Box-Behnken 優化痹痛寧凝膠膏劑基質處方研究

李 智，于金英，蔣 瑤，嚴倩茹，王云紅，韓 麗，秦 劍，楊榮平*

1 成都第一骨科醫院，成都 610031;2 成都中醫藥大學，成都 611137;3重慶市中藥研究院，重慶 400065;4 重慶市食品藥品檢驗所，重慶 401121

痹痛寧方由秦艽、青風藤、白芍等中藥組成，具有祛風除濕、活血止痛等功效，為臨床治療痹癥的驗方。凝膠膏劑是以親水性聚合物或親水性物質為基質的新型外用貼劑，基質由黏合劑、賦形劑、保濕劑、交聯劑、交聯調節劑等物質組成，各組分性質和作用不同，決定了加入量的差異，因此，各種物質的合理配比是制作優良基質的關鍵［1］。Box-Behnken 設計是響應曲面法(response surface methodology，RSM)中的一種實驗設計方法，近年來被廣泛用于生物、化學合成以及藥物處方篩選和劑型制備等過程中的實驗設計與優化［2-4］。該設計既能考察各個因素對效應的影響以及各影響間的交互作用，也可以進行各個因素的最優化，比單因素考察全面客觀。因而，本研究以外觀膏體均勻性、涂展性、膜殘留性、滲出度、皮膚追隨性為評價指標對基質處方進行初步篩選，又利用Box-Behnken 設計，以初黏力為評價指標，優選出最佳基質處方。

1 儀器與材料

凝膠膏劑涂布機(自制);JJ-1 增力電動攪拌器(金壇市富華儀器有限公司);BS224S(萬分之一，北京賽多利斯科學儀器有限公司);DGG-9240 型電熱恒溫鼓風干燥箱(上海森信實驗儀器有限公司)。

聚丙烯酸鈉(廣東中盛生物科技有限公司);卡波姆(廊坊聚通化工有限公司);甘氨酸鋁(上海森磊化工有限公司);聚乙烯醇(成都市科龍化工試劑廠);羧甲基纖維素鈉(成都市科龍化工試劑廠);明膠(天津市大茂化學試劑廠);甘油(重慶川東化工有限公司);檸檬酸(重慶川東化工有限公司);酒石酸(重慶化學試劑廠);高嶺土(上海市奉賢奉城試劑廠)。

2 實驗方法

2.1 評價指標的測定方法與標準

2.1.1 初黏力測定

凝膠膏劑基質應具有一定的黏性，才能固貼于皮膚之上釋放藥物。目前對于凝膠膏劑黏性的評價有初黏力、黏結力、持黏力等，結合實驗室現有的條件，選擇初黏力為為主要考察指標。本研究參考美國壓敏膠帶協會PSTC-6 法——滾球斜面停止法［5］測定其初黏力。即滾球從一光滑斜面上滾下，經過水平放置的凝膠膏表面，測定滾球在凝膠膏面的滾動距離，判定凝膠膏的黏性大小，滾動距離越小，黏性越大，如圖1 所示。每個樣品測定5 次，以平均值計算。經過預實驗篩選，斜面以傾斜角30°為宜，滾球以10 號小球，直徑為7.144 mm，重量為1.50 g 為宜。

圖1 滾球平面停止法測定初黏力示意圖Fig.1 Schematic diagramof rolling ball method for the determination of early adhesion

2.1.2 感官指標評分

1)膏體形狀:膏體均勻、無顆粒狀膠團、無雜斑滿分5 分;2)殘留性:膏體揭除后，無殘留、膏面不破裂，滿分5 分;3)涂展性:涂布容易完成，滿分5分;4)滲出度:膏劑膠漿趁熱涂布，背面無滲出，滿分5 分;5)皮膚追隨性:手指觸摸黏性適中，貼于手腕部，用力甩5 下不脫落，滿分5 分。

