CN110840862B - 一种近红外激发的核壳结构复合抗菌纳米纤维膜及其制备方法 - Google Patents

一种近红外激发的核壳结构复合抗菌纳米纤维膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种近红外激发的核壳结构复合抗菌纳米纤维膜及其制备方法，属于纤维材料技术领域。本发明运用同轴静电纺丝方法，以抗菌类药物/聚吡咯/聚己内酯为核层材料，以壳聚糖为壳层材料，制备出具有抗菌效果的复合纳米纤维膜。本发明用壳聚糖将抗菌类药物包埋在纤维内部，从而提高药物的包封率,使药物释放速度减慢，并有效减少药物的突释，并保证药物活性。另外，聚吡咯在808nm近红外光照射下表现出良好的光转热性能，在光热效应的作用下药物快速释放，利用光热与抗菌类药物的协同作用可以在短时间内达到更高的抗菌效率。

Description

一种近红外激发的核壳结构复合抗菌纳米纤维膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及纤维材料的制备技术领域，具体涉及一种近红外激发的核壳结构复合抗菌纳米纤维膜及其制备方法。
背景技术
纤维材料是纤维状物质通过纺织加工工艺形成的结构化材料。纤维材料的结构十分特别，首先它并不是通常意义上的连续介质，在纤维材料的内部存在大量的纤维与纤维、纤维与空气的界面，纤维与纤维之间的连接非常松散，在力学特性上具有十分独特的模量；其次，纤维材料中的孔隙是纤维之间自然形成的空隙，这些孔隙都是贯通孔隙，这使得纤维材料的有效孔隙率非常高；再次，纤维是一种长径比很大的物质形态，直径又十分的细小，容易发生弯曲变形，因此纤维材料也十分的柔软，形状适应性非常好。从微观结构角度看，非织造或毡化法生产的纤维材料与植物或动物细胞极为相似。
传统药物和制剂在临床应用中在体内大多存在药物有效性低、毒副作用和需频繁用药以维持药效等缺点。药物控制释放技术就是将药物或其他的活性物质与适当的载体按一定的形式制成制剂，控制药物在人体内吸收、代谢以及排泄的过程；使药物按设计的剂量，在要求的时间范围内以一定的模式在体内释放或使药物在指定部位释放而达到治疗某种疾病的目的。与传统给药方式相比，药物控释剂不仅可以减少给药次数、维持血液中药物的浓度，从而解决了药物浓度不稳定的问题，而且还降低了药物毒性，提高了药物的疗效。为了寻找合适的药物载体，人们对各种体系如微球、脂质体、微乳液等进行了研究。胶束、微乳液、凝胶、液晶、囊泡等这些聚集体具有包载药物分子的能力，同时又对膜有良好的渗透性，成为药物载体的重要研究领域。近年来，随着静电纺丝技术的发展及应用，许多研究者釆用生物可降解的合成高分子材料制备静电纺纳米纤维用于药物载体，并研究其药物释放性能。纳米纤维的比表面积大，利用其作为载药材料，可以使一些原本难以被人体吸收的药物缓慢分解释放，以达到治疗效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种近红外激发的核壳结构复合抗菌纳米纤维膜及其制备方法，通过聚吡咯-聚己内酯纳米纤维膜负载抗菌类药物如万古霉素，利用聚吡咯的近红外光照射下光转热性能，可在选定的时间内加速负载药物的释放，缩短治疗时间，提高抗菌效率，实现近红外光照射下的药物控制释放。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种近红外激发的核壳结构复合抗菌纳米纤维膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)纺丝液的制备：
①壳溶液：将壳聚糖粉末加入到醋酸水溶液中，密封后混合，直至溶液透明澄清，得到壳溶液；
②核溶液：将有机溶剂加入到抗菌类药物粉末中，超声均质分散混匀后，再加入聚吡咯黑色粉末，继续超声使混合液分散均匀；然后将混合液与聚己内酯混合，继续添加有机溶剂定量至所需纺丝浓度，并在振荡器中震荡，使各物质充分溶解为均一的溶液，得到核溶液；
(2)纺丝：采用同轴静电纺丝技术，将步骤(1)配制好的壳溶液和核溶液经静电纺丝，转鼓收集，得到无纺布状的纳米纤维膜，即为近红外激发的核壳结构复合抗菌纳米纤维膜。
