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高压微射流技术在纳米化药物中的应用

更新时间:2023-03-29浏览:697次

高压微射流技术简介

高压微射流技术是一种依赖于核心机构---微射流金刚石交互容腔的一种环境友好型物理连续化改性手段。高压微射流装备核心可分为动力单元与金刚石交互容腔处理单元,金刚石交互容腔是物料受力改性的核心场所,所有微射流设备的动力单元中与物料接触的机构都是氧化锆柱塞,动力部分将所有操控信号与动力源通过控制与传动机构传导到氧化锆柱塞上,柱塞推动样品进入微射流金刚石交互容腔内部特定的金刚石微孔道内,给样品加压加速并使样品接受高频剪切、微射流对射、碰撞、空穴效应以及压力降等复合物理作用,最终达到物料改性或为微纳米化精确粒径控制的效果。

高压微射流技术核心机构微射流金刚石交互容腔内部构造示意图

HighShear高频剪切区+HighImpact高能对撞区+空穴效应+压力降等复合物理作用场所)

不同类型微射流金刚石交互容腔外观图

高压微射流装备主机构造,主要由进料罐、单向阀、液压泵、增压器、压力表、微射流金刚石交互容腔、辅助金刚石交互容腔(可选)、回流过滤器、热交换器和出料口构成。微射流交互容腔和辅助容腔(可选,不同条件下起到对主腔起保护、调节背压、稳定流量、预处理物料等作用)组成物料反应器,对物料微纳米细化起关键作用。物料反应器的材质金刚石,其具有坚硬、不易磨损、耐腐蚀等特性,可用于高硬度药物。液压泵内的增压柱塞采用氧化锆陶瓷,具有耐磨损、耐腐蚀且不易产生静电。高压微射流装备的处理压力可达到30,000psi,工艺流程稳定,高压微射流主机装备构造如下图所示

高压微射流装备的主机构造图

 

高压微射流装备(Microfluidics,Genizer)采用的是动态高压微射流复合物理粉碎原理,利用液压泵或电机(动力单元分可为液压与电机直驱型)使流体产生高压,进而推动装有活塞的增压器,液压或电机驱动增压器内的活塞推动高压,活塞往复运动,产生一个交替的抽吸,使流体加速,高速进入微射流金刚石交互容腔内,在交互容腔内的微孔道(75μm100um)中,流体被分散成两股进行强烈的高速撞击、高速剪切,再进入辅助容腔(200μm),在射流撞击过程中瞬间转化其大部分能量,伴随巨大的压力降,整个处理过程中包含高速撞击、高剪切力、空穴作用、高频振动等综合作用,来达到粉碎的目的,使得液滴或者晶体粒径降低。微射流金刚石交互容腔的固定不变几何结构,保证预处理和使用压力次数一致的条件下,每一毫升物料经过金刚石交互容腔受到的物理作用力相同,从而保证了良好的结果重复性和稳定性,单通道微射流金刚石交互容腔到多通道微射流金刚石交互容腔的并列复制,保证处理效果的同时处理流量倍增,确保了实验研发的工艺被线性放大到工业化生产当中。更多微射流金刚石交互容腔作用原理的内容请参见:

微射流高压均质机工作原理与特性简介

微射流金刚石交互容腔使用指南

 

高压微射流技术在纳米化药物中的应用案例

高压微射流技术是一种新型的纳米制剂制备技术,具有能在不破坏药物活性成分情况下降低药物的粒径并使药物的粒度分布均匀集中等优点,其处理后的悬浮粒子粒径可达纳米范围。为了给某些纳米药物提供稳定的立体障碍使得纳米化后的样品稳定,抑制分散的小颗粒重新聚集需要加入表面活性剂或其他辅助物质作为稳定剂,来促进纳米颗粒的分散。

一般来说,应用微射流装备处理药物颗粒,影响药物粒径大小和粒度分布的因素主要有四个因素,它们分别是处理压力、循环次数、药物本身性质以及表面活性剂或者叫稳定剂的选择有关。利用高压微射流装备可以制备得到纳米乳、纳米脂质体、纳米混悬液等剂型,与其他方法连用可以制得纳米粒、多孔微球等剂型的纳米药物,制得的药物可用于口服、注射、外用、肺部吸收等。

 

高压微射流技术适用用于纳米化药物类型示意(脂质体 纳米乳 纳米混悬液等)

纳米乳

纳米乳是非平衡体系,形成需要外加能量,通常来自机械设备或化学制剂的结构潜能,粒径通常20~200nm。表面活性剂的种类和用量是纳米乳稳定性的关键,常见的表面活性剂有泊洛沙姆、吐温80、卵磷脂等。