2.2 凝膠膏劑基質的制備

取適量聚丙烯酸鈉(PAAS)，甘油分散后均勻加入適量水，溶脹均勻;聚乙烯醇(PVA)、卡波姆、明膠、羧甲基纖維素鈉直接分散于水溶液中，水浴加熱使其溶脹均勻;高嶺土直接加入溶解好的明膠、聚乙烯醇溶液，攪拌均勻;AlCl3或甘羥鋁少量甘油分散，加入浸膏中攪拌均勻;檸檬酸或酒石酸溶于水配成水溶液。按設計順序將各種溶液依次加入，混勻，60 ℃、100 rpm 攪拌20 min，調節涂布厚度為2.5 mm，涂于無紡布上，60 ℃烘干，剪裁成7 cm×10 cm大小，即得。制備的膏體均勻性、涂布性較佳。

3 實驗結果

3.1 基質處方及加入順序的篩選及結果

根據各組分的性質及在凝膠膏劑中的作用，結合文獻方法，對基質處方及加入順序進行篩選研究，各組分按“2.2”項下處理，實驗安排及結果如表1，對成型基質進行綜合感官評分，結果如表2。

表1 痹痛寧凝膠膏劑基質處方初步篩選實驗安排Table 1 Preliminary screening testsofmatrix recipe of Bitongting Cataplasm

表2 結果顯示，處方2 與處方6 綜合評分較高，各項評價指標較優。由于兩處方的組成較為相似，處方6 比處方2 多了輔料PVA，因此以處方6 為基礎，優化處方中各輔料的用量。

3.2 Box-Behnken 試驗設計-效應面法優化處方

在前期實驗的基礎上，采用Box-Behnken 設計，選擇PAAS(X1)、高嶺土(X2)、PVA(X3)、甘氨酸鋁(X4)、檸檬酸(X5)為考察對象，以初黏力為評價指標對基質處方進行優化。采用Design-Expert8.0 軟件安排試驗，考察因素與水平見表3，按“2.3”項下方法制備凝膠膏劑基質，并測定其初黏力，結果見表4。

表3 Box-Behnken 設計中的因素與水平Table 3 Factors and levels in the Box-Behnken design

表4 實驗設計與結果Table 4 Results of Box-Behnken experiments

3.3 數據處理

按照Box-Behnken 設計的要求，采用Design-Expert8.0 軟件對數據采用Linear、2FI、Quadratic、Cubic 等不同模型擬合處理，以模型擬合方程中的P值及R2為判斷標準選擇合適的模型，見表5。

表5 Design-Expert 軟件數據分析結果Table 5 Analysis of data by Design-Expert software

Linear 模型擬合方程中P=0.0085＜0.01，有極顯著性差異，但是R2=0.3117，模型不顯著;2FI模型擬合方程中P=0.2196＞0.05，無顯著性差異，且R2=0.4082，模型不顯著;Quadratic 模型擬合方程，P=0.0013＜0.01，有極顯著性差異，R2=0.7449，模型擬合不夠理想;Cubic 模型擬合方程P=0.0011＜0.01，有極顯著性差異，且R2=0.9616，模型擬合度高、模型理想。故對數據進行Cubic 模型擬合，設置一定的P 值水平，將P＞0.05 的項進行剔除，分析結果見表6，簡化后的擬合方程為:Y=10.67-1.75X1+0.049X2+0.22X3+2.09X4-0.65X5+0.24X1X2-1.28X1X4+0.85X2X4-1.56X3X4+0.8496)。

圖2 因素X1與X2(A)、X1與X4(B)、X2與X4(C)、X3與X4(D)、X3與X5(E)的等高線圖Fig.2 Contour plots of X1and X2(A)，X1and X4(B)，X2and X4(C)，X3and X4(D)，X3and X5(E)

