含納米成分醫療器械中納米分散體系的應用及評估

許 耘 鄧 潔*

含納米成分醫療器械中納米分散體系的應用及評估

許 耘①鄧 潔①*

目的：對含納米成分的醫療器械中納米分散體系的建立方式及受試品的穩定性進行評估。方法：通過對納米顆粒團聚形成原因和理化分散方法的比較，確定建立分散體系的要素，通過粒度觀測等方法對分散體系的穩定性進行評估。結果：在進行含納米成分醫療器械的檢測時，應根據生產者的建議準備分散體系，建立分散體系的方法應被詳細記錄以保證其重現性。結論：受試品的穩定性對于獲取具有代表性和可重復性的結果尤為重要，在分散方法評估過程中應根據每個受試品的個性，對具體案例進行具體分析和具體量化。

納米材料；分散體系；分散穩定性；團聚

DOI∶ 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.08.012

[First-author’s address] Centre For Medical Device Evaluation, CFDA, Beijing 100044, China.

納米醫學是將納米技術與醫學相結合，運用納米技術的理論與方法，開展醫學研究與臨床治療的新興邊緣交叉學科，納米技術與醫學的結合，推動了基礎醫學研究的技術革新。近年來，隨著新型納米材料和納米技術在醫學領域應用研究的深入，越來越多的納米藥物制劑及醫療器械進入醫療市場，其中納米醫學診斷試劑、納米藥物載體以及再生醫學納米材料等是其主要的應用方向[1-2]。

1 醫療器械中納米分散體系

1.1 納米材料的團聚與分散

醫療器械中所使用的納米材料，其制備、貯存與應用均涉及到團聚與分散問題。由于納米顆粒具有很高的比表面積，在制備或使用過程中極易發生粒子團聚或凝集，影響納米顆粒發揮優勢并最終失去納米顆粒應有的效能。如何克服醫療器械中納米材料的團聚、實現納米粉體有效分散，是含納米材料醫療器械所要驗證和解決的關鍵技術問題。

納米材料的團聚與分散性決定于其表面結構、形態及性質等。由于納米材料表面活性高，其表面結構與接觸的環境密切相關，因而醫療器械中所使用納米材料的表面特性又與其內部結構、體系中的雜質、表面吸附和化學反應、制備工藝以及環境狀態等諸多因素有關。因此，必須結合環境的影響，洞悉納米團聚的機制和分散理論，選擇科學、高效的分散技術[3]。

1.2 納米顆粒團聚形成原因

在制備納米顆粒的過程中，如果未采用分散措施，顆粒團聚的現象將使得微粒不能達到納米粒子的基本要求，因而不能夠實現納米粒子的特殊功能[4]。引起納米顆粒團聚的原因很多，其主要是由于納米顆粒所具有的特殊表面結構，在粒子間存在著不同于常規粒子(顆粒)間的作用能—納米作用能(Fn)。納米作用能是使納米顆粒發生團聚的內在因素，只有削弱或減小納米作用能，才能得到分散性好、粒徑分布窄的納米顆粒[5]。

1.3 納米顆粒的分散技術

顆粒分散是指粉體顆粒在液相介質中分離散開并在整個液相中均勻分布的過程，根據分散方法的不同，?？煞譃槲锢矸稚⒑突瘜W分散兩種分散技術。

1.3.1 物理分散

物理分散方法較為簡單，納米粒子反應體系中不需要增加新的物質，通?？刹捎脵C械攪拌分散和超聲波分散：①機械攪拌分散是一種簡單的物理分散方法，主要是借助外界剪切力或撞擊力等機械能，使納米粒子在介質中充分分散；②超聲波分散是利用超聲產生的局部高溫、高壓或強沖擊波，以便較大幅度地弱化納米顆粒間的納米作用能，有效地防止納米顆粒團聚而達到易于分散的目的[6]。

1.3.2 化學分散

化學分散是在溶液中常用的方法。納米顆粒在介質中的分散是一個分散與絮凝平衡的過程，盡管上述的物理方法可以初步實現納米顆粒在液相介質中的分散，但當外界作用力停止時，粒子間會由于分子間力的作用而聚集?；瘜W分散可以通過改變顆粒表面性質，增強顆粒間的排斥力，從而持久地抑制絮凝團聚。

