一种具有缓释药物的亲水性纤维膜及其制备方法和应用与流程

1.本发明属于生物材料领域，具体涉及一种具有缓释药物的亲水性纤维膜及其制备方法和应用。


背景技术：

2.皮肤是人体最大的器官，是人体抵御包括生物体和化学物质在内的许多外界环境刺激的主要屏障。环境的刺激或者某些不可抗力因素的影响会导致皮肤受损出现伤口。对于糖尿病患者来说，这些伤口如果不及时处理，伤口处聚集的渗出液容易滋生细菌，从而扰乱人体的免疫系统。
3.伤口愈合并非被动的修复过程，通过使用修复或具有保护作用的敷料可以加速愈合的速度并提升伤口修复的效果。临床上针对糖尿病伤口通常采用清创随后用医用纱布包裹药物对伤口进行包扎治疗，尽管该方法治疗糖尿病伤口有效果，但是医用纱布的透气性差，容易感染，而且生物相容性欠佳，不仅如此，疏水性的医用纱布难以吸收伤口的渗出液。因此，病人需要频繁的更换敷料，这就会导致病人出现二次损伤和剧烈疼痛，还会损伤新生成的皮肤组织，延长糖尿病伤口的愈合周期。
4.姜黄素是一种天然的多酚化合物，成本低廉，具有抗菌、促血管再生、促肉芽组织形成和促胶原蛋白沉积的优势，在用于治疗伤口愈合方面有着很好的疗效。然而姜黄素具有一定的限制性药学作用，口服利用度低。同时，由于姜黄素是一种多酚类化合物，直接涂抹会导致局部的高浓度产生毒性反应。
5.如果能够提供一种同时具有亲水性和缓慢释放姜黄素的敷料将会对加速糖尿病伤口愈合速度、提升伤口修复效果产生重要意义。但是，由于药物在纤维中的释放速度主要由水分的入侵速度决定，亲水性材料水分容易入侵，药物往往在数小时内就能够完全释放，无法达到缓释的效果。因此，提供一种同时具有亲水性和缓慢释放姜黄素的敷料目前还无法实现。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种具有缓释药物的亲水性纤维膜及其制备方法和应用，本发明的纤维膜能够实现药物的缓慢释放，同时还具有亲水性能。
7.本发明提供了一种具有缓释药物的亲水性纤维膜，包括具有核壳结构的纤维，所述纤维的内核包括姜黄素和第一可纺聚合物，外壳包括聚乙二醇和第二可纺聚合物；所述外壳中聚乙二醇和第二可纺聚合物的质量比不高于1:12。
8.优选的，所述第一可纺聚合物和第二可纺聚合物包括醋酸纤维素、聚己内酯、聚乳酸、明胶和尼龙中的一种。
9.优选的，所述内核中姜黄素和第一可纺聚合物的质量比为1：4～18。
10.优选的，所述内核与外壳的质量比为13～21：13。
11.本发明还提供了上述方案所述具有缓释药物的亲水性纤维膜的制备方法，包括以
下步骤：
12.将内核纺丝液与外壳纺丝液进行同轴静电纺丝，得到所述具有缓释药物的亲水性纤维膜；
13.所述内核纺丝液包括姜黄素、第一可纺聚合物和第一挥发性有机溶剂；
14.所述外壳纺丝液包括聚乙二醇、第二可纺聚合物和第二挥发性有机溶剂；所述外壳纺丝液中聚乙二醇和第二可纺聚合物的质量比不高于1：12。
15.优选的，所述同轴静电纺丝还包括采用第三挥发性有机溶剂与内核纺丝液、外壳纺丝液共同进行同轴静电纺丝；进行所述同轴静电纺丝时，由内到外依次为内核纺丝液、外壳纺丝液和第三挥发性有机溶剂。
16.优选的，所述内核纺丝液中姜黄素的浓度为1～3g/l，第一可纺聚合物的浓度为12～18g/l。
17.优选的，所述第一挥发性有机溶剂与第二挥发性有机溶剂为极性混合溶剂；所述第一挥发性有机溶剂与第二挥发性有机溶剂在进行同轴静电纺丝时的速度独立地为0.1～2ml/h。
