李孟軒， 王 瑞， 劉 星， 丁艷然(1.天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387； 2.天津工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387)

微膠囊是一種能夠包覆和保護(hù)某些物質(zhì)的具有核殼結(jié)構(gòu)的半透性或密封性的微米級(jí)“容器”[1]，其直徑一般為 1～1 000 μm。在藥物緩釋方面，微膠囊既可作為藥物載體單獨(dú)使用[2-3]，也可通過后整理與紡織材料相結(jié)合制成一些具有抗菌和保健功能的紡織復(fù)合材料使用。根據(jù)壁材、芯材的特性，藥物芯材的緩釋機(jī)制可分為擴(kuò)散控制、溶蝕控制、溶脹控制和滲透壓控制4種類型[4]。對(duì)于大多數(shù)微膠囊來說，藥物芯材的釋放不一定只遵循單一的緩釋機(jī)制，還可能是由幾種釋放機(jī)制共同控制進(jìn)行的。Korsmeyer等[5]在Zero-order模型、First-order模型和Higuchi模型的基礎(chǔ)[6]上建立了Korsmeyer-Peppas經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚7]，可通過釋放參數(shù)n的取值來判別微膠囊中藥物的釋放機(jī)制：當(dāng)n≤0.45時(shí)，藥物釋放以菲克擴(kuò)散為主；當(dāng)0.450.89時(shí)，則以溶蝕為主。

老鸛草(GWM)是我國藥典收載的一種中草藥，具有抗炎、鎮(zhèn)痛、抗病毒等多種功效,常被制作成精油、軟膏和藥浴包等外用制劑用于治療風(fēng)濕痹痛，筋骨麻木，具有很好的治療效果[8]，但此類制劑在使用中存在的施用不便，容易污染衣物的問題，限制了老鸛草的應(yīng)用范圍。目前，國內(nèi)外研究者對(duì)老鸛草的提取方法、化學(xué)成分和各成分的藥理作用進(jìn)行了較為深入的研究[9-10]，但對(duì)于老鸛草緩釋制劑的研究并不多見。

針對(duì)上述問題，本文研究設(shè)計(jì)并制備了一種新型的藥物緩釋紡織復(fù)合材料。采用界面聚合法以聚乙烯醇(PVA)為壁材，以老鸛草提取物為芯材制備緩釋微膠囊，再以水性聚氨酯(PU)為涂層劑通過干法涂層制成。通過對(duì)其緩釋性的測試和評(píng)價(jià)，探討了藥物芯材的緩釋機(jī)制。該復(fù)合材料在受到汗液浸潤的條件下即可實(shí)現(xiàn)藥物的釋放，可作為紡織服裝產(chǎn)品的內(nèi)襯使用，在穿著過程中實(shí)現(xiàn)藥物的緩慢釋放，有效避免多次用藥和污染衣物。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)材料：聚乙烯醇(PVA，分析純，相對(duì)分子質(zhì)量為 1 788±50，成都市科龍化工試劑廠)，戊二醛(25%，天津市大茂化學(xué)試劑廠)，Span-80(化學(xué)純，上海審宇醫(yī)藥化工有限公司)，鹽酸(36%，西安化學(xué)試劑廠)，氫氧化鈉(分析純，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司)，正己烷(分析純，天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司)，老鸛草提取物(10∶1，西安潤雪生物科技有限公司)，水性聚氨酯乳液(PU，PU-2891，廣州譽(yù)恒環(huán)保材料有限公司)，乳化劑辛烷基苯酚-10(OP-10化學(xué)純，天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司)，磷酸鹽緩沖溶液(PBS，pH=6.86，上海虹北試劑有限公司)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：S4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本日立公司)，TENSOR37型傅里葉紅外光譜儀(德國布魯克公司)，STA 449F3型熱重分析儀(德國耐馳公司)，UV2401PC型紫外-可見分光光度儀(日本島津公司)。

1.2 老鸛草微膠囊的制備

將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的老鸛草提取物水溶液3 g與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的聚乙烯醇水溶液3 g混合后加入盛有60 mL正己烷的錐形瓶中，同時(shí)加入0.3 g乳化劑Span-80。隨后在40 ℃水浴中以500 r/min磁力攪拌20 min。然后，升溫至60 ℃，逐滴加入2.5 mL經(jīng)鹽酸酸化的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的戊二醛溶液，在500 r/min 磁力攪拌條件下繼續(xù)反應(yīng)60 min。反應(yīng)結(jié)束后以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的氫氧化鈉溶液和鹽酸調(diào)整反應(yīng)體系pH值至7得到微膠囊懸浮液。微膠囊懸浮液經(jīng)過抽濾，蒸餾水洗滌，室溫干燥24 h即可得到老鸛草微膠囊。