表6 擬合模型方差分析Table 6 ANOVA of Cubic Mondle

從上表可以看出，X1、X4對凝膠膏劑的粘性有極顯著性影響，X1X4、X3X4之間有顯著的交互作用，X3X5之間也有微弱的交互作用。由于三維圖僅能表示效應與其中2 個因素的關系，因此將另外3 個因素置為中心值，以擬合的目標函數為模型，繪制等高圖，見圖2。以Y 值在7.2914 范圍內為目標函數，由等高線圖得PAAS(X1)、高嶺土(X2)、PVA(X3)、甘氨酸鋁(X4)及檸檬酸(X5)的最佳用量范圍分別為X1:0.50～0.73，1.10～1.50;X2:0.50～0.88，1.08～1.50;X3:0～0.44，0.95～1.0;X4:0.050～0.095;X5:0.115～0.15。

3.4 效應面優化預測及驗

本實驗在較優取值區域的基礎上，結合節約輔料、較小成本成本及Design-Expert8.0 軟件給出的解決方案，優選出痹痛寧凝膠膏劑最佳基質處方:PAAS1.1 g、高嶺土1.3 g、甘氨酸鋁0.09 g、檸檬酸0.14 g。按此處方制備了3 批痹痛寧凝膠膏劑基質，進行初黏力測定，計算實測值與預測值之間的誤差，如表7 所示，結果表明實測值與預測值的誤差在5%之內，表明本實驗建立的數學模型可用來預測痹痛寧凝膠膏劑基質總評指標。

表7 預測值與實測值的比較Table 7 Comparison of predicted value and actual value of matrix

3.5 處方基質載藥量的考察

凝膠膏劑基質的載藥量亦影響制劑的性能，若載藥量過小，因單位面積含藥量小而需要較大的給藥面積，造成基質的浪費。本研究在優選出的基質基礎上，對痹痛寧凝膠膏劑的最大載藥量進行了考察，結果如表8 所示。

表8 不同載藥量對凝膠膏劑性能的影響Table 8 Effects of different loading amount of drug onthe performance of Cataplasm

表8 表明，優選出的基質中加入6 g 浸膏所制備出的痹痛寧凝膠膏劑均一、細膩，氣泡較少，皮膚追隨性好，因此優選出的基質可承受6 g 以內的浸膏。

4 討論

凝膠膏劑的基質的性能決定著凝膠膏劑的黏著性、舒適性、物理穩定性等特征，因此基質處方研究是凝膠膏劑研究的基礎，也是凝膠膏劑研究的關鍵技術［6］。同時，基質制備過程中各組分的加入順序，攪拌的時間及溫度和速度，對基質性能也有一定的影響。因此，基質配方合理，制備過程恰當，是制備出好基質膏體的關鍵。

基質處方對基質性能的影響:痹痛寧凝膠膏劑為交聯型凝膠膏劑，其基質處方中，聚丙烯酸鈉、甘氨酸鋁的用量對初黏力有極顯著性影響。聚丙烯酸鈉是構成痹痛寧凝膠膏劑親水性凝膠骨架形體的基本物質，與初黏力起正相關的作用，隨著其用量的增加，凝膠膏劑黏和外觀性能漸好。甘氨酸鋁為交聯劑，提供Al3+與高分子化合物聚丙烯酸鈉交聯，形成網狀結構，產生凝膠，形成交聯型基質，交聯劑用量不足，基質交聯不完全，膏體內聚力差，用量過多，基質交聯過度，膏面黏性降低，甚至沒有黏性。

基質制備過程對基質性能的影響:基質的制備過程中，攪拌時間和速度要適當，時間過長或攪拌速度過快，易入大量氣泡，且持續的剪切力會破壞膏體形成的氫鍵而使黏性下降;反之則膏體不易混勻。溫度一般不宜高于80 ℃，溫度高，膏體形變較快，雖易混合均勻，但會使膏體的黏性下降。膏體制備完成6 h 后，膏體開始交聯、彈性增強，因此涂布應在膏體制備完成后0～6 h 內完成。制備成型的痹痛寧凝膠膏劑于60 ℃下烘干，膏體性能良好。

本實驗采用Box-Behnken 設計-效應面優化法對凝膠膏劑基質成型影響較大的因素進行優化，優選基質處方，并確定了最佳制備工藝，為痹痛字方的開發應用提供參考，為其下一步臨床的應用奠定基礎。

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