18.优选的，所述第三挥发性有机溶剂在进行同轴静电纺丝时的速度为0.1～2ml/h。
19.本发明还提供了上述方案所述的具有缓释药物的亲水性纤维膜或上述方案所述制备方法制备的具有缓释药物的亲水性纤维膜在制备伤口敷料中的应用。
20.本发明提供了一种具有缓释药物的亲水性纤维膜，包括具有核壳结构的纤维，所述纤维的内核包括姜黄素和第一可纺聚合物，外壳包括聚乙二醇和第二可纺聚合物；所述外壳中聚乙二醇和第二可纺聚合物的质量比不高于1:12。本发明提供的纤维膜中的纤维为核壳结构，姜黄素在内核，其释放速率取决于水分的入侵速率，水分入侵纤维的速度越快，纤维中姜黄素随水分子扩散作用便能更快的离开纤维基体。外壳为内核的姜黄素提供了一层屏障，阻止了水分的入侵，因此延缓了药物的释放速率，避免了药物在初期形成爆释产生毒性反应；外层中的聚乙二醇为纤维提供了亲水性能，从而使纤维膜在治疗糖尿病伤口时具有强大的吸收渗出液的能力；本发明通过控制外壳中聚乙二醇和可纺聚合物的配比，在确保纤维膜具有亲水性的前提下还能防止纤维膜过于亲水导致内核姜黄素爆释。
21.本发明提供了上述方案所述具有缓释药物的亲水性纤维膜的制备方法，本发明以不可纺的第三挥发性有机溶剂作为最外层，可以延长纺丝液中有机溶剂挥发的时间，使得纤维在制备过程更加稳定和高效。
附图说明
22.图1为本发明实施例所用同轴静电纺丝装置的结构示意图；其中，1为含有外壳纺丝液的注射器；2为含有内核纺丝液的注射器；3为含有第三挥发性有机溶剂的注射器；4为高压静电发生装置；5为接地；6为收集装置；7为注射泵推进装置；8为三级同轴纺丝头；
23.图2为实施例1制备的纤维膜的扫描电镜图；
24.图3为实施例2制备的纤维膜的扫描电镜图；
25.图4为实施例3制备的纤维膜的扫描电镜图；
26.图5为实施例1制备的纤维膜的透射电镜图；
27.图6为实施例1制备的纤维膜的水接触角图；
28.图7为实施例2制备的纤维膜的水接触角图；
29.图8为实施例3制备的纤维膜的水接触角图；
30.图9为实施例1～3制备的纳米纤维膜的溶胀性能图；
31.图10为实施例1～3制备的纳米纤维膜的药物释放图。
具体实施方式
32.本发明提供了一种具有缓释药物的亲水性纤维膜，包括具有核壳结构的纤维，所述纤维的内核包括姜黄素和第一可纺聚合物，外壳包括聚乙二醇和第二可纺聚合物；所述外壳中聚乙二醇和第二可纺聚合物的质量比不高于1:12。
33.在本发明中，所述具有核壳结构的纤维还优选为气泡型核壳结构，所述气泡的成分优选与外壳的成分相同。本发明对于所述气泡的位置没有特殊的限定，具体的，在本发明中，所述串珠可以在内核中，可以在内核和外壳中间。在本发明中，所述气泡型核壳结构更有利于药物的缓释。
34.在本发明中，所述第一可纺聚合物和第二可纺聚合物优选包括醋酸纤维素、聚己内酯、聚乳酸、明胶和尼龙中的一种。在本发明中，所述内核中姜黄素和第一可纺聚合物的质量比优选为1:4～18，更优选为1:5～12，进一步优选为1:8～10。在本发明中，所述外壳中聚乙二醇和第二可纺聚合物的质量比不高于1:12，优选为0.5～0.8:12。所述内核与外壳的质量比优选为13～21：13。所述亲水性纤维膜中的纤维直径优选为210～870nm，更优选为300～810nm，进一步优选为340～710nm。在本发明中，所述外壳的厚度优选为86～140nm，更优选为90～120nm，进一步优选为100～110nm。内核的厚度优选为124～730nm，更优选为210～690nm，进一步优选为240～600nm。
