乳液电纺制备微囊型聚己内酯纳米纤维及其封装蛋白性能

doi:10.7503/cjcu20230199

摘要/Abstract

摘要：

采用油包水乳液, 通过静电纺丝法制备了微囊型聚己内酯(PCL)纳米纤维作为封装蛋白的载体. 采用超声乳化的方式, 研究了水添加量、乳化剂浓度和水相添加剂对乳液形貌的影响, 最佳乳液形成条件为纺丝液与水相体积比为9∶1, 在10%(质量分数)PCL溶液中添加30%(质量分数)表面活性剂泊洛沙姆Pluronic^® F108, 在水相中添加甘油和多巴胺，该条件下可获得长时间稳定的高分子乳液并应用于载酶纳米纤维的制备. 通过扫描电子显微镜和孔径分布表征等研究了微囊型纳米纤维的特性. 结果表明, 纳米纤维的比表面积为31.784 m²/g, 内部微囊泡孔径集中分布在1.06 µm, 牛血清白蛋白(BSA)负载量可达12.89 mg/g, 封装BSA的纳米纤维4 h的蛋白释放率仅为10.03%, 蛋白的固定化率高达89.97%; 通过激光共聚焦显微镜观察荧光标记的BSA进一步验证了蛋白封装在纳米纤维内部的微囊泡结构中. 本文采用乳液电纺制备的与传统中空/核壳结构不同的微囊型纳米纤维材料在固定化酶、生物催化等领域有很大的应用前景.

关键词: 静电纺丝, 纳米纤维, 油包水乳液, 微囊泡, 封装蛋白

Abstract:

The microcapsular polycaprolactone（PCL） nanofibers were prepared by water-in-oil emulsion electrospinning as the carrier for protein encapsulation. The effects of ultrasonic emulsification， water addition amount， surfactant concentration and aqueous phase additives on the morphology of microcapsules in emulsion were investigated. The optimal preparative conditions to achieve the long-term stable polymer emulsion for nanofiber membrane are as follows： the dosage of amphiphilic triblock copolymer（Pluronic^® F108） as surfactant was 30%（mass fraction） in 10%（mass fraction） PCL spinning liquid， the oil-to-water volume ratio was 9∶1 and the aqueous phase was added extra glycerol and dopamine as additives. The properties of nanofibers were characterized by scanning electron microscopy， pore size distribution determination， etc. The results showed that the surface area of nanofiber was 31.784 m²/g， the internal microcapsule size distributed around 1.06 µm， and the load of bovine serum albumin（BSA） could reach 12.89 mg/g. Further， the release behavior of encapsulated BSA in nanofiber was studied. When the aqueous phase additives were added， the release rate of BSA was lower to 10.03% after 4 h by Coomassie blue staining test. The immobilization rate of protein was as high as 89.97%. In addition， the fluorescent labeled BSA was observed to be concentrated in the internal microcapsular structures of nanofiber verified by confocal laser scanning microscopy. The above characterization and analysis showed that a novel microcapsular structure of nanofiber for protein encapsulation was fabricated by emulsion electrospinning， which is different from the conventional hollow/core-shell structure and has a greater prospect of application in enzyme immobilization and biocatalysis.

Key words: Electrospinning, Nanofiber, Water-in-oil emulsion, Microcapsule, Encapsulated protein

中图分类号:

O648.2

TrendMD:

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图/表 8

Fig.1 SEM images of emulsion after lyophilization(A, B) and statistical distribution of microcapsule diameter(C, D)（A， C） Vortex mixer；（B， D） ultrasonic cell breaker.

Fig.2 SEM images of the emulsions prepared with different addition amounts of waterVolume fraction of H2O：（A） 10%；（B） 20%；（C） 30%.

Fig.3 SEM images of the emulsions prepared with different addition amounts of Pluronic® F108 emulsifierMass fraction of Pluronic® F108：（A） 10%；（B） 20%；（C） 30%.

Fig.4 SEM images of the emulsions prepared with different water phase additives（A） 20%（volume fraction） Gly；（B） 2 mg/mL DA；（C） 20%（volume fraction） Gly+2 mg/mL DA.

Fig.5 SEM images(A, C, D) of nanofiber membranes prepared by emulsion electrospinning and statistical distribution of nanofiber diameter from (A)(B)（A—C） Water phase without Gly and DA as additives；（D） water phase with 20%（volume fraction） Gly+2 mg/mL DA as additives.

Fig.6 Pore diameter distribution curves by N2 adsorption⁃desorption test(A, B) and mercury intrusion porosimeter(C, D)（A， C） Emulsion；（B， D） nanofiber membrane.

Fig.7 CLSM images of nanofiber membrane of different sites with red fluorescent labeled BSA（A， D， G） Bright field images for observing the nanofiber morphology；（B， E， H） dark field images for indicating the red fluorescent labeled BSA；（C， F， I） merged images for validating the location of BSA within the microcapsules of nanofiber. White arrows indicate the microcapsular structures in nanofiber； white circles indicate the core-shell structure caused by demulsification and phase separation.

Fig.8 Protein release rate curves of nanofiber membranea. Water phase without Gly and DA as additives； b. water phase with 20%（volume fraction） Gly+ 2 mg/mL DA as additives.

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