一种具有亲水性内核和疏水性外壳的可降解纳米纤维膜材料及其制备方法

技术领域

本发明属于医用生物材料技术领域，具体涉及一种具有亲水性内核和疏水性外壳的可降解纳米纤维膜材料及其制备方法。

背景技术

纳米纤维具有比表面积大、孔隙率高等特点，在药物缓释、组织工程等生物医学领域得到广泛应用。具有良好生物相容性和生物降解性的纳米纤维与机体细胞外基质相似，可以避免排异反应，比较适合用作药物缓释载体。聚乳酸-羟基乙酸共聚物是一种生物相容性好、可生物降解的高分子聚合物，其降解产物是二氧化碳和水，可被机体降解吸收且对机体无不良反应；聚乳酸-羟基乙酸共聚物保留了乳酸的刚性、疏水性、延伸性以及降解缓慢等特性，同时具有羟基乙酸降解较快的特性，改变乳酸和羟基乙酸单体的比例、聚合物分子量、浓度以及末端基团可以调节聚乳酸-羟基乙酸共聚物的性质从而改变其载药率、包封率和释药行为。

与传统的载药材料相比，具有核壳结构的纳米纤维（CSF），可以将药物包封在纤维内部，既能很好包封药物，保持药物活性，同时由于壳层材料保护，可以有效调控内部所包覆药物的缓慢释放，避免突释现象，降低药物的毒副作用。在核壳结构纳米纤维药物缓释研究和应用中，装载或释放的药物类型较多，包括疏水性药物，如紫杉醇、利福平、心得安、酮洛芬、甲硝唑、潘生丁等；亲水性药物，如阿莫西林、盐酸阿霉素、妥布霉素、地塞米松、氨苄西林等；生物大分子，如多糖、蛋白质、DNA、生长因子等。对于在常规有机溶剂中可溶的药物，可通过直接将药物与高分子材料共溶于有机溶剂中，再制备成纳米纤维膜或胶囊，使得药物得到缓慢释放。公开号为CN111705377A的专利通过以改性壳聚糖为壳、聚乳酸为核制备了一种微孔型核壳结构的可降解纳米纤维，可将药物与核层材料聚乳酸进行共溶，从而应用于药物缓释和伤口敷料等领域，该特殊的微孔结构更有利于细胞的增殖分化和组织长入。而针对水溶性药物缓释材料的研究较少，这主要是因为亲水性药物一般溶于水作为核层参与纺丝，而壳层多为疏水性高聚物溶于有机溶剂作为载体，在纺丝过程中，部分壳层纺丝液在接触核层水溶液时，容易发生相变析出，导致制备困难。

因此，对于载药材料的应用研究，如何使亲水性药物和疏水性药物都能做到药物控释是今后的研究重点。

发明内容

为了制备既可负载亲水性药物又可负载疏水性药物的载药缓释材料，本发明提供一种具有亲水性内核和疏水性外壳的可降解纳米纤维膜材料，同时，提供可降解纳米纤维膜材料的制备方法。

一种具有亲水性内核和疏水性外壳的可降解纳米纤维膜材料具有核壳结构，核层为亲水性的丝胶蛋白和聚乙烯醇复合水凝胶，壳层为具有良好生物相容性和生物降解性的疏水性聚乳酸-羟基乙酸共聚物；

所述可降解纳米纤维膜材料的孔隙率为32%，纳米纤维表面光滑均匀，直径为800~1300nm，核层内径为250~350nm，壳层内径为500~650nm；

所述可降解纳米纤维膜材料具有良好的抑菌效果和生物相容性，适用于创伤敷料、止血材料、药物缓释材料。

一种具有亲水性内核和疏水性外壳的可降解纳米纤维膜材料的制备步骤如下：

（1）提取丝胶蛋白

将20g蚕丝剪成碎片，置于500mL浓度为0.02~0.05mol/L的碳酸钠溶液或去离子水中，在恒温水浴锅内100℃煮沸脱胶1h，离心去除沉淀，得到澄清的丝胶蛋白溶液；将丝胶蛋白溶液倒入透析袋，置于去离子水中进行透析；真空冷冻干燥，得到丝胶蛋白粉末，低温密封保存备用；

（2）制备纺丝核层溶液

称取丝胶蛋白粉末和医用级聚乙烯醇加入去离子水中，于100℃水浴中搅拌至完全溶解，得到浓度为10~30g/L的丝胶蛋白溶液和浓度为80~100g/L的聚乙烯醇溶液混合的核层溶液；

