緩釋微球的制備方法

 

緩釋微球是指藥物溶解或分散在高分子材料基質(zhì)中形成的粒徑尺寸大小分布在 5～250 μm 之間的球狀實體，利用緩釋微球開發(fā)新型的給藥系統(tǒng)逐漸成為科學(xué)界及工業(yè)界關(guān)注的焦點，理想的緩釋微球制劑的性質(zhì)由活性物質(zhì)、乳化技術(shù)以及聚合物材料三者共同決定。微球的制備關(guān)鍵在于不僅要保持藥物原有的活性，還需要藥物包封率高、微球粒徑均一、制備工藝重復(fù)性好，因此在制備微球時，不僅要非常了解藥物自身的理化性質(zhì)，還要非常熟悉常用輔料的性質(zhì)及乳化工藝技術(shù)。本文詳細介紹了常見幾種緩釋微球的制備方法和對應(yīng)的工藝設(shè)備。

 

1、緩釋微球制劑的材料選擇

目前微球制劑材料可大體分為兩類:天然來源的聚合物和人工化學(xué)合成的聚合物。天然來源的聚合物價格低廉且來源廣泛，可分為多糖和蛋白質(zhì)類等，如葡聚糖、殼聚糖、海藻酸鹽、淀粉、明膠、白蛋白等，天然來源的聚合物對純化有著較高的要求，當(dāng)作為微球輔料用于大批量生產(chǎn)時較難保持批次間嚴格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。常用的化學(xué)合成聚合物可分為聚酯、聚酸酐、聚磷腈、聚酰胺、聚磷酸酯等，其優(yōu)點是可以通過人為控制聚合制備工藝，來保證藥用輔料級別的質(zhì)量，當(dāng)作為載藥微球的骨架材料時，聚合物材料還可以通過改變黏度及分子量等參數(shù)，靈活地控制載藥微球的降解速度，以調(diào)節(jié)所包埋藥物的釋放速率。另外對聚合物材料或微球表面進行特異性修飾能使微球具有主動靶向性，精準(zhǔn)定位到病灶區(qū)域或改變釋放行為，因此化學(xué)合成的聚合物是微球研究及生產(chǎn)原料的主要來源。

 

2、微球的制備方法

微球的制備方法很多，常用的有乳化—溶劑揮發(fā)法、噴霧干燥法、相分離法、超臨界流體沉積法和熱熔擠出研磨法等，可根據(jù)藥物的性質(zhì)、制備微球的目的選擇合適的方法。

 

2.1乳化溶劑揮發(fā)法

使用 PLGA 作為載體制備微球，乳化—溶劑揮發(fā)方式是最常用的，乳化溶劑揮發(fā)法包括單乳法和復(fù)乳法，適用于親脂性藥物，用水包油（O/W）方法進行制備，具體方法①根據(jù)藥物的物理性質(zhì)選擇相應(yīng)的 PLGA 修飾的末端基團，②選擇合適分子量大小的 PLGA，③通過控制 PLGA 分子量，溶劑的濃度及第一相與第二相的比例及攪拌速率，控制制備的 PLGA 微球。

 

對于不溶于水或水溶性較差的藥物適用單乳法，具體方法是將藥物溶解或混懸于高分子溶液當(dāng)中，然后將得到的混合物分散在與其不相容的含有乳化劑的水相中，不斷攪拌，使溶劑揮發(fā)，得到固體微球。對于難溶于有機溶劑的水溶性藥物適用復(fù)乳法，具體的制備方法：（1）將藥物溶解于水中；（2）將 PLGA 溶于二氯甲烷等有機溶劑；（3）將兩者高速攪拌后得到初乳；（4）將初乳置于外水相中，得到復(fù)乳（即 W/O/W 水包油包水乳濁液）。

 

制備的工藝和設(shè)備：法國VMI公司的實驗室多功能均質(zhì)乳化機Turbotest可以選配多種乳化攪拌工具，處理能力200ml-20L，乳化速度范圍50-3300RPM；其中試和生產(chǎn)規(guī)模乳化設(shè)備的處理能力從50L到1500L可選。