进一步的，步骤(1)中，所述的壳聚糖分子量为20～30万，所述醋酸水溶液的质量浓度为70％～90％，所述壳聚糖与醋酸水溶液的质量比为3～5％。
进一步的，步骤(1)中，所述聚吡咯与聚己内酯的质量比为0.2％～5％；核溶液中溶质与有机溶剂的质量比为20％～35％，所述溶质由聚吡咯和聚己内酯组成。
进一步的，步骤(1)中，所述的有机溶剂为二氯甲烷、四氢呋喃、氯仿、二甲基亚砜、乙酸乙酯、二甲基甲酰胺、二氧六环的一种或任意组合。
进一步的，步骤(1)中，所述聚吡咯与聚己内酯的质量比为5％。
进一步的，步骤(1)中，所述核溶液中溶质与有机溶剂的质量比为28％。
进一步的，步骤(1)中，所述均质分散所采用的超声均质仪器是超声波分散仪器，超声功率为300W，两次超声时间各为10min。
进一步的，步骤(2)中，所述纺丝条件如下：电纺电压为8-15kV，挤出速度为10-200mm/s，接收距离为10-20cm，环境温度为室温的条件下，湿度小于70％。
进一步的，步骤(1)中，所述抗菌类药物为万古霉素。
本发明还提供所述的制备方法得到的近红外激发的核壳结构复合抗菌纳米纤维膜。
本发明所采用的同轴静电纺丝是一种获得连续性核壳结构纳米纤维的简易方法。
经发明人研究发现，先将有机高分子进行纺丝后，再在其表面由吡咯单体聚合一层聚吡咯，即包覆黑色聚吡咯涂层；聚吡咯为纤维表面包覆黑色聚吡咯涂层，吡咯单体在聚合过程中难以保证表面的均匀性及涂层的平整性及厚度。而本发明使用的原料是聚吡咯粉末，聚吡咯是以吡咯为单体，经过电化学氧化聚合制成的黑色粉末，本发明是直接将聚吡咯粉末加入到纺丝液中混合均匀后进行纺丝，制备成聚吡咯-聚己内酯纤维，聚吡咯在材料中分布均匀，能充分发挥聚吡咯所具有的光热效果，实现近红外光照射下的药物控制释放。
本发明具有以下优点和技术效果：
本发明运用同轴静电纺丝方法，以抗菌类药物/聚吡咯/聚己内酯为核层材料，以壳聚糖为壳层材料，制备出具有抗菌效果的复合纳米纤维膜。本发明用壳聚糖将抗菌类药物包埋在纤维内部，从而提高药物的包封率，使药物释放速度减慢，并有效减少药物的突释，保证药物活性。另外，抗菌类药物如万古霉素本身是慢慢释放的，而聚吡咯在808nm近红外光照射下表现出良好的光转热性能，在光热效应的作用下能使负载药物快速释放。本发明利用光热与抗菌类药物的协同作用，可以在选定的时间内加速负载抗菌类药物的释放，在短时间内达到更高的抗菌效率，同时缩短治疗时间，实现抗菌类药物的控释。
附图说明
图1为实施例1的近红外激发的核壳结构复合抗菌纳米纤维膜的SEM图；
图2为不同添加量的聚吡咯制成的近红外激发的核壳结构复合抗菌纳米纤维膜中核内纤维在近红外光照射下的温度变化趋势图。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种近红外激发的核壳结构复合抗菌纳米纤维膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)纺丝液的制备：
①壳溶液：称取一定质量的壳聚糖粉末(分子量20～30万)，加入到试剂瓶中；然后加入一定量的溶剂(以质量浓度80％的醋酸水溶液为溶剂，同时，为了加速纺丝液的挥发，可选择己醇为助剂，促进纺丝的形成)；密封后将试剂瓶放入磁力搅拌器中，控制温度为30℃，转速为500rpm；搅拌至壳聚糖完全溶解为止，溶液透明澄清；停止搅拌，静置1h，脱除溶液中的气泡，得到壳溶液；所述壳聚糖与醋酸水溶液的质量比为4％。
②核溶液：将有机溶剂二氯甲烷加入到万古霉素粉末中，然后通过超声波分散仪器，300W强力超声10min后，再加入一定量的聚吡咯黑色粉末，继续300W强力超声10min，使混合液分散均匀；然后将混合液与聚己内酯混合，振荡器中放置1h使之充分溶解为均一的溶液，得到核溶液。
所述聚吡咯与聚己内酯的质量比为5％；所述核溶液中溶质与有机溶剂二氯甲烷的质量比为28％；所述溶质由聚吡咯和聚己内酯组成；所述万古霉素粉末的加入量为溶质质量的4％。
(2)纺丝：采用同轴静电纺丝技术，将步骤(1)配制好的壳溶液和核溶液经静电纺丝，转鼓收集，得到无纺布状的纳米纤维膜，即为近红外激发的核壳结构复合抗菌纳米纤维膜。所述纺丝条件如下：电纺电压为10kV，挤出速度为100mm/s，接收距离为20cm，环境温度为室温25℃的条件下，湿度为60％。
