應用超臨界流體技術制備藥物微粒

倪敏 徐琴琴 王雅瓊 銀建中

（大連理工大學化工機械學院）

應用研究

應用超臨界流體技術制備藥物微粒

倪敏*徐琴琴 王雅瓊 銀建中

（大連理工大學化工機械學院）

超臨界流體技術在藥物制備中的應用，尤其在藥物微粒化方面的應用成效顯著。分析了超臨界流體技術在國內外的研究進展，并進行歸納總結。其內容包括：超臨界流體溶液快速膨脹、超臨界流體浸漬、超臨界流體抗溶劑以及超臨界流體過飽和溶液等技術。著重就實際應用中所關心的實驗原理、工藝流程、容器設備等內容進行分析對比，以此討論其優缺點。此外，還就深入研發過程中應該注意解決的關鍵問題及其應用前景提出了初步建議。

超臨界流體 藥物微粒 溶液 浸漬 抗溶劑 飽和溶液

0 前言

藥物微粒化是藥物制劑領域一項重要技術，主要包括藥物微粉化和藥物包埋。就藥理學而言，藥物微粉化后的主要優勢在于：（1）提高藥效，減少藥物用量；（2）變換給藥方式，方便臨床應用，減輕患者接受治療帶來的痛苦；（3）可實現緩/控釋給藥，提高生物利用度。藥物包埋是指用可降解生物材料將藥物制備成微球或微囊，從而起到緩釋作用。通過控制藥物粒徑還可實現靶向給藥，降低藥物毒副作用[1]。就藥劑學而言，藥物經超細化處理后比表面積顯著提高，表面性質將發生變化，并表現出一些特殊的物理化學性質，如增加藥物吸收、改變藥物體內分布特征、改變藥物的膜轉運機制以及控制藥物釋放等。

目前，制備藥物微粒方法主要包括：固相法、氣相法、液相法和微乳液法等。但這些方法均存在不同程度的缺點，例如：（1）粒子尺寸和尺寸分布難以控制，尺寸分布寬；（2）溶劑殘留和環境影響；（3）因極端的操作條件可能致使藥物活性被破壞。因此，科學家和工程師們均在致力于開發新的制藥技術，以滿足劑型改革的需要。近年來，超臨界流體技術（supercritical fluid technology，SCFT）在制備藥物微粒方面取得了令人感興趣的結果。用該技術制備藥物微粒具有粒徑小、尺寸分布窄、純度高、無溶劑殘留以及操作條件溫和易控等突出優點，故倍受青睞，成為制藥領域的研究熱點之一。

1 超臨界流體及超臨界流體藥物微粒化技術

超臨界流體（supercritical fluids，SCF）是指溫度、壓力均處于物質臨界點以上狀態的流體。研究表明，物質進入超臨界狀態后常表現出許多特殊的物理化學性質。例如：似液（liquid like）般密度，提高了對物質的溶解度；似氣（gas like）般擴散系數，提高了輸運能力；零表面張力，促使其可以將物質輸送至任何尺寸大于SCF分子的空間。此外，溶劑強度和熱力學性質隨溫度壓力變化可調，也是SCF的獨特優勢。最常用的SCF為超臨界二氧化碳（supercritical carbon dioxide，scCO2），原因在于CO2無毒、不易燃、廉價易得，且臨界條件較為溫和（Tc=304.2 K，Pc=7.37 MPa）。scCO2屬于親油性溶劑，尤其適合于中草藥、天然產物、生物活性成分的分離純化，較低的操作溫度還有利于處理熱敏性物質。經scCO2處理后的產品，經過簡單降壓分離可以直接回收，無溶劑殘留隱患。因此，高效、清潔的優點是基于scCO2的超臨界流體技術最具吸引力所在。

