CN108047463B

CN108047463B - 基于同轴电喷壳层插入策略制备核壳结构纳米颗粒的方法

Info

Publication number: CN108047463B
Application number: CN201711339547.4A
Authority: CN
Inventors: 陈家明; 王利群; 王红军; 柳定荣
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2017-12-14
Filing date: 2017-12-14
Publication date: 2020-07-17
Anticipated expiration: 2037-12-14
Also published as: CN108047463A

Abstract

本发明公开了一种基于同轴电喷壳层插入策略制备核壳结构纳米颗粒的方法，该方法称取亲水聚合物将其溶解在溶剂A中，作为壳层溶液；称取疏水聚合物将其溶解在溶剂B中，作为核层溶液；溶剂A与溶剂B为互溶溶剂；采用同轴电喷装置制备核壳结构的微球；将获得的微球置于去离子水中，过滤得到核壳结构纳米颗粒。采用本发明方法制备的核壳结构纳米颗粒稳定性好，可保存一星期尺寸依然不变，且通过改变核层溶液的进样速度，该方法可以制备不同粒径的核壳结构纳米颗粒。

Description

基于同轴电喷壳层插入策略制备核壳结构纳米颗粒的方法

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，涉及一种静电喷雾制备聚合物颗粒的方法，尤其涉及一种基于同轴电喷壳层插入策略制备核壳结构纳米颗粒的方法。

背景技术

近年来，纳米技术在肿瘤治疗领域的应用引起了人们极大的关注。通过利用肿瘤组织的EPR效应，纳米药物传递系统能将抗肿瘤药物精确地输送到病灶部位，在将肿瘤治疗效果最大化的同时，使抗肿瘤药物的毒副作用最小化。在众多的纳米药物传递系统中，由两亲性聚合物以自组装方式形成的核壳结构胶束被研究的最为广泛。比如两亲性聚合物PEG-PCL(聚乙二醇-聚己内酯)形成的胶束具有良好的生物相容性和生物可降解性。亲水性的PEG(聚乙二醇)链段作为壳层，能够降低调理素蛋白的吸附，从而避免被网状内皮系统和单核巨噬系统清除，延长了胶束在血液中的循环时间。疏水性的PCL(聚己内酯)链段作为核层，具有生物可降解性，能够包载疏水性药物。但是，用传统方法制备核壳结构胶束作为药物载体也存在不足。比如，用自组装方法制备的胶束只能包载疏水性药物，无法包载亲水性药物；自组装的方法制备胶束不适合大规模的工业化生产；需要合成两亲性聚合物，将亲水链段与疏水链段通过化学键连接起来，合成比较复杂。因此，需要用更先进的技术来构建核壳结构纳米颗粒，克服传统自组装方法的缺陷。

同轴静电喷雾能够简单高效地制备具有核壳结构的聚合物微球。与传统自组装制备药物载体的方法相比，静电喷雾具有其独到的优势。比如，静电喷雾法既能包载亲水药物也能包载疏水药物、能够有效地控制电喷颗粒的粒径、具有较好的重复性，适合大规模制备聚合物颗粒、构建核壳结构载体更加简单，不需要合成两亲性嵌段聚合物。但是，用传统的静电喷雾法制备载体也具有局限性。比如，静电喷雾法制备的聚合物颗粒尺寸一般都在微米级或亚微米级。而只有尺寸在100nm左右的载体颗粒才能通过EPR效应富集的肿瘤组织部位，微米级或亚微米级的载体颗粒会被巨噬细胞很快的清除。同轴电喷制备的核壳结构载体颗粒，其壳层聚合物与核层聚合物之间没有化学键相连，核壳结构不稳定。如果壳层用亲水性聚合物，比如PEG，在水溶液中壳层会迅速溶解，核壳结构不复存在。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于同轴电喷壳层插入策略制备核壳结构纳米颗粒的方法。

