富含黑种草籽油的聚(ε-己内酯)-普鲁兰纳米纤维垫，在药物递送等生物医学应用中具有潜力

《Journal of Drug Delivery Science and Technology》：Black seed oil-loaded poly(ε-caprolactone)-pullulan nanofiber mat for potential biomedical applications in drug delivery

静电纺丝制备的聚己内酯/ pullulan-黑籽油纳米纤维膜在药物控释和生物医学应用中表现优异，通过调整PCL/PUL比例（1:1、1:2、1:3）系统研究了其水合性、降解行为及药物释放特性。研究发现1:2比例膜具有最佳平衡性能，兼具适中机械强度和 prolonged药物释放，黑籽油显著改善材料亲水性及降解效率，且经DSC和TGA分析证实其热稳定性和化学相容性。

　　

Cansu Aras Gul | Bilgen Osman | R. Gozde Ozalp | Sunay Omeroglu | Ferda Ari | Ozgen Isik | Esra Karaca

布尔萨乌卢达格大学工程学院纺织工程系，土耳其布尔萨市戈鲁克勒

摘要

本研究报道了制备和表征了含有黑种草油（PCL/PUL-BSO）的聚己内酯/普鲁兰纳米纤维垫，以探索其在生物医学领域的应用潜力。通过静电纺丝法制备了不同PCL/PUL比例（1:1、1:2和1:3）的PCL/PUL-BSO纳米纤维垫，并系统地研究了其形态、物理化学性质、膨胀性、降解性、热稳定性和药物释放行为。PCL含量的增加提高了材料的亲水性、膨胀率和降解速率，这主要归因于聚合物基质中水吸收量的增加以及分子间相互作用的减弱。黑种草油的加入显著影响了纳米纤维垫的性能。药物释放实验表明，不同PCL/PUL比例下的释放曲线各具特点：1:1比例的纳米纤维垫表现出持续的低剂量释放（44天内释放53.9±3.3%）；1:2比例的纳米纤维垫在初始阶段有明显的释放峰值（6小时内释放23.9±2.8%），随后释放持续（44天内释放63.4±5.0%）；而1:3比例的纳米纤维垫则表现出快速且高程度的药物释放（44天内释放87.2±2.1%）。直径为409±53纳米的PCL/PUL-BSO纳米纤维垫在膨胀性和降解性方面表现出良好的平衡，使其适用于中期的生物医学应用。差示扫描量热法（DSC）和热重分析（TGA）证实了黑种草油与聚合物基质的相容性以及其在灭菌条件下的热稳定性。因此，黑种草油的加入使得纳米纤维垫具有优异的亲水性、孔隙率、渗透性和机械强度，为其在生物医学领域的应用带来了巨大潜力。

引言

工程科学的最新进展为现代医学和组织工程提供了创新解决方案，为解决现有问题提供了新的方法。这些进展促进了更有效和更先进的生物材料在医学应用中的使用，包括各种疾病的治疗、组织修复和器官再生[1]。在这方面，由生物相容性、可生物降解和不可生物降解的聚合物材料与生物活性成分结合而成的生物材料支持了细胞和组织的功能[2]。

近年来，纳米纤维在生物医学工程中受到了广泛关注，因为它们具有多种潜在的应用前景。纳米纤维独特的性质，如高表面积、小纤维直径和多孔结构，使其能够模拟人体细胞外基质（ECM），为细胞黏附、增殖和分化提供了理想的微环境[3]。它们非常适合用于关键医学领域，如组织工程[4,5]、伤口愈合[6,7]、药物输送系统[8,9]和生物传感器[10,11]。此外，由可生物降解和生物相容性聚合物制成的纳米纤维具有显著优势，例如能够安全地植入体内[12,13]并促进组织再生[14,15]。通过混合疏水性和亲水性聚合物，还可以制备出具有独特性能的纳米纤维[15]。 静电纺丝技术可以用于合成聚合物、天然聚合物或其组合的纳米纤维制备，从而为不同应用提供了材料选择的灵活性。特别是聚合物的组合可以生成单一聚合物无法实现的纳米纤维，从而增强纳米纤维表面的关键性能，如机械耐久性、生物相容性和可控的药物释放[16]。尽管如此，设计和制备具有最佳机械、生物和亲水性能的纳米纤维生物材料仍然是一个挑战。开发能够与宿主组织无缝结合的生物相容性和可生物降解的纳米纤维生物材料对于修复受损组织至关重要，同时需要尽量减少感染风险。目前的研究重点是将生物活性成分整合到这些材料中，以改善其愈合和治疗效果[17]。 聚己内酯（PCL）是一种可生物降解且疏水的脂肪族聚酯，广泛用于生物材料领域。由于其可生物降解和生物相容性的特性，PCL在组织工程、再生医学、药物输送系统和伤口敷料中具有巨大应用潜力[18,19]。PCL纳米纤维的高表面积与体积比和多孔结构有助于实现治疗剂的控释，从而减少副作用并增强治疗效果[20,21]。此外，多孔结构还提高了药物的装载能力，便于生物活性分子的掺入[22]。然而，由于其疏水性，PCL的降解速率较慢，在某些应用中可能会带来不利影响。基于PCL的载体存在封装效率低、药物释放过快、生物利用度有限和特定治疗剂生物活性降低等问题。虽然在需要缓慢降解和持续释放的应用中这些特性具有优势，但在需要快速有效治疗的情况下则可能成为限制[23,24]。此外，PCL的疏水性限制了细胞的充分黏附和增殖，这对支架的成功应用至关重要。因此，人们将PCL与胶原蛋白、明胶等生物活性和亲水性聚合物结合使用，以提供天然的结合位点，从而改善细胞黏附、增殖和支架的整体性能[25,26]。 亲水性和生物相容性的多糖（如普鲁兰（PUL）被添加到不同聚合物中，以制备复合材料纳米纤维，从而提高材料的机械性能（如拉伸强度和弹性），同时保持其生物相容性和亲水性[27-31]。PUL是一种亲水、生物相容且可生物降解的多糖，通过Aureobasidium pullulans真菌的发酵产生[32]。其独特的物理化学性质（如无毒、血液相容性和非免疫原性）使其非常适合用于纳米纤维生物材料[33]。由于其水溶性、可生物降解性和易于功能化，PUL纳米纤维为组织愈合、药物输送和组织工程等多种生物医学应用提供了多功能平台[34,35]。最近的研究探讨了将PUL掺入各种聚合物支架（如PCL）中，以改善其物理化学性质和生物性能[34,35]。Fathi-Karkan等人[27]旨在开发基于聚氨酯（PU）-PCL-PUL复合材料的血管支架，并评估PUL掺入对支架物理机械性能和体外内皮化能力的影响。由PU-PCL-PUL聚合物混合物制成的纳米纤维表面具有与天然组织相似的生物相容性和可生物降解性，同时具备柔韧性和耐用性等机械性能。Dalgic等人的研究[36]使用共静电纺丝法制备了用于骨组织工程的含有疏水性聚（羟基丁酸-羟基戊酸）（PHBV）/PCL和亲水性PUL纳米纤维的支架，并加入了硅藻壳（一种天然二氧化硅材料）以减少与细胞的直接接触。PUL纳米纤维的存在提高了支架的整体亲水性，改善了细胞分布的均匀性。这些研究突显了PUL在提升由疏水性聚合物制成的复合纳米纤维支架的生物和物理化学性能方面的潜力。