超臨界流體技術在藥物領域的應用已有近三十年的歷史，最初用超臨界萃取提純植物、中藥以及天然產物中的藥用成分，且已經實現工業化。近十年來，隨著超臨界流體技術本身的進步，加之科學認識的深入，在藥物提純特別是制劑方面發展了很多創新性工藝過程，如果按照超臨界流體所起作用來劃分，可將超臨界流體藥物微粒化技術分為下述幾種。（1）SCF作溶劑：超臨界流體溶液快速膨脹（rapid expansion of supercritical solutions，RESS）技術、超臨界流體浸漬（supercritical solvent impregnation，SSI）技術；（2）SCF作反溶劑：超臨界流體抗溶劑（supercritical anti-solvent，SAS）技術；（3）SCF作溶質：超臨界流體過飽和溶液（particles from gas saturated solutions，PGSS）技術[2]。

2 超臨界流體技術制備藥物微粒的應用

2.1 RESS技術

RESS過程是SCF經過微細噴嘴的快速膨脹過程。該法是將溶質直接溶于SCF中形成超臨界溶液體系，在膨脹過程中，壓力、溫度的突然降低使溶質溶解度降低，形成過飽和溶液，析出大量微粒[1]。由于此過程在瞬間完成，因此整個流體均勻成核，形成平均粒徑小而均勻的微粒[1]。RESS流程裝置如圖1所示。RESS技術制備的一些藥物粉體見表1。

圖1 RESS流程裝置[3]

表1 RESS技術制備的藥物粉體

Su等[5]利用RESS技術對非甾抗炎藥（nonsteroidal anti-inflammatory drug，NSAID）萘丁美酮（nabumetone）進行了微粉化，并研究出實驗的最佳條件為：萃取溫度（Text）308 K、萃取壓力（Pext）20 MPa、膨脹前溫度（Tpre）353 K、膨脹后溫度（Tpost）283 K、噴霧距離（Ls）2.5 cm、噴嘴直徑（Dn）25μm。通過SEM、XRD及DSC分析可以看出，粒子經過RESS過程，粒子尺寸降低很多而且晶形未被破壞，與未處理的藥物相比，微粉化后的粒子釋放速率提高了3.5倍。而Hezave等[8]利用RESS技術微粉化酮洛芬，在萃取溫度為313 K、萃取壓力為22 MPa、收集距離為1 cm、噴嘴長度為5 mm、噴嘴直徑為450μm下制備的粒子尺寸最小為0.35μm。

Sonnda等[6]為防止粒子發生聚集現象，加入賦形劑乳糖，發現氟比洛芬粒子很好地分布在乳糖粒子上，而且經過DSC分析，樣品的結晶度有一定的降低。增加乳糖的比例，釋放速率會加快（如圖2所示）。這可能是由于粒子的結晶度降低及分散度增加引起的。Wen等[7]為提高溶解度，使用乙醇作為共溶劑,制備的脂質體粒子尺寸小并且尺寸分布窄，在最優實驗條件下制備的藥物的擔載率為5.18%，粒子的平均尺寸為173 nm。

圖2 粒子的釋放曲線[6]

RESS技術自提出至今，已經成功應用到化工、材料等領域。近年來，RESS技術在藥物微粉化方面的應用逐漸增多，本文中只羅列近幾年的一部分成果。RESS技術能夠將原始微粒的尺寸降低很多，比面積增大，這會提高藥物的釋放速率，增大生物利用度。RESS法制備微粒過程中的影響因素較多，主要為聚合物、藥物自身的性質（如結晶性、相對分子質量、濃度等）和外界因素（如預膨脹溫度、萃取溫度及壓力、制粒釜內溫度、噴射距離、噴嘴直徑等）。通過調節這些因素可改變微粒粒徑、分布、形態、載藥量、包封率等。此外，為防止粒子聚集在一起，還有一些學者在實驗中加入賦形劑，藥物粒子可以很好地分散在賦形劑表面。RESS法操作簡單，但由于scCO2極性低，對大多數藥物和聚合物的溶解度較低，因而限制了其應用。可在體系中加入共溶劑（如乙醇、乙二醇等）來提高藥物在scCO2中的溶解度。