 

2.2噴霧干燥法

噴霧干燥法制備微球的過程是將液體原料噴霧到熱干燥介質(zhì)(空氣、或者氮氣)中，使其轉(zhuǎn)變成干粉的過程，大體可分為三個步驟：①通過霧化器將原料霧化成小液滴；②在與干燥氣體接觸時將液滴干燥；③將干燥的顆粒從干燥介質(zhì)中分離出來。過程中通過選擇不同大小的噴嘴和調(diào)整實驗條件可以制備不同形態(tài)和大小的微球。

 

噴霧干燥制備微球技術(shù)的優(yōu)點：①可用于制備多種藥物微球，特別是具有生物活性的蛋白和多肽類藥物，在制備過程中，活性損失��；②制備過程中無外水相的藥物損失，可達到很高的包封率。缺點：①制得的微球可能黏附在噴霧干燥器的內(nèi)部，造成物料損失；②在制備過程中需要特別注意溫度控制，干燥溫度過高容易使微球變形、聚集、造成熱敏感性藥物失去活性，而干燥溫度過低時溶劑殘較多，對微球粒徑的控制較差。

 

噴霧干燥法因操作比較簡單、包封率高、制得微球粒徑均勻、一步成球等特點，減少了人為操作的誤差，簡化了過程中的滅菌工藝，適合于工業(yè)上大規(guī)模的放大生產(chǎn)，在微球生產(chǎn)制備中的應(yīng)用也越來越多。

 

制備的工藝和設(shè)備：英國Labplant公司的全自動實驗室噴霧干燥機SD-06AG可以提供四種噴嘴0.5、1.0、1.5、2.0mm，適合制備不同大小的微球，能獲得0.1-40微米的球形粉末；獨特設(shè)計的二級旋風(fēng)系統(tǒng)可以捕獲更小的微球，實時繪制實驗過程的進口溫度和出口溫度曲線，防止樣品因溫度波動失去活性；全不銹鋼設(shè)計，滿足藥物GMP的要求。

 

2.3相分離法

相分離法也應(yīng)用廣泛，可以將不同特性的藥物包埋進微球。在載藥微球的制備中，應(yīng)用較為廣泛的是溶劑－非溶劑法，原理是在聚合物的有機溶液中加入第三組分來降低聚合物的溶解度，一個重要的特點是該工藝產(chǎn)生兩個液相(相分離)。在攪拌下向聚合物-藥物-溶劑體系中加入有機非溶劑，該有機非溶劑逐漸地萃取聚合物的溶劑，結(jié)果使聚合物進行相分離，形成非常軟的載藥液滴(可以用攪拌速率控制液滴粒徑)，然后將該系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到另一種有機非溶劑中，使微球固化以得到最終的微球產(chǎn)品。

 

相分離法制備微球優(yōu)點：①只需要標(biāo)準(zhǔn)常規(guī)設(shè)備并且易于分批次制備，不需要在設(shè)備上進行昂貴的投資；②對于親水性藥物成球性好。缺點：①制備過程中使用大量有機溶劑，最終產(chǎn)品中有機溶劑的去除比較困難；②相分離制備的微球容易聚集成團，大規(guī)模生產(chǎn)困難；③相比其他制備方法，微球在親脂性的硬化劑中固化，疏水性可能更強，需要特別關(guān)注分散劑或者表面活性劑的處方開發(fā)；④無菌控制比較困難。

 

制備的工藝和設(shè)備：法國VMI公司的實驗室多功能均質(zhì)乳化機Turbotest選擇合適的攪拌漿很容易完成相分離法的攪拌功能。

 

2.4超臨界流體沉積法

超臨界流體法是將藥物、聚合物和超臨界流體溶液混合均勻后，通過調(diào)整溫度和壓力使整個體系處于飽和狀態(tài)，再通過改變溫度和壓力等，降低整個體系的飽和度，從而使溶質(zhì)從整個體系中析出，實現(xiàn)聚合物對藥物的包裹，形成粒徑均一的微球。超臨界流體沉積法制備工藝條件溫和，微球形成時間短、包封率高、有機溶劑殘留量少，適合熱敏性藥物以及揮發(fā)性藥物微球的制備。