1.3 復(fù)合織物的制備

稱取1.0 g老鸛草微膠囊放入燒杯中，加入0.05 g乳化劑OP-10。向燒杯中加入PU與蒸餾水等質(zhì)量混合的黏合劑，配制成微膠囊質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的涂層整理液。采用干法涂層的方式將整理液涂覆到純棉針織物上，在50 ℃預(yù)烘2 min，80 ℃焙烘5 min制成復(fù)合織物。

1.4 老鸛草微膠囊及復(fù)合織物的測試與表征

1.4.1形貌與粒徑分析

使用導(dǎo)電膠將所制備的老鸛草微膠囊黏附于載物臺(tái)上，表面噴金處理后，使用S-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察，并使用Nanomeasurer粒徑分析軟件對(duì)老鸛草微膠囊SEM照片進(jìn)行粒徑標(biāo)定與測量，統(tǒng)計(jì)微膠囊粒徑分布并求得數(shù)均粒徑，樣本容量為300。

使用導(dǎo)電膠將所制備的復(fù)合織物樣本黏貼于載物臺(tái)上，表面噴金處理后，使用S-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察。

1.4.2紅外光譜表征

為驗(yàn)證微膠囊的包覆效果，分別將老鸛草提取物、空白微膠囊和老鸛草微膠囊與溴化鉀混合壓片后使用TENSOR37型傅里葉紅外光譜儀在4 000～500 cm-1范圍內(nèi)進(jìn)行光譜掃描。

1.4.3熱重分析

為探究老鸛草微膠囊在整理過程中可耐受的最高溫度，使用STA 449F3型熱重分析儀對(duì)老鸛草提取物、老鸛草微膠囊進(jìn)行熱失重測試。測溫區(qū)間為40～600 ℃，升溫速率為10 ℃/min，氣氛為N2，流速為50 mL/min。

1.4.4載藥率測試

取一定量的老鸛草微膠囊，使用瑪瑙研缽研磨20 min后，加入10 mL PBS溶解，定容至25 mL。經(jīng)超聲20 min后，離心，取上清液使用紫外-可見分光光度儀在310.5 nm處測定吸光度。根據(jù)前期試驗(yàn)測定的吸光度-濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算試樣中老鸛草提取物濃度c(式(1))。根據(jù)式(2)計(jì)算老鸛草微膠囊載藥率P。

c=2.36x+0.03 (R2=0.999 3)

(1)

(2)

式中：c為老鸛草提取物濃度，mg/mL；x為吸光度；P為載藥率，%；V為溶出液體積，mL；m為老鸛草微膠囊干態(tài)質(zhì)量，mg。

1.4.5緩釋性能測試及緩釋模型擬合

將2 mg老鸛草微膠囊樣本加入到20 mL PBS中，在36 ℃水浴、100 r/min攪拌速度的條件下進(jìn)行溶出。在溶出過程中按一定的時(shí)間取樣，在1～12 h內(nèi)取樣間隔為1 h，在12～24 h內(nèi)取樣時(shí)間間隔為3 h。每次取樣量為5 mL，取樣完畢后向溶出體系中補(bǔ)充等體積PBS。使用紫外-可見分光光度儀測試各樣本在310.5 nm處的吸光度。各點(diǎn)的累積釋放量Mt按式(3)計(jì)算。各取樣時(shí)間點(diǎn)的累積釋放度Ft按式(4)計(jì)算。使用Korsmeyer-Peppas模型對(duì)釋放度曲線進(jìn)行非線性擬合，求得其釋放參數(shù)，并根據(jù)釋放參數(shù)取值判別其緩釋機(jī)制。

(3)

(4)

式中：Mt為t時(shí)刻老鸛草提取物累積釋放量，mg；V1為溶出液總體積，mL；V2為取樣體積，mL；cn為第n次取樣后溶出液中藥物濃度，mg/mL；Ft為t時(shí)刻的累積釋放度，%；P為老鸛草微膠囊載藥率，%；m為老鸛草微膠囊質(zhì)量，mg；F為累積釋放度%。

1.4.6復(fù)合織物緩釋性能測試

取一定量復(fù)合織物按1.4.5節(jié)所述方式，以PBS為溶出介質(zhì)進(jìn)行24 h釋放實(shí)驗(yàn)，并計(jì)算各時(shí)間點(diǎn)復(fù)合織物中藥物的釋放度。復(fù)合織物的載藥率按照下式計(jì)算：

(5)

式中：Pt為復(fù)合織物的載藥率，%；mw為涂層后復(fù)合織物的濕態(tài)質(zhì)量，g；m0為涂層前織物的質(zhì)量，g；P為微膠囊載藥率，%；cm為涂層劑中微膠囊的含量，%；md為涂層后復(fù)合織物的干態(tài)質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 老鸛草微膠囊的形貌與粒徑分析