化學分散的實質是利用表面化學方法加入表面處理劑來實現分散。一般通過納米顆粒表面與處理劑之間進行化學反應，改變納米顆粒的表面結構和狀態，達到表面改性的目的。此外也可以通過分散劑吸附改變粒子的表面電荷分布，產生靜電穩定和空間位阻穩定作用來增強分散效果[7]。Fan等[7]利用表面活性劑(十六烷基三甲基溴化銨)的水溶液和油溶性單分散金納米顆粒的氯仿溶液混合攪拌。在攪拌過程中氯仿緩慢揮發，在揮發過程中金納米顆粒保護層的烷基鏈和表面活性劑的烷基鏈相互作用，硫醇穩定的金納米顆粒會慢慢增溶到表面活性劑所形成的憎水核中，從而得到水溶性的單分散金納米顆粒[8-9](如圖1所示)。

圖1 化學分散合成水溶性單分散金納米顆粒示意圖

在含納米材料醫療器械的實際處理中應將物理分散和化學分散方法相結合，保持分散的穩定性，以達到較好分散效果。

2 納米醫療器械分散體系的建立及評估

由于納米顆粒獨特的表面性能，納米材料對樣品制備過程中的影響因素非常敏感，樣品中納米材料的分散性和粒徑分布可能會隨時間而改變。醫療器械生物學評價過程所采用的提取物和劑量分散體系的制備對樣品中納米材料的分散性有很重要的影響。反應體系中pH值、離子強度或分子組成的輕微改變均有可能會極大改變粒子分散。因此，在生物評估上若要獲得具有代表性的可重復的結果，確定測試所用分散體系的適用性至關重要。

2.1 常用分散體系的建立

在進行含納米成分醫療器械的檢測時，應根據生產者的建議準備分散體系，乳液分散體系以粒徑均勻和可預測的多分散性為特點。粉體顆粒在液相介質中分離散開并在整個液相中均勻分布的過程通常可以分為3個階段：①納米顆粒在介質中潤濕；②團聚體在機械攪拌、磁力攪拌、氣體攪拌或超聲波等分散作用下被打開成單個的納米顆粒或小的團聚體；③在介質中加入表面活性劑阻止單個納米顆粒或小團聚體發生團聚，穩定整個體系[10-11]。

建立分散體系的方法應該被詳細記錄來保證其重現性，該方法應至少包括以下參數：①制造商的信息；②理化性能分析概述；③分散體中測量的質量濃度；④溶解的金屬離子的濃度(金屬納米材料)；⑤分散體系的類別和雜質、污染物的濃度；⑥制劑的細節包括形狀、體積以及用于制造分散體系的容器材料的類型(如圖2所示)。

圖2 醫療器械產品納米分散體系建立示意圖

通過評價穩定性來確定：①納米材料是否溶解、降解，或者隨著時間而轉變；②粒子大小分布和表面電荷是否隨時間變化而變化。

由于醫療器械的使用對象是人體，用于生物學評價研究的納米分散體系應在生理條件下應用，如體外動物實驗應在等滲環境，最適宜的pH值為7.4，在二價離子或蛋白質混合物存在的情況下應同樣可用。這些要求也會帶來新問題，即用于創建生理條件的化學成分可能對納米材料的物理化學特性，包括粒子聚集的程度可以產生意想不到的影響。因此還需要詳細記錄并驗證以下參數以確保實驗條件的重現性并助于解釋實驗結果：①分散體系特征性參數；②樣品溶液的溶解介質及劑量；③樣品溶液的pH值及pH緩沖系統；④分散過程，包括樣品處理、混合過程及時間等。

2.2 分散穩定性的評估方法

隨著納米技術應用的飛速發展，亟需快捷準確的分散穩定性評估方法。好的分散穩定性評估方法體現在下述方面：①能從宏觀上真實反映液體分散體系的穩定情況；②在微觀上能反映出一次分散的納米顆粒粒度；③綜合考慮樣品制備、試驗周期及試驗成本等因素。在醫療器械檢測過程中常用的主要有粒度觀測法、透光率法、Zeta電位法以及沉降法等。

2.2.1 粒度觀測法

粒度觀測法是觀測分散體系中納米顆粒的粒度或粒徑分布的評估方法。分散穩定性好的體系中顆粒尺寸應為一次納米顆粒的尺寸，在粒度較大的情況下該分散體系有一定程度的團聚，其在分散體系中所受重力影響較大，沉降速度加快，從而加速了體系的不穩定性。

就目前所用的粒度觀測法而言，測量的粒度大小或粒度分布都是分散體系中經過處理(如稀釋)后所觀測到的結果，不能夠直接測量納米顆粒在液體介質中的粒徑大小。此外，由于取樣有限，可導致測量結果缺乏統計性[12]。