2.2 SSI技術

SSI過程是將藥物及聚合物或介孔基材直接放在溶劑SCF之中（溶解度較小時，可以加入乙醇、乙二醇等共溶劑來提高大分子藥物在SCF中的溶解度），具體方法可描述如下：（1）超臨界流體將藥物溶解并攜帶其進入多孔載體孔道內部；（2）超臨界流體和藥物吸附到孔壁上；（3）給系統減壓，超臨界流體變成氣體并從載體上脫附，藥物則沉積在載體的孔道上[9]（見圖3）。

圖3 SSI方法實驗裝置[10]

SSI過程多選用高分子聚合物作為基材，因其能在生物體內經水解、酶解等過程逐漸降解成低分子量化合物或單體進而被排出體外或參加體內正常代謝而消耗掉。此外，使用SSI技術以聚合物作為基材的一個重要的優勢是：聚合物基材在scCO2中會發生溶脹現象[11]，即聚合物基材內部出現孔道或空腔，小分子藥物在聚合物出現溶脹現象以后再擔載到聚合物基材內。在同樣的操作條件下，不同的聚合物基材會產生不同的溶脹效果（見圖4）。對于同樣的基材，操作條件如SCF的溫度、壓力、浸漬時間等都會影響溶脹效果（見圖5）。這樣，調節操作條件或更改聚合物基材就可以控制藥物的擔載量和釋放速率。有關文獻中用SSI技術制備的藥物微粒見表2。

Yoganathan等[11]分別在四種操作條件下制備了布洛芬/PCL復合藥物，實驗證明在15 MPa、313 K操作條件下制備的藥物擔載量最大。藥物的擔載量與藥物在scCO2中的溶解度、scCO2對聚合物的溶脹作用、藥物在scCO2及聚合物基材間的分配系數有關。在該實驗中，藥物的擔載量與其在scCO2中的溶解度并沒有直接的關系（見表3），而scCO2對聚合物的溶脹作用卻是主導因素。

圖4 不同的溶脹效果

表2 文獻中用SSI技術制備的藥物微粒

圖5 經scCO2處理的聚己內酯SEM圖[11]

表3 藥物在scCO2中的溶解度及擔載量[11]

Bush等[13]以β-雌二醇為前驅物，PVPP為基材進行實驗，為提高藥物的擔載量，選擇乙醇為共溶劑。作者研究了操作條件對擔載量的影響。在17.2MPa、313～323 K條件下，藥物擔載量為28～36 mg/g PVPP。其中溫度對擔載量的影響很明顯，隨著溫度的升高，擔載量增加；而溶脹時間的長短對擔載量基本無影響。Darr等[14]在303 K、17.2 MPa條件下制備的HPMC-吲哚美辛復合材料，通過DSC（見圖6）和XRD（見圖7）分析可知，吲哚美辛在聚合物基材內呈現非晶態，而分子在孔道內形成晶體的理論條件是孔徑為分子大小的20倍左右，這與實驗結果一致。制備的藥物復合材料的釋放速率遵循n-冪次定律（n=0.54）。

圖6 樣品的DSC圖[14]

Braga等[10]以scCO2為溶劑，用兩種藥物氟比洛芬和馬來酸噻嗎洛爾在三種殼聚糖衍生物上進行了擔載實驗，馬來酸噻嗎洛爾在scCO2中的溶解度比氟比洛芬的低很多，故選擇乙醇作為共溶劑增加擔載量。實驗操作條件為9～14 MPa，303K、313K、323 K，并在常溫常壓下進行了對比試驗。通過藥物釋放量可得，用scCO2制備的氟比洛芬最大的擔載量為14.7 mg/g，普通方法的最大擔載量為7.4mg/g；而馬來酸噻嗎洛爾的最大擔載量分別為84.9 mg/g和67.4 mg/g。分析實驗結果發現，與普通浸漬法相比，SSI方法能夠提高藥物的擔載量。Duarte等[12]進行了間歇性實驗與半連續性實驗的對比，由于溶質與溶劑的接觸時間很短，因此半連續性的溶解度比間歇性的溶解度低很多，最后得到的藥物的擔載量也比間歇性的低很多，且藥物復合材料的緩釋時間可達三個月之久。