 

2.5熱熔擠出研磨法

熱熔擠出研磨法是將藥物同聚合物或其他輔料進行熔融混合，得到均勻分布原料藥的 PLGA 條塊狀產(chǎn)品，再對此產(chǎn)品進行研磨，得到顆粒狀微球，可通過控制熔融溫度和研磨條件來調(diào)整微球藥物分布狀態(tài)和粒徑大小。

 

熱熔擠出技術(shù)制備微球的優(yōu)點：①制備過程中不需要使用有機溶劑，不會帶來有機溶劑的問題，安全無毒，質(zhì)量優(yōu)良；②產(chǎn)率高，連續(xù)性強，包封率接近 100% 。缺點：①制備過程中有高溫過程，對溫度敏感的蛋白多肽類藥物不能應(yīng)用此方法；②活性藥物成分(API)的質(zhì)量控制更嚴格，需要在制備前預(yù)處理，其直接影響微球的理化性質(zhì)甚至功效。

 

2.6微流控技術(shù)

微流控技術(shù)制備微球的方法是通過微通道生產(chǎn)液滴，利用體積(如注射器泵)或壓力(如壓力容器)的驅(qū)動力將不相溶的連續(xù)相和分散相分別在各自的通道流動，氣體或液體在通道的交匯處相遇，利用連續(xù)相對分散相進行擠壓或剪切作用，促使界面不穩(wěn)定而斷裂，生成分散液滴。微通道可以制備的微球尺寸在10到300μm之間，制作精良的微通道內(nèi)部結(jié)構(gòu)規(guī)整，能夠保證液滴在每一條微通道內(nèi)的微環(huán)境完全相同，在擴大生產(chǎn)規(guī)模時，只需要并行增加數(shù)量或者微反應(yīng)器單元，所有的工藝控制參數(shù)均具有延續(xù)性。并且通過不同參數(shù)輸入到預(yù)先設(shè)計的數(shù)學(xué)模型中，就可以實現(xiàn)對微球粒徑的預(yù)測，從而快速實現(xiàn)釋放行為的優(yōu)化。

 

微流控技術(shù)制備微球的優(yōu)點：①可控尺寸和形態(tài)：通過改變流速可以控制制備微球粒徑，變異系數(shù)(CV)可以控制到小于 2%。由于每個顆粒以相同的方式單獨形成，可以生成粒徑均一的微球。②具有生產(chǎn)多乳劑的能力，在各相通道內(nèi)通入多相互不相溶的溶液使其在微通道內(nèi)依次剪切并乳化，一層一層包覆從而形成分散的多重乳液；③在放大過程中具有高度的重現(xiàn)性。大規(guī)模并行化可以大批量生產(chǎn)，同時保持固定的產(chǎn)品特性；④乳化、聚合和分析的過程容易結(jié)合；⑤系統(tǒng)是封閉的，因此可以消除空氣/氧氣對藥物的降解，同時容易進行無菌生產(chǎn)。缺點：①清洗比較困難；②生產(chǎn)效率還有待提高，以滿足工業(yè)化生產(chǎn)；③預(yù)測液滴直徑的模型較少。

 

2.7 SPG膜乳化法

根據(jù)膜乳化制備過程的成乳原理，膜乳化技術(shù)主要可分為兩大類型：直接(常規(guī)) 膜乳化和快速膜乳化，兩種膜乳化方法在制備粒徑均一的乳液的過程各有優(yōu)勢，適用的乳液粒徑控制范圍不同。直接乳化是將分散相和連續(xù)相分別準(zhǔn)備在不同的容器中，分散相穿過SPG膜利用表面張力產(chǎn)生均勻的乳化液，連續(xù)相要求輕微的流動，乳化液的粒子大小是3-4倍的SPG膜的孔徑；快速膜乳化器的工作原理是通過將常規(guī)乳化法制備粒徑大于膜孔孔徑的預(yù)乳液，隨后利用外部壓力將預(yù)乳液快速通過尺寸大小可選擇的微孔膜，形成粒徑均一的乳滴，一般重復(fù)操作3-5次后，即可得到粒徑均一的乳液，乳化液的粒子大小一般小于SPG膜的孔徑；SPG膜乳液固化后即可得到粒徑均一可控的載藥微球。

