6染色，使用激光共聚焦显微镜观察其荧光。

制备得到纯的CAP纤维（图2所示）和以CAP为鞘层，PU为芯层的同轴纤维（如图3所示），在CAP中加入香豆素6，在PU中加入罗丹明B，扫描电镜显示，纯CAP纤维直径在1μm内，纤维表面光滑，同轴纤维直径在1至2μm左右，纤维表面略粗糙。激光共聚焦显示（图4），所制备纤维具有较明显的同轴结构（绿色为香豆素6，红色为罗丹明B）。同轴纤维的透射电镜如图5所示。

不同流速下的PU/CAP显微图像证实，当PU溶液的流速较小时，纤维多呈现出弯曲状，随着PU层流速的增加，丝状纤维弯曲量减少，纤维变粗，再增大PU流速则纤维液滴变多。图6显示了不同流速工艺下的纤维形貌，a组（图6a）呈现的PU/CAP的复合纤维液滴较多，且形态弯曲。b组（图6b）、c组（图6c）、d组（图6d）组显示了由于不同流速的PU溶液的影响，纤维形貌的变化。随着PU流速的增加，液滴减少，纤维形貌趋向均匀，随着PU流速再增加，溶剂挥发不彻底，纤维形貌不规整，有液滴出现。因此，芯鞘溶液均可以影响复合超薄纤维的表面质量和形态。芯鞘溶液的浓度和流速是影响结构形态的重要参数，在本实施例中选择PU浓度14%，CAP浓度25%，PU/CAP的流速为0.77/6.70mL/h，可以得到PU/CAP的同轴结构。同轴结构的透射电子显微图如图5所示，纤维尺寸在1μm以内，芯纤维与鞘层纤维之间有明显的界面，且界面光滑。

力学强度测试：在25℃，65%湿度的条件下测定纤维膜的拉伸性能，将纤维膜样品平衡24h后裁剪成10mm×5mm样条，选择5个点测量其厚度并计算其平均厚度，通过拉力试验测试纤维膜的拉伸强度和断裂伸长率，每个样品夹持长度为10mm，拉伸速率为5mm/min，采用三思UTM6025拉力试验机拉伸样条测试其抗拉强度和断裂伸长率。

如图7所示，同轴电纺得到的PU/CAP同轴纤维在PU含量为28%的条件下，其力学强度为2.85MPa，在PU含量为30%的条件下，其力学强度为1.85MPa，当PU含量在33%条件下，其力学强度为1.65MPa。纯的CAP纤维抗拉强度在0.20MPa左右（如图9、11所示），几乎无力学强度，从图中看出，随着PU含量的增加，纤维的抗拉强度呈现下降趋势，因此同轴电纺时选择PU含量为28%。

如图8所示，同轴电纺得到的PU/CAP同轴纤维在PU含量为28%的条件下，其断裂伸长率为20.5%，在PU含量为30%的条件下，其断裂伸长率为21.9%，当PU含量在33%条件下，其力学强度为21%。从中看出，随着PU含量的增加，纤维的断裂伸长率之间未见有显著差异。

如图9所示，在PU与CAP混合条件下，单根针头喷出的纤维随着PU含量的增加，抗拉强度呈上升趋势，在PU含量为0时，即纯的CAP纤维力学强度为0.2MPa左右，在PU含量为100%，即为纯PU力学强度在25MPa。

如图10所示，在PU与CAP混合条件下，单根针头喷出的纤维随着PU含量的增加，断裂伸长率呈上升趋势，最高达到460%。

如图11所示，在PU与CAP两个针头单独喷丝条件下，得到由PU与CAP纤维交织成的复合纤维膜，抗拉强度为25MPa，且随着PU含量的增加，抗拉强度逐渐增强。

如图12所示，在PU与CAP两个针头单独喷丝条件下，得到由PU与CAP纤维交织成的复合纤维膜，断裂伸长率达到460%。

可见，CAP（鞘）/PU（芯）中，PU流速为0.77/6.70mL/h比其他组具有更好纤维表面形貌，因此具有较好拉伸性能。

实施例2

细胞培养：从剑桥生物公司购得HepG2细胞，在培养箱条件37℃，5%CO₂环境下培养，培养基为Hycloned的DMEM高糖培养基，添加四季青的新生小牛血清，血清加入比例为10%，同时加入0.5%的青链霉素，细胞每两天换液一次，待细胞浓度长至25000个/mL，进行体外毒性试验。