35.本发明提供的纤维膜中的纤维为核壳结构，姜黄素在内核，其释放速率取决于水分的入侵速率，水分入侵纤维的速度越快，纤维中姜黄素随水分子扩散作用便能更快的离开纤维基体。外壳为内核的姜黄素提供了一层屏障，阻止了水分的入侵，因此延缓了药物的释放速率，避免了药物在初期形成爆释产生毒性反应；外层中的聚乙二醇为纤维提供了亲水性能，从而使纤维膜在治疗糖尿病伤口时具有强大的吸收渗出液的能力；本发明通过控制外壳中聚乙二醇和可纺聚合物的配比，在确保纤维膜具有亲水性的前提下还能防止纤维膜过于亲水导致内核姜黄素爆释。
36.本发明还提供了上述方案所述具有缓释药物的亲水性纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
37.将内核纺丝液与外壳纺丝液进行同轴静电纺丝，得到所述具有缓释药物的亲水性纤维膜；
38.所述内核纺丝液包括姜黄素、第一可纺聚合物和第一挥发性有机溶剂；
39.所述外壳纺丝液包括聚乙二醇、第二可纺聚合物和第二挥发性有机溶剂；所述外壳纺丝液中聚乙二醇与第二可纺聚合物质量比不高于1:12。
40.本发明将内核纺丝液与外壳纺丝液进行同轴静电纺丝，得到所述具有缓释药物的亲水性纤维膜。在本发明中，所述第一挥发性有机溶剂优选为极性混合溶剂，所述极性混合溶剂优选为丙酮、乙醇和n-n二甲基乙酰胺的混合溶液、丙酮和乙醇的混合溶液、丙酮和n-n二甲基乙酰胺的混合溶液以及丙酮和甲醇的混合溶液。所述混合溶液中丙酮、乙醇和n-n二
甲基乙酰胺的体积比优选为4：1：1或3：2：1；当所述极性混合溶剂为丙酮和乙醇的混合溶液、丙酮和n-n二甲基乙酰胺的混合溶液以及丙酮和甲醇的混合溶液时，混合溶液中丙酮的体积含量优选为50～99％。在本发明中，所述内核纺丝液中姜黄素的浓度优选为1～3g/l，更优选为2～2.5g/l，第一可纺聚合物的浓度优选为12～18g/l，更优选为15～16g/l。在本发明中，所述内核纺丝液的制备方法优选包括：将姜黄素、第一可纺聚合物和第一挥发性有机溶剂混合，得到所述内核纺丝液。本发明对于所述混合没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方案混合均匀至澄清即可。具体的，在本发明实施例中为恒温水浴锅上60℃磁力搅拌2h。
41.在本发明中，所述外壳纺丝液包括聚乙二醇、第二可纺聚合物和第二挥发性有机溶剂。在本发明中，所述第二挥发性有机溶剂优选同所述第一挥发性有机溶剂一致。在本发明中，所述外壳纺丝液中聚乙二醇的浓度为1g/l，第二可纺聚合物的浓度优选为12g/l。在本发明中，所述外壳纺丝液的制备方法优选包括将姜黄素、第二可纺聚合物和第二挥发性有机溶剂混合，得到所述外壳纺丝液。本发明对于所述混合没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方案混合均匀即可。具体的，在本发明实施例中为恒温水浴锅上60℃磁力搅拌2h。
42.在本发明中，所述同轴静电纺丝时纺丝喷头和收集器之间的距离优选为15～20cm，更优选为16～18cm。在本发明中，所述同轴静电纺丝的环境湿度优选为30％～60％，更优选为40％～50％，进一步优选为45～48％，温度优选为25～40℃，更优选为30～35℃。所述同轴静电纺丝的电压优选为10～11kv，更优选为10.5～10.8kv。本发明优选当同轴静电纺丝的纺丝喷头处液滴逐渐成型且稳定后缓慢地将同轴静电纺丝电压升高至10～11kv，待整个静电纺丝过程稳定后，更换新的收集器，开始收集纳米纤维。本发明对于所述收集器没有特殊的限定，选用本领域技术人员熟知的即可。具体的，在本发明实施例中，所述收集器为铝箔。