圖7 樣品的XRD圖[14]

除制備擔載型藥物微粒以外，SSI技術還應用到聚合物基材的改良上。可降解聚合物的化學結構是不穩定的，這類聚合物可能過早降解而使緩釋藥物提前釋放，進而帶來安全問題。Temtem等[16]在20 MPa、313 K下成功地將HP-β-CDs擔載到PMMA上，之后將布洛芬擔載到制備好的膜上，發現布洛芬并沒有忽然釋放的現象，而且藥物的釋放是可控制的（見圖8）。除使用聚合物基材外，近年來，還有一些學者使用無機介孔材料作為基材[17]。無機介孔材料化學穩定性及熱穩定性好，孔道結構有序，孔徑可控，與其他材料的相容性也很好，在制備擔載型藥物微粒上具有很重要的優勢。

SSI方法制備的藥物微囊中，藥物一般能比較均勻地分布在聚合物基材或無機介孔材料內，藥物釋放比較容易實現控制，進而可以控制進藥量，降低藥物的毒副作用。同RESS方法一樣，實驗中一般加入共溶劑來增大藥物在scCO2中的溶解度。一些研究者選用兩個反應釜或不將藥物與有機溶劑直接接觸，這樣可以解決溶劑、剩余藥物與載體的分離問題，也可以免除溶劑污染。

2.3 SAS技術

SAS技術的原理是將要制成超細粉體的固體溶質溶于某一溶劑（通常為有機溶劑）形成溶液，選擇一種超臨界流體作為反溶劑。這種反溶劑一般不能溶解溶液中的溶質，但能與溶劑互溶，當反溶劑與溶液接觸時，反溶劑迅速擴散至該溶液，使其體積迅速膨脹，溶質在溶劑中溶解度大大下降，在極短的時間內形成很大的過飽和度，促使溶質結晶析出[2]。SAS裝置如圖9所示。SAS方法制備的藥物微粒如表4所示。

圖8 藥物的體外釋放圖（緩沖溶液pH=7.4）[16]

圖9 SAS裝置[21]

表4 SAS方法制備的藥物微粒

Wang等[20]在305.5 K、8.27 MPa下用SAS技術成功地將16～20 nm的硅納米粒子外表面包裹上聚丙烯樹脂。增加聚合物與囊心物的比例，可以將較大的粒子包裹起來。Sanganwar等[21]開始未加賦形劑，直接用SAS技術處理了原始藥物，制備的藥物粒子結塊很嚴重，釋放速率也并未提高。加入賦形劑后，藥物粒子均勻地分布在賦形劑粒子的表面，經過XRD、FTIR、DSC分析，藥物的結晶度并未發生變化。賦形劑的種類、藥物與賦形劑的比例等都是影響藥物釋放速率的因素。Lim等[22]通過改變藥物與聚合物的比例得到了不同形態及結晶度的藥物粒子。在濕度75%、溫度303 K下放置樣品7個月，可以發現：直接噴霧干燥得到的藥物粒子出現再結晶的現象，而經過SAS過程的藥物粒子還是呈現非晶態，而且不同比例的藥物聚合物制備的粒子的釋放速率也不同，但相比未處理的粒子都有提高。Park等[23]分別用噴霧干燥（spraydrying，SD）法及SAS過程微粉化頭孢地尼，并進行了對比，發現處理后的粒子均變小，且呈現非晶態。SAS過程處理的樣品的釋放速率比其他的樣品都快（見圖10）。

圖10 頭孢地尼的釋放曲線[23]