老鸛草微膠囊的外觀形貌如圖1所示。由圖1(a)可看出完整的微膠囊表面光滑致密，呈球形，黏連較少。由圖2(b)可看出，老鸛草微膠囊具有明顯的核-殼結(jié)構(gòu)，囊壁較薄。

圖1 老鸛草微膠囊SEM形貌圖(×2 000)Fig.1 SEM images of GWM microcapsule (× 2 000). (a) Intact microcapsules; (b) Broken microcapsule

微膠囊的粒徑分布如圖2所示，從粒徑分析結(jié)果可看出，微膠囊的粒徑在12.1～39.0 μm之間，基本呈正態(tài)分布，平均粒徑為23.9 μm，分布較窄。

圖2 老鸛草微膠囊的粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of GWM microcapsules

2.2 紅外光譜表征

老鸛草提取物、微膠囊和壁材的紅外光譜測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 老鸛草提取物、微膠囊和壁材的紅外光譜圖Fig.3 FTIR spectra of GWM extracts, GWM microcapsules and wall matrials

老鸛草提取物的紅外光譜在 1 167.46、1 027.53 cm-1處出現(xiàn)C—O鍵伸縮振動(dòng)峰，在767.14 cm-1處出現(xiàn)—OH彎曲振動(dòng)峰，表明老鸛草提取物中可能存在多酚類物質(zhì)[11]。在壁材紅外圖譜(圖3(c))中：2 927.78 cm-1處出現(xiàn)的C—H伸縮振動(dòng)峰是由聚乙烯醇碳鏈振動(dòng)引起的；1 719.25 cm-1處出現(xiàn)的C—O鍵伸縮振動(dòng)峰是由聚乙烯醇分子鏈中未參與交聯(lián)反應(yīng)的醇羥基振動(dòng)產(chǎn)生的；在 1 144.38 cm-1處出現(xiàn)的C—O伸縮振動(dòng)峰表明聚乙烯醇大分子與戊二醛發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)形成囊壁[11]。老鸛草微膠囊的紅外圖譜(圖3(b))中 1 144.38 cm-1和1 024.53 cm-1處出現(xiàn)的多酚類C—O伸縮振動(dòng)峰，以及在2 928.87、1 732.96 cm-1處和 1 144.38 cm-1處出現(xiàn)的壁材特征峰，表明老鸛草提取物被成功包覆，也表明芯材和壁材并未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[12]。

2.3 耐熱性測試

熱重分析測試結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯豪消X草提取物在加熱到246 ℃時(shí)開始出現(xiàn)大幅度質(zhì)量損失；而空白微膠囊在加熱到322 ℃開始出現(xiàn)明顯質(zhì)量損失；老鸛草微膠囊在加熱到325 ℃時(shí)才開始出現(xiàn)明顯質(zhì)量損失。相比老鸛草提取物，老鸛草微膠囊耐熱性提高了約32.1%?？瞻孜⒛z囊與老鸛草微膠囊相似的熱力學(xué)曲線也能夠表明老鸛草提取物被成功包覆。由圖中還可看出，老鸛草微膠囊可在325 ℃以下保持穩(wěn)定，這表明微膠囊可以在焙烘過程的高溫[13-14]環(huán)境中對(duì)藥物芯材起到很好的保護(hù)作用，避免藥物流失。

圖4 老鸛草提取物與老鸛草微膠囊熱重分析曲線Fig.4 TG curves of GWM extracts and GWM microcapsules

2.4 載藥和緩釋效果分析

PVA壁材在吸附水蒸氣后，會(huì)發(fā)生一定程度的溶脹，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)會(huì)變得較為松散，使得藥物更容易釋放出來，這種結(jié)構(gòu)的變化會(huì)隨著濕度的增大而愈加明顯[15]。為快速測定老鸛草微膠囊的緩釋性能，測試中使用PBS作為模擬汗液釋放介質(zhì)，在微膠囊被完全浸潤的極限條件下進(jìn)行累計(jì)釋放度測試。

載藥率是表征老鸛草微膠囊緩釋性能的基礎(chǔ)，老鸛草微膠囊的載藥率是按1.4.4測試并按照式(2)計(jì)算的。經(jīng)計(jì)算，老鸛草微膠囊的載藥率約為33.0%，根據(jù)載藥率計(jì)算得到的累積釋放度曲線及其模型擬合曲線如圖5所示?？梢钥闯觯何⒛z囊在完全浸潤的條件下可實(shí)現(xiàn)超過24 h的持續(xù)釋放；釋放初期老鸛草微膠囊中藥物有一定的“突釋”現(xiàn)象[16]，釋放較快，釋放量較大，隨著時(shí)間的推移，單位時(shí)間內(nèi)的釋放量趨于穩(wěn)定，釋放后期因?yàn)槟倚咎幩幬锏臏p少，單位時(shí)間內(nèi)的釋放量也逐漸減少。

