通过凝胶状水包油型乳液静电纺丝制备的具有核壳结构纳米纤维及方法

摘要

本发明公开了一种通过凝胶状水包油型乳液静电纺丝制备具有核壳结构纳米纤维的方法，包括以下步骤：(1)将亲水胶体溶解于溶剂中，得到水相溶液；(2)将含有疏水性活性物质的油相溶液加入到所述水相溶液中，混合均匀，得到凝胶状水包油型乳液；(3)将所述凝胶状水包油型乳液静电纺丝，得到具有核壳结构纳米纤维。本发明还公开了上述制备方法制备的具有核壳结构纳米纤维。该具有核壳结构纳米纤维以亲水型的胶体为壳，具有较好的生物相容性和生物可降解性；以亲油型的油相为核，适用于疏水性活性物质的包载。

说明书

技术领域

本发明涉及高分子材料技术领域，尤其涉及一种通过凝胶状水包油型乳液静电纺丝制备的具有核壳结构纳米纤维及方法。

背景技术

静电纺丝技术是聚合物溶液或熔体在高压静电作用下克服表面张力，在喷丝口形成泰勒(Taylor)锥，并高速喷射出聚合物射流，经力学拉伸和溶剂挥发，而固化形成纳米纤维结构的一种构建技术。静电纺丝纤维材料具有比表面积大、纤维连续性好、纤维膜孔径小、孔隙率高等优点，能够明显增强与细胞/组织的相互作用，影响细胞的胞吞、粘附、迁移、分化等生物学行为，也可以作为药物载体来提高药物的稳定性及控制药物释放的行为，展现出优越的特性和巨大的发展潜力。

其中，乳液静电纺丝是一种能够一步制备出具有核壳结构纳米纤维的技术方法。一般情况下，乳液静电纺丝液主要是利用油包水型的两相分散体系，在乳液中形成外部的聚合物有机溶液连续相与内部的药物水溶液分散相，同时使用两亲性质的乳化剂促进外相与内相之间的相互作用进而形成稳定的乳液，通过该方法制得的载药纳米纤维可有效解决负载药物的突释问题，提高了纳米纤维对负载物质的缓释、控释能力。授权公开号为CN103572508A的中国发明专利给出了《乳液电纺法制备可生物降解聚合物纳米纤维膜》，其特点是聚合物溶液经乳化后代替原本的均一、澄清的溶液进行电纺来制备聚合物纳米纤维膜。但是，由于乳液中起稳定作用的小分子表面活性剂通常具有生物毒性，这将很大程度上限制了此类聚合物纳米纤维膜在生物医药领域的应用。授权公开号为CN104947229A的中国发明专利给出了《一种通过Pickering乳液静电纺丝制备核壳结构载药纳米纤维的方法》，其特点是使用具有两亲性的改性纳米粒子作为乳化剂制备Pickering乳液，继而电纺制得具有核壳结构的载药纳米纤维。但是上述专利方法选用的药物载体材料均属于合成高分子材料，其存在着由于过高的疏水性粘附大量非特异性蛋白而造成外层胶原纤维化囊的形成，缺乏细胞的粘附位点与生物功能性而导致体内长期植入后修复效果不理想，以及部分聚合物降解后产物影响体内局部微环境等生物相容性问题，此外油包水型的乳液体系不适用于对疏水性药物的负载。

发明内容

本发明提供一种通过凝胶状水包油型乳液静电纺丝制备具有核壳结构纳米纤维的方法，制备的具有核壳结构纳米纤维特别适用于对疏水性活性物质的包载。

本发明提供了如下技术方案：

一种通过凝胶状水包油型乳液静电纺丝制备具有核壳结构纳米纤维的方法，包括以下步骤：

(1)将亲水胶体溶解于溶剂中，得到水相溶液；

(2)将含有疏水性活性物质的油相溶液加入到所述水相溶液中，混合均匀，得到凝胶状水包油型乳液；

(3)将所述凝胶状水包油型乳液静电纺丝，得到具有核壳结构纳米纤维。

本发明所采用的亲水胶体为可水化形成黏稠均相液且具有乳化稳定功能的亲水胶体，一方面能够提供静电纺丝所必需的粘度，另一方面能通过增加水相黏度以阻止或减弱分散的油滴发生迁移和聚合倾向来起到稳定乳液的作用。使用自身具有乳化作用的亲水胶体构建的乳液无需再添加任何乳化剂，水包油型乳液可用于疏水性活性物质的负载，电纺出的纤维具有良好的细胞粘附性，在组织工程、愈伤修复等生物医学领域中有着广阔的应用前景。