SAS技術是RESS過程上的改進，將SCF的溶劑作用改為反溶劑來使用。二者的共同特點是：操作過程在接近常溫的條件下進行，影響因素相似。但RESS過程要求析出的超細粉體必須能溶于超臨界流體中，對于難溶的藥物其應用則受到限制。在這種情況下，SAS過程能彌補RESS過程的不足，因為它只需要選擇一種能溶于scCO2的溶劑即可。這樣，SAS技術可以處理一些難溶的大分子藥物，但有機溶劑的使用會污染藥物粒子，還需要使用scCO2萃取或其他方式進一步去除有機溶劑。

2.4 PGSS技術

PGSS技術是先將物質加熱液化，接著將scCO2注入，溶入熔化的物質，然后噴灑進入收集室，形成微粒[24]。過程不要求物質能溶解在scCO2中，但scCO2必須溶解在熔化的物質中。它不需要溶劑，另外還可以通過在收集室中引入N2來調節顆粒尺寸。PGSS裝置如圖11所示。

圖11 PGSS裝置[24]

Vezzù等[25]用PGSS技術將蛋白質與聚乙二醇（PEG）制備成固體微粒，實驗發現，在323 K＜Tmix＜333 K，323 K＜Tnozzle＜328 K范圍內升溫，粒子尺寸增大，而在13～14 MPa范圍內升壓，粒子尺寸減小，若使用二甲基亞砜作為有機溶劑，粒子尺寸也會減小。在室溫下800 h內，聚乙二醇/核糖核酸酶可以釋放完全，而相同條件下，未處理的核糖核酸酶只能釋放50%。

PGSS技術是將超臨界CO2溶解入物質的熔融液中，壓縮氣體在液體中的溶解度普遍較高，相比于RESS技術，PGSS中CO2的消耗量小很多；相比于SAS技術，PGSS過程完全不需要或可以少需要有機溶劑，而且PGSS同樣具有操作壓力低的優點，具有連續化生產的優勢[3]。PGSS也有其不足之處，那就是對一些熔點較高以及熱敏性和易分解的物質不太適合。

4 總結與展望

藥物微粒和給藥系統的現有制備技術存在工藝復雜、藥物顆粒大、粒徑不均勻、重現性差以及難以放大生產等缺點。從已經取得的研究成果看，超臨界流體藥物微粒化技術綠色無毒，生產條件溫和、易控，可方便得到亞微米級、納米級的均勻顆粒。藥物的粒子尺寸、尺寸分布、擔載量及釋放速率都可以通過改變操作條件或藥物自身性質來得到控制，該技術有望成為解決以上現存問題的有效手段，但距離產業化尚有待進一步完善，特別是相關基礎研究應予以適當投入和加強。具體包括下述幾項：（1）熱力學基礎數據和關聯計算公式；（2）微粒化動力學描述，包括粒子形成機理研究；（3）與特定工藝配套的加工設備和附件研制，特別是噴嘴結構的加工制造技術；（4）過程的技術經濟分析。只有將理論基礎和應用實踐有機結合，這項技術才可能成為真正的藥物可控制備方法，并實現產業化。

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Preparing Drug M icro-particlesUsing Supercritical Fluid Technology

NiMin Xu Qinqin Wang Yaqiong Yin Jianzhong

Science and technology progress promoted the development of the drug preparation and the generation of new dosage forms，new formulation and new pharmaceutical technique.As for drug preparation applications，Supercritical fluid technology obtained remarkable achievements，especially in pharmaceutical micronization.This article reviews the research progress on application of supercritical fluid technology in the preparation of drugmicro-particles.Severalmethods including RESS（rapid expansion of supercritical solutions），SSI（supercritical solvent impregnation），SAS（supercritical anti-solvent）and PGSS（particles from gas saturated solutions）are discussed here and the experimental apparatus，preparation process and principle are emphasized. The advantages and disadvantages of these techniques are also discussed and the key problems of a thorough research and the application prospectare proposed.

Supercritical fluid；Drugmicro-particle；Solution；Impregnation；Anti-solvent；Saturated solution

2011-04-10）

*倪敏，女，1987年6月生，碩士研究生。大連市，116024。