43.在本发明中，进行所述同轴静电纺丝前优选将内核纺丝液与外壳纺丝液分别装入到两个注射器中后放置在两个推进泵上。在本发明中，所述内核纺丝液体与外壳纺丝液在进行同轴静电纺丝时的速度优选独立地为0.1～2ml/h，更优选0.5～1.5ml/h，进一步优选为1～1.2ml/h。在本发明中，含有内核纺丝液的注射器优选横向放置并通过硅胶软管连接纺丝头，含有外壳纺丝液的注射器优选竖直摆放并直接连接纺丝头。进行同轴静电纺丝时内核纺丝液和外壳纺丝液同时从喷头喷出。在推力泵的作用下，内核纺丝液和外壳纺丝液在同轴纺丝头处聚集。随后在高压静电作用下，聚集的溶液被拉伸成丝，内核纺丝液、外壳纺丝液中的有机溶剂快速挥发，同时第一可纺聚合物和姜黄素、第二可纺聚合物和聚乙二醇被迅速拉伸，形成具有核壳结构的纤维。其中，姜黄素被存放在纤维的核层，壳层为亲水层，壳层成分为第二可纺聚合物和聚乙二醇。亲水壳层不仅为纳米纤维提供了亲水性，作为伤口敷料时提供强大的吸收渗出液的能力；同时外壳中适量的聚乙二醇也能够以屏障的形式阻止姜黄素的前期快速释放。
44.在本发明，所述同轴静电纺丝优选还包括采用第三挥发性有机溶剂与内核纺丝液、外壳纺丝液共同进行同轴静电纺丝。进行所述同轴静电纺丝时，由内到外优选依次为内核纺丝液、外壳纺丝液和第三挥发性有机溶剂。所述第三挥发性有机溶剂优选同所述第一挥发性有机溶剂一致。本发明以不可纺的第三挥发性有机溶剂作为最外层，可以延长纺丝
液中有机溶剂挥发的时间，从而使得纤维在制备过程更加稳定和高效，避免纤维断裂。在本发明中，所述同轴静电纺丝所用的喷头优选为三级同轴纺丝头。
45.当含有第三挥发性有机溶剂，本发明进行所述同轴静电纺丝前优选将内核纺丝液、外壳纺丝液和第三挥发性有机溶剂分别装入到三个注射器中后放置在三个推进泵上。在本发明中，所述第三挥发性有机溶剂在进行同轴静电纺丝时的速度优选为0.1～2ml/h，更优选0.5～1.5ml/h，进一步优选为1～1.2ml/h。在本发明中，含有内核纺丝液的注射器和含有第三挥发性有机溶剂的注射器优选横向放置并通过硅胶软管连接纺丝头，含有外壳纺丝液的注射器优选竖直摆放并直接连接纺丝头。进行同轴静电纺丝时内核纺丝液、外壳纺丝液和第三挥发性有机溶剂同时从喷头喷出。在推力泵的作用下，内核纺丝液、外壳纺丝液和第三挥发性有机溶剂在三级同轴纺丝头处聚集。随后在高压静电作用下，聚集的溶液被拉伸成丝，内核纺丝液、外壳纺丝液和第三挥发性有机溶剂的有机溶剂快速挥发，同时第一可纺聚合物和姜黄素、第二可纺聚合物和聚乙二醇被迅速拉伸，形成具有核壳结构的纤维。
46.本发明对于同轴静电纺丝的装置没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的装置即可。具体的，在本发明实施例中，采用图1所述的装置。图1中，1为含有外壳纺丝液的注射器；2为含有内核纺丝液的注射器；3为含有第三挥发性有机溶剂的注射器；4为高压静电发生装置；5为接地；6为收集装置；7为注射泵推进装置；8为三级同轴纺丝头。
47.本发明还提供了上述方案所述的具有缓释药物的亲水性纤维膜或上述方案所述制备方法制备的具有缓释药物的亲水性纤维膜制备伤口敷料的应用，优选作为制备糖尿病伤口敷料使用。