优选的，所述水相溶液中，亲水胶体的质量分数为5～25％。

亲水胶体的浓度对静电纺丝液的黏度有着较大的影响。亲水胶体质量分数过大时，静电纺丝过程因溶液黏度过大而无法顺利进行；亲水胶体质量分数过小，则纺丝液中分子间缠结不够或没有缠结，导致射流无法有效抵抗电场力的作用而发生断裂。

优选的，所述的亲水胶体为明胶、阿拉伯胶、罗望子胶、盖提胶、松胶、卡拉胶、葡聚糖、普鲁兰糖、酪蛋白酸钠和羧甲基纤维素钠中的至少一种。

上述亲水胶体为天然高分子，具有较好的生物相容性和生物可降解性，为食品级高分子，使制得的具有核壳结构的纳米纤维具有较好的使用安全性。

步骤(1)中，所述的溶剂为水或C2-C4短链酸水溶液。可根据亲水胶体具体选择合适的水相。

优选的，所述亲水胶体为罗望子胶、盖提胶或羧甲基纤维素钠，所述的溶剂为水；水相溶液中，亲水胶体的质量分数为5～20％。

所述的亲水胶体为明胶，所述的溶剂为乙酸水溶液；水相溶液中，亲水胶体的质量分数为20～25％。

优选的，油相溶液与水相溶液的体积比为0.2～0.6∶1。

油相比例对凝胶状乳液的稳定性有着较大的影响。油相比例过大，会造成乳滴间发生融合，乳液粒径增加，甚至可能伴有油析的现象。油相比例过小，则会导致纤维载油量较低，从而影响纳米纤维对疏水性药物的负载量。

进一步优选的，油相溶液与水相溶液的体积比为0.2～0.4∶1。

油相溶液与水相溶液的体积比为0.2～0.4∶1时，乳液稳定，纺丝的纤维载油量较高。

所述的油相溶液为含有疏水性活性物质的食用油；所述的食用油为玉米油、花生油、大豆油、菜籽油、葵花籽油和稻米油中的至少一种。

使用食物油作为疏水性活性物质的载体，保证了制备的纳米纤维具有较好的生物相容性和安全性。

油相溶液中，疏水性活性物质的质量分数为0.25～0.5％。

所述的疏水性活性物质为姜黄素、槲皮素、水飞蓟素、喜树碱、维生素A、维生素D、维生素E和维生素K中的至少一种。

步骤(2)中，将油相溶液与水相溶液混合均匀的方法为：先以6000～10000rpm的转速剪切2～4min，再以200～250W的功率超声3～5min。

优选的，步骤(3)中，静电纺丝的电场强度为1.5～2.5kV/cm，接收距离为10～15cm，凝胶状水包油型乳液流速为0.25～0.5ml/h。

本发明还公开了上述方法制备得到的具有核壳结构纳米纤维；该具有核壳结构纳米纤维可用于疏水性活性物质的包载。

优选的，具有核壳结构纳米纤维的直径为180～1000nm。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)利用具有乳化作用的亲水胶体自身来稳定乳液，无需添加任何表面活性剂作为乳化剂，且可通过调整油水相体积比来调控凝胶状乳液的稳定性；

