医用多孔支架材料的制备及缓释性能分析
时间：2023-06-04 16:15:22 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
王 培，牛丽丽，李静宇，耿红梅
（衡水学院应用化学系，河北 衡水 053000）
随着对组织工程研究的深入［1⁃2］，各类生物支架材料方面研究也越来越得到广大研究者重视［3⁃4］。其中，PCL属于合成高分子材料，易加工、具有优异的生物相容性、可吸收且降解速率和强度可调节，成为生物支架材料的理想之选。在结构方面，生物支架材料需为细胞迁移、分化、增殖，即组织再生提供空间，以引导组织的修复或重建［5⁃6］，因此，在结构上需要具有适宜的孔隙率。
在人体内放置生物支架的手术后，会出现一定比例的术后感染，这已成为临床上必须解决的问题。而在支架材料上负载药物，可以起到术后减少或避免致病性感染的作用，同时还可对组织修复起到积极作用。CUR是1种天然产物，毒性低、副作用小，具有抗炎、抗癌、抗氧化等作用，这使其在医药方面的应用和研究越来越受到广泛关注［7⁃8］，现阶段已制备出了CUR纳米晶胶囊、CUR纳米颗粒等并进行了体内外评价［9⁃10］，尤其是CUR在肿瘤预防和治疗方面表现出很好的应用前景［11⁃12］。因此，本论文尝试选用CUR作为药物模型，制备负载CUR的支架材料，拓宽CUR在组织工程领域的应用范围、同时为该类支架材料在组织工程领域的潜在应用提供参考，以期“天然药物+可降解医用聚合物”组合模式在组织工程领域深入发展。
1.1 主要原料
PCL，CAPA⁃6800，瑞典Perstorp公司；
CUR，优级纯，上海博湖生物科技有限公司；
冰醋酸，分析纯，天津市大茂化学试剂厂；
壳聚糖，生化试剂，天津市大茂化学试剂厂；
磷酸盐（PBS）缓冲溶液，99.5%，上海伊卡生化试剂厂。
1.2 主要设备及仪器
SEM，SU8000，日本日立公司；
TG，TGA4000，美国PerkinElmer公司；
可见分光光度计，722G，上海仪电分析仪器有限公司；
超声波清洗机，KQ⁃200KDE，昆明市超声波仪器有限公司；
恒温水浴锅，HW.SY11⁃K122，北京市长风仪器仪表公司；
电子天平，NVL5D11B，奥豪斯（常州）有限公司。
1.3 样品制备
将适量PCL、CUR和壳聚糖溶于冰醋酸中，超声溶解4 h至全溶后，加入戊二醛并摇匀，多次水洗后45℃干燥过夜，制得多孔支架。
1.4 性能测试及结构表征
形貌分析：试样放入液氮中冷却30 s，取出脆断，进行喷金处理，然后采用SEM表征支架材料的形貌；
热重分析：采用TG分析，称取5～8 mg试样，以氮气为保护气体，流速为50 mL/min，升温速率为10℃/min，升温范围为30～550℃；
孔隙率测定：用比重瓶法测量材料的孔隙率，将支架质量设定为m0（单位为g）；
比重瓶装满蒸馏水25℃恒温至少10 min，测量质量为m1（单位为g）；
支架浸入蒸馏水后，25℃恒温至少10 min后，排出多余蒸馏水后质量为m2（单位为g）；
将支架材料从蒸馏水中取出，剩余比重瓶及蒸馏水质量为m3（单位为g）；
25℃下蒸馏水密度为ρ（单位为g/mL）；
支架体积V支（单位为 mL）=（m1+m0-m2）/ρ，支架孔体积V孔（单位为mL）=（m2-m3-m0）/ρ，孔隙率ε（单位为%）=V孔×100%/（V支+V孔）=（m2-m3-m0）×100%/（m1-m3）。
载药量测定：（1）标准曲线的绘制；
称取50 mg CUR溶于乙醇⁃PBS缓冲液（pH=7.4，乙醇含量30%）中，稀释至 100 mL；
分别取 0.50、1.00、2.00、3.00、4.00、5.00 mL溶液，稀释至50 mL，取适量溶液在426 nm处测定吸光度，得到CUR溶液的浓度（X，g/L）与吸光度（Y）的标准曲线Y=8.076 9X-0.007 4；
（2）载药量测定；
称取适量支架材料溶于乙醇中，溶解充分后用缓冲溶液稀释，在426 nm处测吸光度，再通过标准曲线方程计算CUR的浓度，载药量（z，%）按式（1）计算：
式中a——溶解出的CUR的质量，g
b——溶解前支架材料质量，g