48.为了进一步说明本发明，下面结合附图和实施例对本发明提供的具有缓释药物的亲水性纤维膜及其制备方法和应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
49.实施例1
50.称量0.72g醋酸纤维素和0.12g姜黄素到30ml的透明玻璃瓶中，用移液枪吸取6ml混合溶剂溶液到该玻璃瓶中，混合溶剂为丙酮、乙醇和n-n二甲基乙酰胺(体积比4：1：1)，里面加入一个磁转子后拧紧瓶盖，放到恒温水浴锅上60℃搅拌2h可获得澄清的内核纺丝液。其中，内核纺丝液中醋酸纤维素的浓度为12g/l和姜黄素的浓度为2g/l。
51.称量0.72g醋酸纤维素和0.06g聚乙二醇置于6ml上述混合溶剂中，在恒温水浴锅上60℃搅拌2h可获得外壳纺丝液。其中，外壳纺丝液中醋酸纤维素的浓度为12g/l和聚乙二醇的浓度为1g/l；
52.用移液枪取4ml丙酮、1ml乙醇和1mln-n二甲基乙酰胺到30ml透明玻璃瓶中，摇晃均匀后即得第三挥发性有机溶剂。
53.设置纺丝环境，湿度为45％，温度设置为35℃。多流体纺丝装置如图1所示，先将内核纺丝液、外壳纺丝液和第三挥发性有机溶剂分别装入塑料注射器中，并将其固定在注射泵推进装置7上，其中含有外壳纺丝液的塑料注射器竖直摆放在位置1并直接和三级同轴纺丝头8相联，内核纺丝液和第三挥发性有机溶剂分别放置在位置2、3后通过软管和三级同轴纺丝头8相联。铝箔纸6接地5处理，随后设置三级同轴纺丝头8和铝箔纸接收装置6之间的距离为15cm，即可开始多流体静电纺丝过程。
54.内核纺丝液体、外壳纺丝液与第三挥发性有机溶剂分别以1.0ml/h的速度进行同
轴静电纺丝。当内核纺丝液体、外壳纺丝液与第三挥发性有机溶剂均稳定从三级同轴纺丝头8处流出后，开启高压静电发生装置，将电压缓慢调至10kv。多流体静电纺丝过程持续一段时间后就可得到纤维膜。其中，纤维中所述外壳中聚乙二醇和醋酸纤维素的质量比为1:12。
55.对实施例1制备得到的纤维膜进行电镜分析，结果如图2所示。由图2可知，实施例1制备得到的纤维直径为340～710nm，并且纤维均呈圆柱形形貌，此外还带有一定数量的串珠。
56.对实施例1制备的纤维进行透射电镜分析，结果如图5所示。由图5可知，实施例1制备纤维为核壳结构，并且纤维内部“椭圆形”部分对应了图2中纤维串珠处的内部结构。这是因为静电纺丝过程的电场对纺丝液的不完全拉伸产生了这种独特的“气泡型”核壳结构，气泡型的核壳结构更有利于药物的缓释。
57.实施例1纤维的外壳厚度为100～110nm，内核厚度为240～600nm。
58.对比例1
59.与实施例1不同的仅是：聚乙二醇的质量为0.18g(外壳纺丝液中聚乙二醇的浓度为3g/l)，同轴静电纺丝的电压为10.5kv。
60.将对比例1制备得到的纤维膜进行电镜分析，结果如图3所示。由图3可知，对比例1制备得到的纤维直径为300～810nm，并且纤维均呈圆柱形形貌，此外还带有一定数量的串珠。对比例1纤维的外壳厚度为90～120nm，内核厚度为210～690nm。
61.对比例2
62.与实施例1不同的仅是：聚乙二醇的质量为0.36g(外壳纺丝液中聚乙二醇的浓度为6g/l)，同轴静电纺丝的电压为11kv。