微射流纳米均质设备能在最短时间内提供所需能量并获得粒径最小的均匀乳液,故在国内外纳米乳剂领域研究中被广泛应用:

研究人员将超声法和高压微射流法比较制备阿司匹林纳米乳,处理压力为200bar,处理10次,载有阿司匹林纳米乳的粘度为3.98cP,平均粒径为146.1±1.528nm,粒度分布均匀,适用于制剂领域;

Zhao等将高压微射流法和活塞-狭缝均质法进行比较制备静脉注射脂肪乳,并研究了影响粒径大小和粒径分布的因素。所研究的影响因素从主到次依次为处理压力/循环次数、温度、蒸汽灭菌、pH值,而且制备静脉注射脂肪乳高压微射流法比活塞-狭缝均质法更有效。高压微射流法制备的脂肪乳具有粒径小,粒度分布窄等特点。

Kotyla等采用两种方法制备组分比例相同的δ-维生素E乳膏。利用高压微射流装备制得的纳米乳的平均粒径为65nm,而用传统方法制得的微米乳的平均粒径为2788nm。将制得的微/纳米乳膏涂抹在已刮掉背毛仓鼠的背部,以2h后微/纳米乳膏的生物利用度为基准,3h后测得纳米乳膏的生物利用度翻了一倍,而微米乳膏只是2h后的1.1倍。

Kakumanu等以吐温-80为乳化剂,大豆油为油相,利用高压微射流设备制备达卡巴嗪纳米乳。纳米乳的平均粒径为112nmζ电位为-3.2mV,提高其稳定性,有效地减小了异种移植老鼠皮肤癌肿瘤的尺寸。

脂质体

脂质体即单层或多层双脂膜结构的球形脂质类生物膜微球。脂质体的制备方法很多,但是多数不适合大规模、连续化生产。高压微射流均质法不仅克服了以上的缺点,而且达到更高的效果。

Ramon等利用高压微射流装备制备一系列的磷脂脂质体。压力400bar下处理9次,得到平均粒径为39±7nm、峰宽为15±4nm的脂质体;压力200bar下处理1次,得到平均粒径319±6nm,峰宽为83.2±13.4nm的脂质体。

王子妤等用薄膜分散-高压微射流均质法制备的雄黄纳米脂质体平均粒径为102.3nm,药物包封率为82.28%,分散稳定性好。

Chen等利用高压微射流装备在1200bar下,处理3次,制得粒径为157.7±2.31nm的辅酶Q10纳米脂质载体,效果是普通乳剂的10倍以上。

纳米混悬液

纳米混悬液是指用少量表面活性剂为稳定剂将难溶性固体纯药物以微粒状态分散于分散介质中形成的非均相胶体分散体系的液体制剂。制备纳米乳的药物要具有较大的脂溶性,纳米混悬剂则适用于大多数药物。

Pardeike等利用高压微射流设备制备以吐温-80为润湿剂的不同质量浓度的磷脂酶A2抑制剂PX-18。所得的PX-18的平均粒径均小于1000nm,增加了药物溶解度,重现性好,提高药物的生物利用度,可用于静脉注射。

Gao等将蒸发沉降法和微射流均质法制备的槲皮素混悬液进行比较,发现前者的平均粒径、ζ电位和多分散性指数均比后者大。微射流均质法制备的槲皮素混悬液的稳定性更好。

Liu等利用沉淀-超声法和沉淀-微流化法两种方法制备联苯双酯纳米混悬液,并对其体外表征进行研究。在压力为23,300psi下,处理10次,得到最佳的纳米混悬液。

Möschwizer等利用高压微射流设备在1500bar下循环处理40次制备胃酸分泌抑制剂奥美拉唑纳米混悬剂,在0℃下储存一个月仍具有良好的稳定性。

利用高压微射流法与其他方结合可以得到分散稳定性好的纳米混悬液。Zhao等采用沉淀-高压微射流法结合法制备抗肿瘤药物羟喜树碱纳米混悬液,在压力为9000psi下处理5次,然后在压力为18,000psi下处理10次,得到平均粒径为286.9±6.1nmζ电位为-32.21±0.92mV的纳米混悬液,大大增强了其抗肿瘤效果。胡婷婷等人将高压微射流法与喷雾干燥法结合制得布地奈德多孔微球,在100MPa和循环60次的最佳条件制得平均粒径为0.64μm、峰宽为0.44的布地奈德颗粒,经喷雾干燥后制得平均粒径为2.90μm和比表面积为8.71m2/g的的多孔微球。

巧妇难为无米之炊,工欲善其事必先利其器,越来越多前沿高校和企业单位在纳米化药物剂型制备过程中认识并选择了高压微射流技术,高压微射流技术的推广也将为纳米化药物制备提供可靠的技术解决设备基础。 

 

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