体外缓释测试：称取适量PCL⁃CUR支架材料，置于一定体积PBS（pH=7.4）模拟体液中，37℃恒温，在426 nm处测定吸光度，再通过标准曲线计算CUR浓度，平行测定3组样品取平均值，计算累计释药量。
2.1 支架材料形貌分析
图1 PCL浓度为10%、CUR在支架材料中质量分数为2%、壳聚糖在支架材料中质量分数为2.86%的支架材料的SEM照片。图1（a）中可明显看到CUR药物颗粒附着在具有孔洞结构的骨架上。如图1（b）～（c）所示，在不同比例尺下较清晰观察到材料的孔洞结构，表明本实验制备的支架材料成功负载上了CUR且有明显孔洞。
图1 PCL⁃CUR支架的SEM照片Fig.1 SEM images of PCL⁃CUR scaffold
2.2 热重分析
如图2所示，300～350℃时支架材料开始失重，PCL浓度和壳聚糖含量一定时，随着CUR含量从1%到2%，最大失重温度几乎没有变化，都在393℃附近，这说明CUR含量对热稳定性几乎没有影响。PCL浓度和CUR含量均相同时，壳聚糖含量从2.86%到5.71%时，最大质量损失温度从393℃降到387℃，这可能是因为孔隙率的增大会降低材料的力学性能和稳定性，从而导致热稳定性降低。壳聚糖含量为2.86%、CUR含量为2%，PCL浓度由8%到10%时，最大质量损失温度从395℃变化到393℃，热稳定性有降低趋势，同时可发现PCL浓度对热稳定性的影响不如壳聚糖含量变化大。
图2 样品的DTG曲线Fig.2 DTG curves of the samples
2.3 孔隙率分析
如表1所示，其他组分不变而PCL浓度由8%增大到10%时，材料孔隙率由96.42%降低到95.33%，这是因为当PCL浓度增大时溶液黏度增大，材料致密度增大。其他组分不变，随着CUR含量由1%增大到2%孔隙率也稍有下降，这是因为CUR填充了部分孔隙，使孔隙率降低。其他组分不变，壳聚糖含量为零时，支架也存在一定孔隙率，但孔隙率很低（19.09%），这可能是因为溶剂蒸发导致材料有一定的孔隙率。当壳聚糖含量为2.86%时，孔隙率为95.07%；
当壳聚糖含量为5.71%时，孔隙率为98.07%。可见壳聚糖在体系中对材料孔隙结构有显著影响，且随壳聚糖含量的增加孔隙率增大，这是可能因为CS在混合过程中占据更大空间，当材料干燥后吸水溶胀的壳聚糖脱水收缩，其原来占有的体积形成了孔隙，故而支架孔隙率更大。从而可以发现，壳聚糖含量对材料的孔隙率影响最大。
表1 支架材料的孔隙率Tab.1 Porosities of the scaffold materials
2.4 载药量的影响因素分析
2.4.1 CUR含量对支架载药量的影响
如图3所示，其他组分一定时，随着CUR含量增加，载药量有明显增加趋势，这是因为只有CUR投药量大支架才能有更多CUR可以负载。但随着CUR含量超过2%，支架材料载药量变化不大，这可能是由于支架材料负载的CUR达到饱和。
图3 CUR含量对支架载药量的影响Fig.3 Effect of CUR content on drug loading capacity of the scaffold
2.4.2 壳聚糖含量对支架载药量的影响
从图4中可见，载药量误差较小，实验数据可信度高。PCL浓度、CUR含量一定时，随壳聚糖含量从1.43%增加到2.86%，载药量显著上升，这可能是因为孔隙率随之变大，与CUR接触的表面积变大，进而可以负载更多的CUR药物。壳聚糖含量超过2.86%后，载药量变化不明显，因此本实验的其他配方采用壳聚糖含量为2.86%。
图4 壳聚糖含量对支架载药量的影响Fig.4 Effect of chitosan content on drug loading capacity of the scaffold
2.5 体外药物缓释影响因素分析
在30%乙醇PBS溶液（pH=7.4）的释放介质中，药物释放率如图5和图6所示。支架药物缓释中的存在2个阶段，第一阶段为前60 h，存在一定的突释现象，药物释放较快；
第二阶段为60～90 h，曲线趋向平缓，药物释放减慢。这是因为支架外表面的药品最先和缓冲液接触，比较易于释放，而缓冲液不易进入支架内部故而药物在后期释放减慢。