63.将对比例2制备得到的纤维膜进行电镜分析，结果如图4所示。由图4可知，对比例2制备得到的纤维直径为210～870nm，并且纤维均呈圆柱形形貌，此外还带有一定数量的串珠。对比例2纤维的外壳厚度为86～140nm，内核厚度为124～730nm。
64.图2～4分别为实施例1、对比例1～2制备的纳米纤维的扫描电镜图，这三种纤维均呈圆柱形形貌，且带有一定数量的串珠。
65.将实施例1、对比例1～2制备的纤维膜裁剪成20mm
×
60mm的矩形，随后使用界面张力测试仪器进行水接触角测试，重复测量3次，计算得到平均值及标准差，结果如图6～8所示，图6～8对应的结果见表2。
66.表2实施例1、对比例1～2纤维膜的亲水性能测试结果
[0067][0068][0069]
由图5～7和表2可知，实施例1、对比例1～2制备的纳米纤维均具有良好的亲水性，尤其是对比例1～2制备的纳米纤维膜，他们的亲水性能比实施例1效果更好。
[0070]
分别将0.02g实施例1、对比例1～2制备的纤维放置在500mlpbs缓冲液中，每隔一定时间取出纤维并称重，根据纤维在吸水后的质量变化评估纤维的溶胀性能，重复测量质量变化3次，计算得到平均值及标准差，结果如图9所示，图9对应的结果见3。其中，图9中的a、b和c分别代表实施例1、对比例1～2制备的纤维。
[0071]
表3实施例1、对比例1～2纤维膜的溶胀性能结果
[0072][0073]
由图9及表3可知，三种纤维的溶胀性能相差不大，均具有良好的吸收伤口渗出液
的潜力。
[0074]
根据2015版中国药典的浆法实验对实施例1、对比例1～2制备的纤维进行，重复测试3次，计算得到平均值及标准差，结果如图10所示，图10对应的结果见表4。
[0075]
表4实施例1、对比例1～2纤维膜的药物释放性能结果
[0076]
药物释放率实施例1对比例1对比例20h0％0％0％0.5h8.72％
±
0.51％21.40％
±
1.54％22.06％
±
3.59％1h10.45％
±
1.31％24.91％
±
0.85％27.01％
±
1.84％2h14.49％
±
1.94％34.05％
±
1.00％40.57％
±
3.74％4h25.69％
±
2.53％49.64％
±
1.22％53.21％
±
7.25％8h41.25％
±
10.19％73.51％
±
3.66％78.98％
±
7.05％12h54.78％
±
16.25％84.89％
±
2.13％83.32％
±
6.19％24h70.25％
±
14.52％85.75％
±
3.10％82.97％
±
6.28％36h76.20％
±
10.88％84.56％
±
2.93％82.38％
±
6.47％48h79.21％
±
8.45％84.21％
±
3.10％80.76％
±
6.24％60h83.46％
±
6.99％————72h85.52％
±
5.32％————84h87.10％
±
3.71％————96h87.54％
±
2.98％————
[0077]
由图10及表4可知，实施例1的纤维膜药物释放具有明显的缓释效果，而对比例1～2的纤维膜则对药物的缓释没有特别大的帮助，这是因为材料过于亲水，会加速药物的释放。因此实施例1所制备的纳米纤维是本次发明中具有缓释药物的亲水性糖尿病伤口敷料的优选例，具有良好的吸收渗出液和缓释药物的能力，二者的协同作用有望加速糖尿病伤口的愈合。
[0078]
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。