本发明所采用的技术方案如下：

称取亲水聚合物将其溶解在溶剂A中，作为壳层溶液；称取疏水聚合物，将其溶解在溶剂B中，作为核层溶液；所述的溶剂A与溶剂B为互溶溶剂；采用同轴电喷装置，通过两台独立的注射泵将壳层溶液和核层溶液进样到喷头，调节高压电源电压使喷头底部形成稳定的泰勒锥，制备核壳结构的微球；将获得的微球置于去离子水中，磁力搅拌后，用慢速定量滤纸过滤，得到核壳结构纳米颗粒。

上述技术方案中，优选的，所述的亲水聚合物为PEG，分子量为10000-30000。

优选的，所述的疏水聚合物为PCL、PLA或PLGA等聚酯类聚合物，分子量为5000-20000.。

优选的，所述的溶剂A与溶剂B为同种溶剂，更进一步的，所述的溶剂A与溶剂B均采用TFE、CCl3H、或DCM等易挥发性溶剂。

优选的，所述的壳层溶液的浓度为15％-5％(W/V)。

优选的，所述的核层溶液的浓度为6％-1％(W/V)。

优选的，同轴电喷时的参数为：喷头和接收板之间的距离为15-25cm；电压为16-25kV；核层溶液的进样速度为0.1-0.5mL/h，壳层溶液的进样速度为0.8-1.5mL/h。

本发明采用同轴电喷壳层插入的策略构建具有核壳结构的纳米颗粒，壳层溶液和核层溶液选用互溶的溶剂，使得电喷过程中，壳层溶质分子可插入核层中，形成核壳结构纳米颗粒。以用PEG/TFE(聚乙二醇/三氟乙醇)溶液作为壳层，PCL/TFE(聚己内酯/三氟乙醇)溶液作为核层为例，同轴电喷产生具有核壳结构的微球，核层是PCL纳米颗粒。在电喷过程中，核、壳层溶液相互扩散，致使壳层的部分PEG分子链插入核层，核壳结构的微球在水中快速溶解，脱去未插入核层的PEG，产生核壳结构纳米颗粒。它的核心是尺寸小于100nm的PCL颗粒，壳层是分子链插入PCL表面的PEG。采用本发明方法制备的核壳结构纳米颗粒稳定性好，保存一星期尺寸依然不变，通过改变核层溶液的进样速度，该方法可以制备不同粒径的核壳结构纳米颗粒。

附图说明

图1是本发明同轴电喷壳层插入策略方法的示意图；

图2是(a)同轴电喷制备的核壳结构微球SEM照片，壳层为溶液为PEG/TFE，核层溶液为PCL/TFE；(b)同轴电喷制备的核壳结构微球SEM照片，壳层为溶液为PEG/TFE，核层溶液为PCL/CCl₃H；

图3是(a)用DLS表征两种方法制备的纳米颗粒的水合粒径；(b)核壳层用相同溶剂制备的纳米颗粒的稳定性；(c)核壳层用相同溶剂制备的纳米颗粒TEM照片；(d)壳层用不互溶的两种溶剂制备的纳米颗粒TEM照片；

图4是实施例1与对比例制得的纳米颗粒的NMR谱图；

图5是实施例2固定壳层PEG溶液的进样速度为1.2mL/h，核层PCL溶液的进样速度分别为0.3mL/h、0.4mL/h、0.5mL/h，纳米颗粒的水合粒径变化。

具体实施方式

实施例1：

称取一定量的亲水聚合物PEG(Mn＝20000)，将其溶解在溶剂TFE(三氟乙醇)中，配置浓度为10％的溶液，作为壳层溶液。称取一定量的疏水聚合物PCL(Mn＝10000)，溶解在溶剂TFE(三氟乙醇)中，配置浓度为6％的PCL/TFE溶液，作为核层溶液；通过同轴电喷制备核壳结构微球。设置喷头和接收板之间的距离为20cm，通过两台独立的注射泵将PEG和PCL溶液进样到喷头部位。壳层的进样速度为1.2mL/h，核层的进样速度为0.3mL/h。调节高压电源电压为20kV左右，此时喷头底部形成稳定的泰勒锥。将电喷颗粒收集到锡纸上。用SEM表征其形貌及粒径。取一定量的电喷微球，将其溶解在去离子水中，磁力搅拌一段时间后，溶液用慢速定量滤纸过滤，得到核壳结构纳米颗粒。用DLS表征其水合粒径，TEM表征其形貌。