（3）制备纺丝壳层溶液

称取医用级聚乳酸-羟基乙酸共聚物溶于氯仿和N,N-二甲基甲酰胺的混合溶剂中，常温搅拌至完全溶解，得到浓度为100~200g/L的聚乳酸-羟基乙酸共聚物的壳层溶液；

所述混合溶剂按体积比（3~7）:1由氯仿和N,N-二甲基甲酰胺均匀混合制得；

（4）制备核壳结构纳米纤维

量取同等体积的壳层溶液和核层溶液，分别加入同轴静电纺丝装置的两个注射器中，采用铝箔收集器接收，高压电源的正极连接同轴纺丝喷头，负极连接做好接地处理的铝箔收集器，静电纺丝，得到核壳结构纳米纤维膜材料；

（5）制备抑菌涂层

将5g纳米纤维膜材料浸入100mL浓度为0.1~0.5g/L的抑菌溶液中，在25~35℃下浸泡0.5~2h；取出，先在室温下晾干，再通过真空干燥箱45℃干燥24h，得到具有抑菌涂层的可降解纳米纤维膜材料。

进一步的技术方案如下：

步骤（1）中，透析时间为72h，透析期间每隔6h更换一次去离子水；透析袋的截留分子量Mw为8~14kDa。

步骤（1）中，冷冻干燥条件为：先-20℃预冻12h、-80℃冷冻12h，再-80℃真空干燥10h。

步骤（2）中，聚乙烯醇的分子量为80~100kDa。

步骤（3）中，聚乳酸-羟基乙酸共聚物的分子量为100~120kDa，聚乳酸-羟基乙酸共聚物中乳酸与羟基乙酸的摩尔比为75:25或80:20。

步骤（4）中，同轴静电纺丝过程，电压为20~30kV，环境湿度为50±5%，控制核层溶液的温度为60℃，核层溶液的流速为0.2~0.3mL/h，壳层溶液的流速为0.3~0.5mL/h，接收距离为15~20cm，同轴纺丝喷头内针头的内外直径分别为0.4mm、0.6mm，外针头内外直径分别为1.5mm、3mm。

步骤（5）中，所述抑菌溶液由天然植物类抑菌物质制得，所述天然植物类抑菌物质为肉桂醛、甘露醇、姜黄素中的一种，将天然植物类抑菌物质溶解于无水乙醇中，得到浓度为0.1~0.5g/L的抑菌溶液。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果体现在以下方面：

（1）本发明中的丝胶蛋白与聚乙烯醇水溶液能在60℃条件下快速形成水凝胶，纳米纤维的形态、稳定性和力学强度都有所增强，以水为溶剂，无需添加化学交联剂，环保无毒副作用。

（2）本发明通过同轴静电纺丝技术一步即可直接加工出具有核壳结构的复合纳米纤维膜材料，同时利用核层材料水凝胶的性质，实现了亲水性内核和疏水性外壳复合纤维膜材料的制备，所得纤维膜材料的孔隙率为32%，纳米纤维表面光滑均匀，直径为800~1300nm，核层内径为250~350nm，壳层内径为500~650nm。

（3）本发明所制备的核壳结构的纳米纤维膜材料，核层复合水凝胶除了能负载亲水性药物，还能够利用聚乙烯醇的分散助溶作用，负载水凝胶难以负载的疏水性药物，通过壳层材料聚乳酸-羟基乙酸共聚物的缓慢降解与药物的自由扩散，可以实现药物持续释放的效果，在创伤敷料、止血材料、药物缓释等生物医学领域具有突出优势。

（4）本发明所采用的原料均具有良好的生物相容性和稳定性，所制备出的纳米纤维膜材料具有良好的抑菌效果并且无细胞毒性，对亲水性模型蛋白牛血清白蛋白具有较好的缓释效果；本发明所提供的制备方法操作简单、制备速度快、连续性与均匀性好。

附图说明

图1为本发明同轴静电纺丝装置示意图。

图2为本发明实施例1所制备的核壳结构纳米纤维膜的扫描电镜图。

图3为本发明实施例1所制备的纳米纤维中核层纤维、壳层纤维以及核壳纤维的接触角测试图。

图4为本发明实施例4所制备的纳米纤维膜材料载牛血清白蛋白药物的缓释曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

实施例1

一种具有亲水性内核和疏水性外壳的可降解纳米纤维膜材料的制备步骤如下：

（1）提取丝胶蛋白

称取20g蚕丝剪成1cm

（2）制备纺丝核层溶液

称取20g丝胶蛋白粉末和80g分子量为90kDa的医用级聚乙烯醇加入1L的去离子水中，100℃水浴中搅拌至完全溶解，得到浓度为20g/L的丝胶蛋白溶液和浓度为80g/L的聚乙烯醇溶液混合的核层溶液。