如图1所示，为实施例1制备得到的近红外激发的核壳结构复合抗菌纳米纤维膜的SEM图。由图可知，制备的近红外激发的核壳结构复合抗菌纳米纤维膜表面光滑均匀，且无纺锤状结构，直径100nm左右，分布较为均一。
实施例2
一种近红外激发的核壳结构复合抗菌纳米纤维膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)纺丝液的制备：
①壳溶液：将壳聚糖粉末(分子量20～30万)加入到醋酸水溶液(质量浓度为70％)中，所述壳聚糖与醋酸水溶液的质量比为3％；将溶液密封后用磁力搅拌器混匀，控制温度为30℃，转速为500rpm，直至溶液透明澄清，得到壳溶液；
②核溶液：将有机溶剂四氢呋喃加入到万古霉素粉末中，然后超声分散，超声功率为300W，超声时间为10min，混匀后再加入聚吡咯黑色粉末，继续超声，超声功率为300W，超声时间为10min，使混合液分散均匀；然后将混合液与聚己内酯混合，继续添加有机溶剂四氢呋喃，并在振荡器中震荡，使各物质充分溶解为均一的溶液，得到核溶液；
所述聚吡咯与聚己内酯的质量比为0.2％；核溶液中溶质与有机溶剂四氢呋喃的质量比为20％；所述溶质由聚吡咯和聚己内酯组成；所述万古霉素粉末的加入量为溶质质量的4％。
(2)纺丝：采用同轴静电纺丝技术，将步骤(1)配制好的壳溶液和核溶液经静电纺丝，转鼓收集，得到无纺布状的纳米纤维膜，即为近红外激发的核壳结构复合抗菌纳米纤维膜。
所述纺丝条件如下：电纺电压为15kV，挤出速度为200mm/s，接收距离为20cm，环境温度为室温22℃的条件下，湿度50％。
实施例3
一种近红外激发的核壳结构复合抗菌纳米纤维膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)纺丝液的制备：
①壳溶液：将壳聚糖粉末(分子量20～30万)加入到醋酸水溶液(质量浓度为90％)中，所述壳聚糖与醋酸水溶液的质量比为5％；将溶液密封后用磁力搅拌器混匀，直至溶液透明澄清，得到壳溶液；
②核溶液：将有机溶剂氯仿加入到万古霉素粉末中，然后超声分散，超声功率为300W，超声时间为10min，混匀后再加入聚吡咯黑色粉末，继续超声，超声功率为300W，超声时间为10min，使混合液分散均匀；然后将混合液与聚己内酯混合，继续添加有机溶剂氯仿，并在振荡器中震荡，使各物质充分溶解为均一的溶液，得到核溶液；
所述聚吡咯与聚己内酯的质量比为1％；溶质与有机溶剂氯仿的质量比为35％；所述溶质由聚吡咯和聚己内酯组成；所述万古霉素粉末的加入量为溶质质量的4％。
(2)纺丝：采用同轴静电纺丝技术，将步骤(1)配制好的壳溶液和核溶液经静电纺丝，转鼓收集，得到无纺布状的纳米纤维膜，即为近红外激发的核壳结构复合抗菌纳米纤维膜。
所述纺丝条件如下：电纺电压为8kV，挤出速度为10mm/s，接收距离为10cm，环境温度为室温20℃的条件下，湿度60％。
表1为不同添加量的聚吡咯制备得到的近红外激发的核壳结构复合抗菌纳米纤维膜的核内纤维(聚吡咯/聚己内酯纳米纤维膜)在808nm近红外光激光，光强3W/cm2下照射不同时间的温度变化测试数据结果，对应如图2所示；表中的添加量是指聚吡咯与聚己内酯的质量比。
表1
Figure BDA0002292455840000061
由表1的测试数据结果可知，不含聚吡咯的聚己内酯纳米纤维膜中，其在激光照射激发下只增加了2.8℃，这表明了纯的聚己内酯纳米纤维膜对808nm的近红外激光吸收很弱。当用808nm的激光照射含有聚吡咯的复合纳米纤维膜时，其温度升高迅速。聚吡咯的添加量从0.2％-5％时，300s的近红外激光照射时间内极差温度从8.8℃到22.1℃。由此可知，聚吡咯能迅速吸收808nm激光能量转换为环境的热量；并且，随着聚吡咯添加量的增加和照射激光时间的增加也会导致复合纳米纤维膜的温度升高；由此表明其在808nm近红外光激光照射下具有很好的转热性能，用于抗菌类药物的定时控释具有很好的效果。