实施例2：

用与实施例1相同的方法制备核壳结构微球。壳层溶液为PEG/TFE，核层溶液为PCL/TFE，固定壳层PEG溶液的进样速度为1.2mL/h，核层PCL溶液的进样速度分别为0.5mL/h、0.4mL/h、0.3mL/h，其它参数与实施例1均相同。同轴电喷，分别制备三组核壳结构微球。取一定量的上述方法制备的核壳结构微球，将其溶解在去离子水中，过滤，用DLS分别测其水合粒径。

实施例3：

称取一定量的亲水聚合物PEG(Mn＝20000)，将其溶解在溶剂TFE(三氟乙醇)中，配置浓度为10％的溶液，作为壳层溶液；称取一定量的疏水聚合物PLA(Mn＝17000)，溶解在溶剂TFE(三氟乙醇)中，配置浓度为6％的PLA/TFE溶液，作为核层溶液；通过同轴电喷制备核壳结构微球。设置喷头和接收板之间的距离为20cm，通过两台独立的注射泵将PEG和PCL溶液进样到喷头部位。壳层的进样速度为1.2mL/h，核层的进样速度为0.3mL/h。调节高压电源电压为20kV左右，此时喷头底部形成稳定的泰勒锥。将电喷颗粒收集到锡纸上。用SEM表征其形貌及粒径。取一定量的电喷微球，将其溶解在去离子水中，磁力搅拌一段时间后，溶液用慢速定量滤纸过滤，得到核壳结构纳米颗粒。用DLS表征其水合粒径，TEM表征其形貌。

实施例4：

称取一定量的亲水聚合物PEG(Mn＝20000)，将其溶解在溶剂CCl3H(氯仿)中，配置浓度为10％的溶液，作为壳层溶液；称取一定量的疏水聚合物PLGA(Mn＝15000)，溶解在溶剂CCl3H中，配置浓度为6％的PLGA/CCl3H溶液，作为核层溶液；通过同轴电喷制备核壳结构微球。设置喷头和接收板之间的距离为20cm，通过两台独立的注射泵将PEG和PCL溶液进样到喷头部位。壳层的进样速度为1.2mL/h，核层的进样速度为0.3mL/h。调节高压电源电压为20kV左右，此时喷头底部形成稳定的泰勒锥。将电喷颗粒收集到锡纸上。用SEM表征其形貌及粒径。取一定量的电喷微球，将其溶解在去离子水中，磁力搅拌一段时间后，溶液用慢速定量滤纸过滤，得到核壳结构纳米颗粒。用DLS表征其水合粒径，TEM表征其形貌。

对比例：

称取一定量的亲水聚合物PEG(Mn＝20000)，将其溶解在TFE溶剂中，配置浓度为10％的溶液，作为壳层溶液。称取一定量的疏水聚合物PCL(Mn＝10000)，溶解在溶剂CCl₃H中，配置浓度为6％的PCL/CCl₃H溶液，作为核层溶液。通过同轴电喷制备核壳结构微球。设置喷头和接收板之间的距离为20cm，通过两台独立的注射泵将PEG和PCL溶液进样到喷头部位。壳层的进样速度为1.2mL/h，核层的进样速度为0.3mL/h。调节高压电源电压为20kV左右，此时喷头底部形成稳定的泰勒锥。将电喷颗粒收集到锡纸上。用SEM表征其形貌及粒径。取一定量的电喷微球，将其溶解在去离子水中，磁力搅拌一定时间后，溶液用慢速定量滤纸过滤，得到核壳结构纳米颗粒。用DLS表征其水合粒径，TEM表征其形貌。