(2)将凝胶状乳液通过静电纺丝技术一步制备出具有核壳结构的纳米纤维；

(3)制备的具有核壳结构纳米纤维以亲水型的胶体为壳，具有较好的生物相容性和生物可降解性；以亲油型的油相为核，适用于疏水性活性物质的包载；

(4)壳层材料和核层材料均为食品级，具有良好的生物相容性及使用安全性，且都是生物可降解材料；

(5)本发明的具有核壳结构纳米纤维的制备工艺简单，条件温和，成本低，适于工业生产。

附图说明

图1为实施例1制备的具有核壳结构纳米纤维的扫描电镜图；

图2为实施例1制备的具有核壳结构纳米纤维的透射电镜图；

图3为实施例2制备的具有核壳结构纳米纤维的扫描电镜图；

图4为实施例3制备的具有核壳结构纳米纤维的扫描电镜图；

图5为实施例4制备的具有核壳结构纳米纤维的扫描电镜图；

图6为实施例5制备的具有核壳结构纳米纤维的扫描电镜图；

图7为实施例6制备的具有核壳结构纳米纤维的扫描电镜图；

图8为对比例1制备的纳米纤维的扫描电镜图。

具体实施方式

实施例1

将2.5g明胶溶于10mL的40％的乙酸溶液中，磁力搅拌至完全溶解，在磁力搅拌条件下将2mL玉米油加入至明胶乙酸溶液中，接着以6000rpm的转速高速剪切2min，再以250W的功率超声3min，得到混合均一的凝胶状水包油型乳液。

利用静电纺丝装置进行纺丝，静电纺丝注射器规格为2.5mL，针头为平头，20G。电压为15kV，流速0.5mL/h，距离10cm，采用转鼓接收，完成后得到具有核壳结构的凝胶状水包油型乳液电纺纳米纤维。

如图1所示，珠状结构随机分布在纳米纤维上，纤维直径约为180～250nm。纤维具有核壳结构，如图2所示。

实施例2

将2.5g明胶溶于10mL的40％的乙酸溶液中，磁力搅拌至完全溶解，在磁力搅拌条件下将4mL玉米油加入至明胶乙酸溶液中，接着以6000rpm的转速高速剪切2min，再以250W的功率超声3min，得到混合均一的凝胶状水包油型乳液。

利用静电纺丝装置进行纺丝，静电纺丝注射器规格为2.5mL，针头为平头，20G。电压为15kV，流速0.5mL/h，距离10cm，采用转鼓接收，完成后得到具有核壳结构的凝胶状水包油型乳液电纺纳米纤维。

如图3所示，随油相比例增加，纤维直径增加至210～330nm，纤维的载油量提高。

实施例3

将2.5g明胶溶于10mL的40％的乙酸溶液中，磁力搅拌至完全溶解，在磁力搅拌条件下将6mL玉米油加入至明胶乙酸溶液中，接着以6000rpm的转速高速剪切2min，再以250W的功率超声3min，然后再加入5mL 25％的阿拉伯胶水溶液，调节pH至3.5，混合均匀后得到凝胶状水包油型乳液。利用静电纺丝装置进行纺丝，静电纺丝注射器规格为2.5mL，针头为平头，20G。电压为15kV，流速0.5mL/h，距离10cm，采用转鼓接收，完成后得到凝胶状水包油型乳液电纺纳米纤维。

如图4所示，纤维趋于均匀，直径约为410～770nm。

实施例4

将1.5g盖提胶溶于10mL的水中，磁力搅拌至完全溶解，在磁力搅拌条件下将含有0.5％姜黄素的4mL大豆油加入至盖提胶水溶液中。

其他操作同实施例1。

如图5所示，纤维具有核壳结构，核壳结构随机分布在纳米纤维上，制备得到的电纺纳米纤维直径约为230～610nm。

实施例5

将1.0g罗望子胶溶于10mL的水中，磁力搅拌至完全溶解，在磁力搅拌条件下将含有0.5％喜树碱的2mL花生油加入至罗望子胶水溶液中。

其他操作同实施例1。

如图6所示，纤维具有核壳结构，核壳结构随机分布在纳米纤维上，制备得到的电纺纳米纤维直径约为190～540nm。

实施例6

将1.0g羧甲基纤维素钠溶于10mL的水中，磁力搅拌至完全溶解，在磁力搅拌条件下将含有0.5％维生素A的2mL葵花籽油加入至羧甲基纤维素钠水溶液中。

其他操作同实施例1。

如图7所示，纤维具有核壳结构，核壳结构随机分布在纳米纤维上，制备得到的电纺纳米纤维直径约为180～520nm。

对比例1

将2.5g明胶溶于10mL的40％的乙酸溶液中，磁力搅拌至完全溶解，得到明胶纺丝液。利用静电纺丝装置进行纺丝，静电纺丝注射器规格为2.5mL，针头为平头，20G。电压为15kV，流速0.5mL/h，距离10cm，采用转鼓接收，完成后得到明胶纳米纤维。

如图8所示，明胶纳米纤维均一、纤细，纤维直径为150～180nm，并未出现珠状结构。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。