 

膜乳化技術(shù)制備微球的優(yōu)點：①微球尺寸均一可控，微球粒徑取決于膜孔徑，微球制劑批次間重復(fù)性好；②反應(yīng)條件溫和，可以用于對攪拌敏感的蛋白多肽類藥物；③乳液穩(wěn)定性好，制備過程中利用表面活性劑不易發(fā)生乳液團聚、破乳現(xiàn)象，表面活性劑用量少；④操作過程簡便，易于工業(yè)規(guī)模擴大生產(chǎn)。缺點：①制備的微球粒徑過于單一，會影響藥物體內(nèi)釋放周期，并且有造成突然釋放的危險，有待進一步研究；②目前還沒有應(yīng)用膜乳化技術(shù)生產(chǎn)的微球產(chǎn)品上市，主要制約因素在于生產(chǎn)設(shè)備中膜材質(zhì)要符合多重要求：機械強度強、保持孔徑大小保持穩(wěn)定、易于清洗，不易堵塞。

 

制備的工藝和設(shè)備：日本SPG公司發(fā)明的膜乳化技術(shù)是時間上唯一能制備均一微球的方法，并且能選擇不同孔徑的膜，來獲得不同大小的微球，對應(yīng)的設(shè)備從微量樣品到大規(guī)模生產(chǎn)，其中MG-20和KH-125是最常用的型號。

 

2.8 高壓均質(zhì)方法

為了實現(xiàn)在液體中長期混合一種或多種物質(zhì)，高壓均質(zhì)機能將液體中分散的懸浮物質(zhì)微�；�，樣品在低速和高壓的情況下到達均質(zhì)閥門時，在各種力的作用下而使樣品微�；�：壓力的劇烈減小而引起霧化的水珠之間摩擦、高頻擾動，最后以極高的速度沖擊到碰撞環(huán)上，而產(chǎn)生撞擊，其過程包含了空穴效應(yīng)、碰撞效應(yīng)和剪切效應(yīng)等，達到細化和均質(zhì)的作用，獲得超細的微球和液滴。高壓均質(zhì)機可以使用單級均質(zhì)閥門，適于單純的分散預(yù)處理；也可以使用兩級均質(zhì)閥門，適于乳化液樣品和對粘度有要求的樣品。

 

高壓均質(zhì)機常用于制備微米納米乳劑、微粒、脂質(zhì)體，一般是先利用攪拌剪切進行初乳制備，再經(jīng)過高壓均質(zhì)得到較小粒徑的制劑，其粒徑大小一般會呈正態(tài)分布，高壓均質(zhì)機的可控參數(shù)有均質(zhì)壓力、循環(huán)次數(shù)(循環(huán)時間)和溫度等，微粒大小和分布一般隨著均質(zhì)壓力增加和循環(huán)次數(shù)增多明顯下降，達到一定壓力和循環(huán)次數(shù)后漸趨平衡，也有的乳液當(dāng)均質(zhì)壓力和循環(huán)次數(shù)超過一定值后，粒徑和分布反而增加，因而存在一個最佳的實驗參數(shù)。

 

制備的工藝和設(shè)備：意大利FBF公司一直致力于高壓均質(zhì)機的研發(fā)和生產(chǎn)，其實驗室型號HomoLab的最高均質(zhì)壓力可以達到1800bar，處理能力為20L/小時，最小處理量為50ml的樣品，獨有的強制進樣技術(shù)特別適合高粘度樣品的均質(zhì)和制備特殊的微球；中試和生產(chǎn)型號有近百種供選擇，以滿足不同用戶不同的應(yīng)用需求。