（3）制备纺丝壳层溶液

称取100g分子量为120kDa的聚乳酸-羟基乙酸共聚物（乳酸与羟基乙酸摩尔比为75:25）溶于800mL氯仿和200mL N,N-二甲基甲酰胺的混合溶剂中（体积比为4:1），常温搅拌至完全溶解，得到浓度为100g/L的聚乳酸-羟基乙酸共聚物的壳层溶液。

（4）制备核壳结构纳米纤维

参见图1，量取20mL壳层溶液和20mL核层溶液，分别加入同轴静电纺丝装置的两个注射器中，电压设置为25kV，控制核层溶液的温度为60℃，核层溶液的流速为0.2mL/h，壳层溶液的流速为0.3mL/h，铝箔收集器接收距离为15cm，高压电源的正极连接同轴纺丝喷头，负极连接做好接地处理的铝箔接收器，进行静电纺丝，得到核壳结构纳米纤维材料。

同轴纺丝喷头内针头的内外直径分别为0.4mm、0.6mm，外针头内外直径分别为1.5mm、3mm。

（5）制备抑菌涂层

将肉桂醛溶解于无水乙醇中配置成浓度为0.1g/L的抑菌液，于100mL抑菌液中加入5g纳米纤维膜材料，25℃下浸泡2h，过滤取出；先在室温下晾干，再通过真空干燥箱45℃干燥24h，得到具有抑菌涂层的可降解纳米纤维膜材料。

参见图2中的（a），为本实施例1所制备的纳米纤维膜的扫描电镜图，纳米纤维膜的孔隙率为32%，纤维表面光滑均匀，没有串珠或纺锤结构出现，直径为800~1300nm；参见图2中的（b），为该纳米纤维的横切面扫描电镜图，显示了纤维的核壳结构，核层内径为250~350nm，壳层内径为500~650nm。

参见图3，分别对本实施例1所制备的纳米纤维中核层纤维、壳层纤维以及核壳纤维进行接触角测试，从结果可知，核层纤维是亲水的（接触角<90°），而壳层纤维是疏水的（接触角>90°），由于壳层是核壳结构纳米纤维膜的外层，因此核壳纤维显示出与壳层纤维相同的接触角值。

实施例2

一种具有亲水性内核和疏水性外壳的可降解纳米纤维膜材料的制备步骤如下：

（1）提取丝胶蛋白

称取20g蚕丝剪成1cm

（2）制备纺丝核层溶液

称取30g丝胶蛋白粉末和90g分子量为100kDa的医用级聚乙烯醇加入1L的去离子水中，100℃水浴中搅拌至完全溶解，得到浓度为30g/L的丝胶蛋白溶液和浓度为90g/L的聚乙烯醇溶液混合的核层溶液。

（3）制备纺丝壳层溶液

称取150g分子量为110kDa的聚乳酸-羟基乙酸共聚物（乳酸与羟基乙酸摩尔比为75:25）溶于750mL氯仿和250mL N,N-二甲基甲酰胺的混合溶剂中（体积比为3:1），常温搅拌至完全溶解，得到浓度为150g/L的聚乳酸-羟基乙酸共聚物的壳层溶液。

（4）制备核壳结构纳米纤维

参见图1，量取20mL壳层溶液和20mL核层溶液，分别加入同轴静电纺丝装置的两个注射器中，电压设置为20kV，控制核层溶液的温度为60℃，核层溶液的流速为0.3mL/h，壳层溶液的流速为0.5mL/h，铝箔收集器接收距离为20cm，高压电源的正极连接同轴纺丝喷头，负极连接做好接地处理的铝箔接收器，进行静电纺丝，得到核壳结构纳米纤维材料。

同轴纺丝喷头内针头的内外直径分别为0.4mm、0.6mm，外针头内外直径分别为1.5mm、3mm。

（5）制备抑菌涂层

将甘露醇溶解于无水乙醇中配置成浓度为0.2g/L的抑菌液，于100mL抑菌液中加入5g纳米纤维膜材料，30℃下浸泡1.5h，过滤取出；先在室温下晾干，再通过真空干燥箱45℃干燥24h，得到具有抑菌涂层的可降解纳米纤维膜材料。

实施例3

一种具有亲水性内核和疏水性外壳的可降解纳米纤维膜材料的制备步骤如下：

（1）提取丝胶蛋白

称取20g蚕丝剪成1cm

（2）制备纺丝核层溶液

称取10g丝胶蛋白粉末和100g分子量为80kDa的医用级聚乙烯醇加入1L的去离子水中，100℃水浴中搅拌至完全溶解，得到浓度为10g/L的丝胶蛋白溶液和浓度为100g/L的聚乙烯醇溶液混合的核层溶液。