图5 CUR含量对药物累计缓释率的影响Fig.5 Effect of CUR content on cumulative drug release rate
图6 药物累计释放率与壳聚糖含量的关系Fig.6 Relationship between cumulative drug release rate and chitosan content
2.5.1 CUR含量
通过图5可以看出，CUR含量对药物缓释性能有显著影响，随着CUR含量的增加，药物的累积释放率增大而且释放速率也更快。当CUR含量为1%时，药物的释放速率相对于其他试样来说比较平稳缓慢，缓释性能最好。当CUR含量为2%、3%时释放速率相对于1%有明显加快，这是因为随着CUR添加量的增加，载药量增加，药物与缓冲液接触面积增大会使CUR的释放速率逐渐增大，同时累积释放率也得到了明显的提高。
2.5.2 PCL浓度及壳聚糖含量
从图7中我们可以发现，随着PCL浓度降低，药物的累积释放率和释放速率有增大趋势，这是因为PCL浓度降低，材料的致密度降低、孔隙率增大，导致CUR药物颗粒的束缚减小，向外扩散溶出的量增大。如图6所示，随壳聚糖含量的增加药物的累积释放率和释放速率均有所增大，这是因为随着壳聚糖含量增加，体系交联结构增多，可能导致材料孔隙率变大，表现为CUR药物在体系的累计释放率有增大趋势。同时也可以发现，PCL浓度在4%～10%变化时，90 h的累计释放率从76.2%到80.5%变化，对支架材料的缓释性影响不显著。壳聚糖含量在1.43%～8.57%变化时，90 h的累计释放率从76.2%到85.1%，跨度更大，表现出对缓释性具有更明显的影响，如图6所示。这可能是因为壳聚糖含量相对PCL浓度对支架材料孔隙率影响更大，这一结果与表1所示的孔隙率影响因素分析保持了一致性，也为调整体系的缓释性能提供了新策略。
图7 药物累计释放率与PCL浓度的关系Fig.7 Relationship between cumulative drug release rate and PCL concentration
2.6 体外释药模型分析
通过上述因素分析发现PCL在醋酸中浓度为10%、CUR在支架材料中含量为2%、壳聚糖在支架材料中含量为2.86%时，载药量和缓释性最佳。因此，该体系释药模型以此配方为例进行体外释药模型拟合。根据《中国药典》第二部分［13］进行了3种拟合，如表2所示。该体系的释药模型采用origin软件进行拟合，如图8～10所示。以R2数值判断，1级模型拟合后的R2数值最接近1，因此该体系的释药行为接近1级方程，即释药方程为Mt=84.42（1-e-0.03t），其中Mt为t时间（单位为s）的累计释放率，单位为%，拟合度为R2=0.996 6，表明该体系的CUR药物释放以扩散为主［14］，药物释放的扩散机制是指药物和载体间以物理方式结合，通过扩散的方式到达指定部位而发挥药效［15］。
表2 体外释药模型Tab.2 In vitro drug release model
图8 零级模型拟合结果Fig.8 Zero⁃order model fitting results
图9 Higuchi模型拟合结果Fig.9 Higuchi model fitting results
图10 1级模型拟合结果Fig.10 One⁃order model fitting results
（1）CUR和壳聚糖的含量对PCL⁃CUR多孔支架材料的缓释性能具有较明显的影响，因此在制备该类材料时，可通过调节CUR、壳聚糖含量来调控药物释放性能；
根据释药模型拟合研究表明，该体系接近1级释药模型，以扩散为主，同时可根据拟合方程直观观察释放量的变化趋势，为后续临床应用提供参考；
（2）该类支架材料距离应用于临床还有很多工作需深入开展，如大量动物模型实验需完成、支架材料结构的精确控制等，但随着人们对健康生活的重视和生物医疗器械的迅猛发展，可预见具有抗菌性的PCL⁃CUR类多孔支架材料在药物缓释和组织工程领域具有光明的应用前景。
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