 

3.微球制劑產(chǎn)品的質(zhì)量控制

通常評價微球的指標(biāo)有微球形態(tài)、粒徑及其分布、載藥量、包封率及其釋放度，有時還包括有關(guān)物質(zhì)和溶劑殘留等項目。

 

3.1形態(tài)

通過掃描電子顯微鏡或者透射電子顯微鏡觀察微球的形態(tài)，如形狀(圓形或類圓形)、表面形貌(光滑或粗糙)、骨架結(jié)構(gòu)(多孔或?qū)嵭?。微球形態(tài)與結(jié)構(gòu)的不同對微球的載藥量以及釋放行為有顯著影響。表面粗糙的微球易吸附藥物結(jié)晶，往往會導(dǎo)致高突釋。通過對微球形態(tài)進行觀測，總結(jié)形態(tài)與處方工藝之間的關(guān)系，不但可以對微球的制備機理進行探索，還可以對釋放行為進行優(yōu)化。

 

3.2粒徑及分布

影響微球產(chǎn)品釋放度的關(guān)鍵因素主要是粒徑和粒徑的分布。粒徑測定方法有很多種，主要包括動態(tài)光散射法（DLS）、激光衍射法（LLD）、透射電鏡（TEM）以及掃描電鏡（SEM）、原子力學(xué)顯微鏡（AFM）等。其測量方法各有優(yōu)缺點，DLS 法可準(zhǔn)確測量的粒徑范圍較窄，LLD 法測量粒徑范圍為1～1000μm，但其需要的樣品量大，而TEM、SEM易受樣品制備過程影響，AFM 則設(shè)備較復(fù)雜，綜上所述，激光衍射法仍是最常用的測量粒徑及粒徑分布的方法。

 

3.3載藥量/包封率

載藥量是指微球制劑中所含藥物的質(zhì)量分數(shù)，而包封率是指微球制劑中包封的藥量占微球制劑中包封與未包封總藥量的比值，二者是衡量制備工藝和成本的重要指標(biāo)。其檢測方法一般是先采用合適的有機溶劑將微球高分子材料骨架溶解，再根據(jù)藥物的性質(zhì)選擇不同的方法將藥物分離或提取出來，進行含量測定。

 

3.4釋放度

選擇合適的高分子聚合物材料與工藝制備不同結(jié)構(gòu)的載藥微球，使活性成分按照預(yù)期的藥代動力學(xué)模型釋放。對于可生物降解材料，溶脹和溶蝕機制也是控制藥物釋放的主要因素。釋放介質(zhì)的組成、pH 值、離子強度、滲透壓和溫度等都會對釋放速率產(chǎn)生影響。在載藥微球的研發(fā)階段，應(yīng)確定好合適的體外釋放條件，并根據(jù)體內(nèi)釋放條件建立體內(nèi)、體外相關(guān)性。

 

3.5高分子聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與晶型改變

在高分子聚合物材料析出形成微球后，聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(T g )會發(fā)生改變。當(dāng)聚合物和藥物或溶劑共同存在時，易產(chǎn)生共價鍵吸引力，使得聚合物的 Tg降低。比較常用的 Tg 檢測方法是差示熱分析法和差示掃描量熱法。高分子聚合物的晶型與結(jié)晶度的變化可以從側(cè)面反映藥物的釋放速率和微球的降解速度。

 

3.6有機溶劑殘留

制備過程中引入的油相（有機溶劑）在固化的過程中會存在未能完全除去的問題，諸如丙酮、乙酸乙酯、二氯甲烷等的殘留不僅影響微球儲存的穩(wěn)定性，還會在注射后引起人體的副作用，因此每個國家的藥典都對微球的有機溶劑殘留量有著嚴格的要求。不同的有機溶劑毒性不同，限度也有所不同，目前常規(guī)使用氣相色譜法進行殘留有機溶劑的檢測。

 

另外，通過材料降解實驗考察分子量，緩釋微球的微生物檢查等也是微球藥物質(zhì)量評價的指標(biāo)。