（3）制备纺丝壳层溶液

称取200g分子量为100kDa的聚乳酸-羟基乙酸共聚物（乳酸与羟基乙酸摩尔比为80:20）溶于875mL氯仿和125mL N,N-二甲基甲酰胺的混合溶剂中（体积比为7:1），常温搅拌至完全溶解，得到浓度为200g/L的聚乳酸-羟基乙酸共聚物的壳层溶液。

（4）制备核壳结构纳米纤维

参见图1，量取20mL壳层溶液和20mL核层溶液，分别加入同轴静电纺丝装置的两个注射器中，电压设置为30kV，控制核层溶液的温度为60℃，核层溶液的流速为0.25mL/h，壳层溶液的流速为0.4mL/h，铝箔收集器接收距离为18cm，高压电源的正极连接同轴纺丝喷头，负极连接做好接地处理的铝箔接收器，进行静电纺丝，得到核壳结构纳米纤维材料。

同轴纺丝喷头内针头的内外直径分别为0.4mm、0.6mm，外针头内外直径分别为1.5mm、3mm。

（5）制备抑菌涂层

将姜黄素溶解于无水乙醇中配置成浓度为0.5g/L的抑菌液，于100mL抑菌液中加入5g纳米纤维膜材料，35℃下浸泡0.5h，过滤取出；先在室温下晾干，再通过真空干燥箱45℃干燥24h，得到具有抑菌涂层的可降解纳米纤维膜材料。

实施例4

载药纳米纤维的制备步骤同实施例1，不同之处在于，步骤（2）中常温下加入牛血清白蛋白粉末，制成包含浓度为1g/L的牛血清白蛋白的混合的核层溶液。

性能测试

1、抑菌性测试：

采用滤纸片实验，研究实施例1~3所制得的纳米纤维膜材料对3种细菌（金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和绿脓杆菌）的抑菌效果。

将100μL的菌液均匀涂布在培养基表面，无菌镊子夹取已灭菌的6mm滤纸片放在对应培养基上；取10mg纳米纤维膜材料均匀分散在滤纸片上，丙酮作为对照，静置10min，放置于培养箱中37℃培养24h。每组做3个平行，用游标卡尺测量其抑菌圈直径，测试结果记录为表1。

表1

通过表1测试结果可知，本发明所制备的一种具有亲水性内核和疏水性外壳的可降解纳米纤维膜材料具有良好的抑菌效果。

2、体外细胞毒性测试：

采用XTT法，研究实施例1~3所制得的纳米纤维膜材料的体外细胞毒性。

样品浸提液的制备：称取实施例1~3所制得的纳米纤维膜材料，浸提比为0.2g/mL，浸提液为10%胎牛血清细胞培养液，置于37℃浸提24h；空白对照品溶液为10%胎牛血清细胞培养液，阴性对照品溶液为高密度聚乙烯浸提液，阳性对照品溶液为5%二甲基亚砜。

在96孔板中每孔加入100μL密度为1×10

表2

通过表2测试结果可知，本发明所制备的一种具有亲水性内核和疏水性外壳的可降解纳米纤维材料具有良好的生物相容性（≥97%的细胞相对增殖度），无细胞毒性。

3、牛血清白蛋白药物缓释效果测试：

取20mg实施例4所制备的载药纳米纤维膜材料装入盛有2mL PH=7.4的磷酸缓冲盐溶液的小瓶中，重复三次；将小瓶置于37℃水平恒温震荡培养箱(频率为60r/min)；每隔1小时将2ml的磷酸缓冲盐溶液全部取出，更换新的磷酸缓冲盐溶液；将取出的磷酸缓冲盐溶液用二喹啉甲酸(BCA)蛋白浓度测定试剂盒测定溶液中牛血清白蛋白的浓度，用紫外分光光度计测定在562nm处吸光值，并对应标准曲线计算出溶液中牛血清白蛋白含量。释放曲线参见图4，可以看出牛血清白蛋白的释放行为在前一周内呈现出缓慢匀速释放的趋势，累积释放率达到了87.7%，约两周时间释放完毕，释放药物量达到载药量的95.5%。该结果表明，本发明所制备的可降解纳米纤维膜材料对牛血清白蛋白这种亲水性药物有较好的缓释效果。牛血清白蛋白作为一种模型蛋白，在核壳纳米纤维中的释放行为对于其他蛋白类物质如生长因子、酶、多肽类物质等的释放具有指导意义。

本领域的技术人员容易理解，以上实施例1-3仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。