为了增强纳米纤维生物材料的疗效和功能性，研究人员将生物活性化合物（如芦荟、姜黄素和各种精油）掺入其中。这些纳米纤维支架被用于抗肿瘤、抗氧化、抗菌、抗炎和伤口愈合等治疗应用[37,38]。Nigella sativa（俗称“黑种草”）是一种富含精油的植物，在传统医学中有着悠久的应用历史，因其多种治疗作用而受到重视[39]。黑种草油（BSO）的治疗效果主要归功于其中丰富的生物活性成分。其主要活性成分是姜黄酮，这是一种具有良好抗炎、抗氧化和抗癌作用的植物化学物质[40]。其他重要成分包括尼格隆、p-芹烯和亚油酸、油酸等脂肪酸[41,42]。 本研究的主要目标是开发一种含有黑种草油的PCL/PUL纳米纤维垫（PCL/PUL-BSO），作为一种潜在的生物材料用于药物输送，以实现更可控的降解和治疗效果。通过加入亲水性聚合物PUL来改变化学性质和药物释放特性，同时将黑种草油作为生物活性成分。虽然PCL因其对治疗剂的渗透性而被广泛用于药物输送，但其缓慢的降解速率（由于疏水性）限制了其在短期应用中的效果。为了解决这一问题，将PUL直接整合到PCL纳米纤维中，并详细研究了不同PUL含量对PCL/PUL-BSO纳米纤维垫的降解速率、膨胀行为和药物释放曲线的影响。对PCL/PUL-BSO纳米纤维的化学、热、形态和物理性质进行了表征。最终开发出一种具有高表面积、可控药物释放能力和较短降解时间的纳米纤维生物材料，适用于生物医学应用。

材料

PCL的数平均分子量为80,000 g/mol，购自Sigma Aldrich公司。PUL的分子量范围为300,000–400,000 g/mol，由Nagase Viita有限公司慷慨提供。作为溶剂的甲酸（FA）购自Carlo Erba Reagents公司。冷压处理的黑种草油购自Talya Bitkisel ürünler（土耳其安塔利亚）。二水合磷酸二钠（Na?HPO?·2H?O）、磷酸二氢钾（KH?PO?）、氯化钠（NaCl）和氯化钾（KCl）也分别购自相应供应商。

PCL/PUL-BSO纳米纤维的形态、化学和物理特性

本研究的主要目标是开发含有黑种草油的PCL/PUL纳米纤维垫，以实现更可控的降解和治疗效果。PCL因其对治疗剂的渗透性而被广泛用于药物输送，但其疏水性导致降解速率较慢，限制了其在短期应用中的适用性。为了解决这一问题，直接将PUL掺入PCL中

结论

本研究详细制备并表征了含有黑种草油的PCL/PUL纳米纤维垫。研究了PUL含量对PCL/PUL纳米纤维的物理化学、形态和降解性能的影响，并进一步评估了黑种草油的添加效果。PUL含量的增加提高了材料的亲水性、膨胀率和降解速率，但同时降低了结晶度和热稳定性，原因是破坏了分子间的相互作用。

资助

本研究得到了布尔萨乌卢达格大学科学研究委员会的财政支持（项目编号：FGA-2023-1268）。

作者贡献声明

Cansu Aras Gul：研究、方法论设计。 Bilgen Osman：概念构思、方法论设计、初稿撰写。 R. Gozde Ozalp：数据管理、数据分析。 Sunay Omeroglu：数据管理、数据分析。 Ferda Ari：数据管理、数据分析。 Ozgen Isik：数据管理、数据分析。 Esra Karaca：概念构思、资金获取、项目管理、监督、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢布尔萨乌卢达格大学科学研究委员会对本研究项目（项目编号：FGA-2023-1268）的财政支持。