圖5 老鸛草微膠囊和復(fù)合織物的釋放度曲線Fig.5 Release degree curves and fitting curves of GWM microcapsules and compound fabric

為判別不同釋放階段的釋放模式，對(duì)不同釋放時(shí)間段老鸛草微膠囊釋放進(jìn)行了模型擬合，擬合結(jié)果如表1所示。可以看出，微膠囊中藥物的釋放主要呈兩相模式進(jìn)行，在最初的3 h內(nèi)藥物釋放較快，此時(shí)的釋放參數(shù)為0.640，介于0.45～0.89之間，因此，釋放主要通過非菲克擴(kuò)散方式進(jìn)行，這說明前3 h內(nèi)老鸛草微膠囊中藥物釋放主要以淺表釋放為主[17]。在儲(chǔ)存于囊心處的藥物通過囊壁向外擴(kuò)散的同時(shí)，混入囊壁中的部分藥物隨著釋放介質(zhì)的不斷浸潤而逐漸釋放出來。3 h以后微膠囊中藥物進(jìn)入緩釋階段，釋放速率有所減緩，擬合模型中的釋放參數(shù)為0.406，小于0.45，說明此時(shí)間段內(nèi)藥物的釋放以菲克擴(kuò)散為主，囊心處的藥物被釋放介質(zhì)溶解后通過囊壁向外緩慢擴(kuò)散。結(jié)合紅外光譜和熱重分析結(jié)果可以表明，老鸛草提取物被成功包覆在微膠囊中并具有較好的緩釋能力。

表1 老鸛草微膠囊各釋放階段模型擬合結(jié)果Tab.1 Fitting results of GWM microcapsules in different periods

2.5 復(fù)合織物的形貌分析

復(fù)合織物的顯微形貌如圖6所示。可以看出，復(fù)合織物上附著有較多的微膠囊，分布較為均勻，從照片中能清晰地看出構(gòu)成織物紗線的纖維結(jié)構(gòu)。這是由于PU黏合劑對(duì)棉織物的浸潤效果較好，部分黏合劑在整理過程中滲入纖維內(nèi)部，所以，成膜較薄，在顯微鏡下可以清晰地看到織物和紗線的結(jié)構(gòu)；但滲入紗線的黏合劑對(duì)紗線和織物內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響較大，使整理后的織物柔軟度和手感有所下降。

圖6 復(fù)合織物的顯微形貌照片(×200)Fig.6 SEM image of compound fabric(×200)

2.6 復(fù)合織物的載藥和緩釋效果分析

經(jīng)計(jì)算，聚氨酯整理復(fù)合織物的載藥率為0.35%。復(fù)合織物的累積釋放度曲線和模型擬合曲線如圖5所示，在24 h的強(qiáng)制釋放時(shí)間內(nèi)，藥物釋放超過70%，具有較明顯的緩釋效果。復(fù)合織物在相同釋放時(shí)間內(nèi)的藥物釋放度低于微膠囊中藥物的釋放度，這說明涂層整理后附著于微膠囊表面的PU黏合劑對(duì)微膠囊中藥物的釋放有一定的阻礙作用。

復(fù)合織物各階段的Korsmeyer-Peppas模型擬合結(jié)果如表2所示。復(fù)合織物的釋放模式與微膠囊相似，但淺表釋放的時(shí)間較微膠囊更長，這說明PU黏合劑對(duì)老鸛草微膠囊也具有一定的滲透效果，滲入囊壁中的PU黏合劑阻塞了囊壁中的一些孔隙，使囊壁更加致密，不利于PBS的浸潤，阻礙了淺表處的藥物溶出，導(dǎo)致淺表釋放時(shí)間延長。

表2 復(fù)合織物各釋放階段模型擬合結(jié)果Tab.2 Fitting results of compound fabric in different periods

3 結(jié) 論

1) 所制備的老鸛草微膠囊表面光滑，平均粒徑為23.9 μm，且分布均勻。微膠囊的載藥率為33.0%，在325 ℃以下保持熱穩(wěn)定，可用于后續(xù)與織物的涂層整理加工。此微膠囊具有較好的緩釋性，在PBS模擬汗液中的釋放遵循非菲克擴(kuò)散規(guī)律。

2) 老鸛草微膠囊與織物復(fù)合后在PBS中的釋放仍遵循非菲克擴(kuò)散規(guī)律，但釋放量有所減少，釋放時(shí)間稍有延長。該微膠囊復(fù)合織物可以用于藥物的承載和緩釋。

FZXB

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