结果分析：

实施例1及对比例制备的核壳微球(未用去离子水脱除PEG时)的形貌分别如图2a和图2b所示。从图中可以看出微球表面光滑，呈规整的球形，大小均一，尺寸均在微米级。脱去壳层未插入核层的PEG后，实施例1得到核壳结构纳米颗粒，它的核心是尺寸小于100nm的PCL颗粒，壳层是分子链插入PCL表面的PEG。用DLS测其水合粒径，结果如图3a所示。从图中可以看出，该核壳结构纳米颗粒的水合粒径为120nm左右，粒径均一，PDI很小。用透射电镜表征该纳米颗粒的形貌，如图3c所示。从图中可以看出该核壳结构纳米颗粒形貌规整，大小均一，没有发生聚集，这是因为PCL纳米颗粒的表面插入了一层PEG，使其在水溶液中能稳定的分散开来。从图3b可以看出，在保存一周后，该核壳结构纳米颗粒的水合粒径几乎没有改变，这说明该纳米颗粒的稳定性非常好，进一步说明PCL纳米颗粒表面的PEG能够使其在水溶液中稳定的分散。进一步用NMR表征纳米颗粒的组成成分。从图4中可以看出，核壳层用相同溶剂制备的纳米颗粒，其NMR谱图中除了PCL的特征峰以外，还有PEG的特征峰。以上结果进一步说明，核壳层溶剂都是TFE制备的纳米颗粒，是由核层的PCL纳米粒子和分子链插入PCL里面的PEG组成。而对比例制备的纳米颗粒的DLS谱图呈杂乱的多峰，粒径分布不均匀，说明该纳米颗粒在水溶液中发生了聚集。用透射电镜表征该纳米颗粒的形貌，如图3d所示。从图中可以看出，PCL纳米颗粒聚集成团。这是因为PCL纳米颗粒表面没有PEG存在，使其在水溶液中不能稳定的分散开来，疏水的PCL纳米颗粒相互聚集。进一步用NMR表征纳米颗粒的组成成分。从图4中可以看出，核壳层用不互溶的两种溶剂制备的纳米颗粒，其NMR谱图中只有PCL的特征峰。这说明核壳层溶剂分别是CCl3H、TFE制备的纳米颗粒，其表面没有PEG附着，只由PCL纳米粒子组成。

将实施例2制得的三组微球溶解到水中获得三组核壳结构纳米颗粒。三组纳米颗粒的水合粒径随着进样速度的增加而增加。如图5(a)、(b)所示，核层PCL溶液的进样速度分别为0.3mL/h、0.4mL/h、0.5mL/h，对应产生的纳米颗粒水合粒径分别为119.2nm、130.3nm、163nm。这说明，这种方法有潜力通过改变核层溶液流速来制备不同粒径的纳米颗粒。

Claims

1.基于同轴电喷壳层插入策略制备核壳结构纳米颗粒的方法，其特征在于：称取亲水聚合物将其溶解在溶剂A中，作为壳层溶液；称取疏水聚合物，将其溶解在溶剂B中，作为核层溶液；所述的溶剂A与溶剂B为同种溶剂；采用同轴电喷装置，通过两台独立的注射泵将壳层溶液和核层溶液进样到喷头，调节高压电源电压使喷头底部形成稳定的泰勒锥，制备核壳结构的微球；将获得的微球置于去离子水中，磁力搅拌后，用慢速定量滤纸过滤，得到核壳结构纳米颗粒；

所述的亲水聚合物为聚乙二醇，数均分子量为10000-30000；所述的疏水聚合物为聚酯类聚合物，选自聚己内酯、聚乳酸或聚乳酸-羟基乙酸，数均分子量为5000-20000；所述的溶剂A与溶剂B均采用易挥发性溶剂，选自三氟乙醇、二氯甲烷或氯仿；所述的壳层溶液的浓度为5-15 W/V %；所述的核层溶液的浓度为1-6 W/V %；同轴电喷时核层溶液的进样速度为0.1-0.5 mL/h，壳层溶液的进样速度为0.8-1.5 mL/h。

2. 根据权利要求1所述的基于同轴电喷壳层插入策略制备核壳结构纳米颗粒的方法，其特征在于：同轴电喷时的参数为：喷头和接收板之间的距离为15-25 cm，电压为16-25kV。