另外，本发明将聚吡咯的添加量设定为0.2％-5％，主要考虑以下方面因素：聚吡咯是一种黑色粉末，不能溶于纺丝液中，在纺丝液中成悬浮液存在，如要满足纺丝液纺丝，这个颗粒悬浮液不能加量过高，会导致丝不成形，纺不出丝，这样就没有纳米纤维可言，达不到制备近红外激发的核壳结构复合抗菌纳米纤维膜的目的。虽然聚吡咯的光热性能是随着聚吡咯添加量的增加而增大的，但是纺丝条件限制了聚吡咯的添加量。再者，本发明的聚吡咯/聚己内酯纳米纤维膜负载的抗菌类药物是针对人体，人体能承受的温度大概为40℃多，故而聚吡咯的添加量在5％时是最适宜的，如果添加量过大，温度过高，反而对人体造成热伤害。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限制本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (7)

1.一种近红外激发的核壳结构复合抗菌纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）纺丝液的制备：
①壳溶液：将壳聚糖粉末加入到醋酸水溶液中，密封后混合，直至溶液透明澄清，得到壳溶液；所述的壳聚糖分子量为20~30万，所述醋酸水溶液的质量浓度为70%~90%，所述壳聚糖与醋酸水溶液的质量比为3~5%；
②核溶液：将有机溶剂加入到抗菌类药物粉末中，超声均质分散混匀后，再加入聚吡咯黑色粉末，继续超声使混合液分散均匀；然后将混合液与聚己内酯混合，继续添加有机溶剂定量至所需纺丝浓度，并在振荡器中震荡，使各物质充分溶解为均一的溶液，得到核溶液；所述聚吡咯与聚己内酯的质量比为0.2%~5%；所述核溶液中溶质与有机溶剂的质量比为20%~35%，所述溶质由聚吡咯和聚己内酯组成；
（2）纺丝：采用同轴静电纺丝技术，将步骤（1）配制好的壳溶液和核溶液经静电纺丝，转鼓收集，得到无纺布状的纳米纤维膜，即为近红外激发的核壳结构复合抗菌纳米纤维膜；所述纺丝条件如下：电纺电压为8-15kV，挤出速度为10-200mm/s，接收距离为10-20cm，环境温度为室温的条件下，湿度小于70%。
2.根据权利要求1所述的一种近红外激发的核壳结构复合抗菌纳米纤维膜的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述的有机溶剂为二氯甲烷、四氢呋喃、氯仿、二甲基亚砜、乙酸乙酯、二甲基甲酰胺、二氧六环中的一种或任意组合。
3.根据权利要求1所述的一种近红外激发的核壳结构复合抗菌纳米纤维膜的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述聚吡咯与聚己内酯的质量比为5%。
4.根据权利要求1所述的一种近红外激发的核壳结构复合抗菌纳米纤维膜的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述核溶液中溶质与有机溶剂的质量比为28%。
5.根据权利要求1所述的一种近红外激发的核壳结构复合抗菌纳米纤维膜的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述均质分散所采用的超声均质仪器是超声波分散仪器，超声功率为300W，两次超声时间各为10min。
6.根据权利要求1所述的一种近红外激发的核壳结构复合抗菌纳米纤维膜的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述抗菌类药物为万古霉素。
7.权利要求1-6任一项所述的制备方法得到的近红外激发的核壳结构复合抗菌纳米纤维膜。
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纳米材料在肿瘤光热治疗中的研究进展;陈静文等;《中华生物医学工程杂志》;20150831;第21卷(第4期);第369-372页 *

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CN110840862A (zh) 2020-02-28

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