体外毒性评价：将纤维膜按照1cm²/mL的比例浸泡入培养基中，取浸提液分别稀释成100%、75%、50%、25%和0%（正常培养基），置于培养箱中培养，采用MTT法，将L929细胞接种于96孔板上，每孔接种5000个细胞培养贴壁，加入200μL浸提液，空白对照组加入等量的培养基，阴性对照组加入苯酚，培养24h，根据MTT法测定每孔吸光度，按照以下公式计算细胞相对增殖率，按照标准（0~5级）对材料进行毒性分级，若RGR值大于100%，则毒性等级为0及；若RGR值在75~99%之间，毒性等级为1级；若RGR值在50~74%之间，则毒性等级为2级；若RGR值在25~49%之间，则毒性等级为3级；若RGR值在1~24%之间，则毒性等级为4级；若RGR值为0，则毒性等级为5级。

相对增殖率（RGR）=（实验组吸光度值）/空白对照组吸光度值×100%

药物释放研究：将罗丹明B作为模式药物，用荧光分光光度计测定罗丹明B溶液浓度，制作罗丹明B标准曲线，电纺鞘层含0.1%的罗丹明B的同轴纤维，取0.05g纤维干燥后加入Eppendorf管中，并加入3mL PBS缓冲液，以30s为时间间隔抽取1mL溶液，测定其罗丹明B的浓度，以释放时间为横坐标，累计释放率为纵坐标绘制罗丹明B的释放曲线。

如图13所示，当溶液pH值为4.2时，由于CAP无法溶解，则包载于CAP中的药物无法释放，pH为7.2，在两个针头单独纺丝条件下，得到的复合纤维膜在1h后，药物释放趋于完全。而同轴结构和单针头混纺则在24h后，药物才释放趋于完全。

载药抗癌效果研究：将0.2%的5-氟尿嘧啶包载于鞘层CAP纤维中，将纤维按照1cm²/mL的比例裁剪，浸泡于培养基中在37℃条件下孵育24h，将浸提液稀释成5-Fu含量分别为：0.5μg/mL、5μg/mL、10μg/mL、50μg/mL、100μg/mL、200μg/mL，将其加入已接种HepG2细胞（5000个/孔）的96孔板中，复孔三个，二氧化碳孵育箱中培育24h，采用MTT法，测定每孔吸光度。按照公式2计算其抑制率。

抑制率=1-实验组吸光度/对照组吸光度×100%

数据分析：所有数据重复三次，以数值±SD值表示。

如图14所示，所得的相对增值率都在95%以上，材料毒性等级评定为0级或1级，表明所制备的材料对细胞生长没有明显的影响，对细胞没有毒性，由于本申请所采用的的材料为生物相容的PU及作为药剂辅料的CAP，所以在材料方面符合使用安全标准。

如图15所示，在CAP所载5-Fu药物浓度为0.5μg/mL时，对HepG2细胞杀伤率在15%左右，在5-Fu浓度为5μg/mL时则为30%，在5-Fu浓度为10μg/mL时达到75%，在5-Fu浓度为50μg/mL时为100%，后续增加5-Fu的剂量，效果无变化，维持在100%。可见同轴CAP/PU纤维可作为5-Fu抗肿瘤药物的载体，包载充足剂量的药物，并在一定时间将药物释放至纤维外，与癌症细胞发生作用，起到抗癌效果。

Claims (8)

1.一种PU/CAP芯鞘结构纤维的制备方法，其特征在于：将CAP溶于由甲氧基乙醇、丙酮与水配置而成的混合溶剂，获得CAP溶液；将PU溶解在由四氢呋喃和N, N-二甲基甲酰胺配置而成的溶剂，获得PU溶液；采用同轴电纺装置，通过微量推进泵，调节装有电纺溶液的注射器的流速，得到以PU为芯、CAP为鞘的PU/CAP芯鞘结构纤维。

2.根据权利要求1所述的PU/CAP芯鞘结构纤维的制备方法，其特征在于：所述的混合溶剂中，甲氧基乙醇、丙酮与水的体积比为1:0.85:0.15。

3.根据权利要求1所述的PU/CAP芯鞘结构纤维的制备方法，其特征在于：所述CAP溶液的质量浓度为25%。

4.根据权利要求1所述的PU/CAP芯鞘结构纤维的制备方法，其特征在于：所述四氢呋喃和N, N-二甲基甲酰胺的体积比为1:1。

5.根据权利要求1所述的PU/CAP芯鞘结构纤维的制备方法，其特征在于：所述PU溶液的质量浓度为14%。

6.根据权利要求1所述的PU/CAP芯鞘结构纤维的制备方法，其特征在于：所述PU溶液流速为0.19~0.96mL/h。

7.根据权利要求1所述的PU/CAP芯鞘结构纤维的制备方法，其特征在于：所述CAP溶液流速为1~10ml/h。

8.权利要求1所述的PU/CAP芯鞘结构纤维的制备方法所制备的PU/CAP芯鞘结构纤维。