2.2.2 透光率法

通常使用分光光度計來測量納米顆粒的透光率。該方法是利用分散體系中納米顆粒對一定波長入射光有吸收作用，并且在一定條件下，分散體系的透光率負對數與納米顆粒的含量成反比例關系(朗伯-比爾定律)。隨著分散體系中納米顆粒含量的增加，透光率減小，如果分散體系達到了分散穩定的狀態，其透光率將不再減小。對于不同的分散體系，在相同條件下透光率越小，體系的分散穩定性越好。與其他方法比較，該方法直觀、省時而且準確度較高，尤其在有限的試驗條件下更為方便[13]。

2.2.3 Zeta電位法

液體介質中納米顆粒的表面帶有一定數量的凈電荷，這些電荷吸引同等數量的相反電荷在其周圍，緊密層和擴散層交界處滑動面的電位為Zeta電位。Zeta電位的絕對值越大，顆粒之間的靜電斥力占優勢，不易團聚，表明分散體系穩定；相反，Zeta電位的絕對值越小，顆粒之間的范德華引力占優勢，容易團聚，表明體系分散穩定性差。因此，可以通過測量顆粒表面Zeta電位的大小來評估分散體系的分散穩定性，并用以確定合適的電解質和體系pH值，從而得到分散穩定性好的分散體系[14]。

2.2.4 沉降法

沉降法是將分散體系倒入量筒中并靜置，觀察沉降物的體積或高度。分散穩定性差的體系多呈團粒式的絮凝迅速沉降，且沉降物與上部清液形成一清晰的界面很快達到沉降平衡。分散穩定性好的沉降速度慢，分散體系的顆粒由上而下呈逐漸增濃的彌散分布，無明顯的沉積物。沉降法可以真實地反應納米顆粒在液體介質中的分散穩定性，且操作簡便，是目前較常用的方法。該法的不足之處是試驗周期長，對于分散穩定性好的分散體系不易觀察到沉降[15]。

3 討論

在納米材料的醫療器械中，納米材料本身能夠以粉末或分散膠體的形式存在，但也有可能作為納米結構材料包含在基質、材料中或者作為醫療器械的表面結構在醫療器械中出現。影響納米成分在液相介質中的分散和穩定性的相關因素、納米分散體系的建立及穩定性評估方法等均為進行納米醫療器械生物學評價中特殊且亟待解決的問題。

由于其獨特的表面屬性，納米材料對樣本制備及周圍環境表現出極強的敏感性，樣本中納米材料的分散狀態和顆粒大小分布可能隨時發生變化。此外，分散體系的使用亦有可能改變納米材料的理化特性和毒性，這一屬性對于制備浸提液和(或)儲存溶液具有非常重要的意義。因此，受試品的穩定性對于在生物評價中獲取具有代表性和可重復性的結果而言顯得尤為重要。在分散方法評估過程中，不僅應考慮含納米成分醫療器械的共性問題，還應根據每個受試品的個性做到具體案例具體分析和具體量化。

4 結論

通過對納米顆粒團聚形成原因、理化分散方法的比較可以幫助確定建立分散體系的要素，從而選擇合適的檢測手段對分散體系的穩定性進行評估。在進行含納米成分醫療器械的檢測時，應根據生產者的建議準備分散體系，建立分散體系的方法應該被詳細記錄來保證其重現性。只有對醫療器械所含納米成分的理化性能、團聚機制、分散體系以及評估方法等有了足夠的了解，方能更好地解決對納米醫療器械的生物學評價問題。

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The Application and evaluation of Nano-dispersion systems of nanomaterials in medical devices

XU Yun, DENG Jie
China Medical Equipment,2015,12(8)∶36-39.

Objective∶ To evaluate the methods of nano-dispersion systems and the stability of samples in medical devices. Methods∶ By analyzing the cause of agglomeration and comparing kinds of methods to orient the elements of nano-dispersion Systems and the evaluation means. Results∶ To obtain the repetitive results, the foundation methods of nano-dispersion systems should be recorded in detail and all the following tests should be based on it. Conclusion∶ The constitution and evaluation of a dispersion system in obtaining representative and reproducible results in biological evaluation is very important and should be studied case by case.

Nanomaterial; Dispersion system; Dispersion stability; Agglomeration

1672-8270(2015)08-0036-04

R197.39

A

許耘,女,(1975- ),博士，講師。國家食品藥品監督管理總局醫療器械技術審評中心，研究方向：醫療器械審評。

2015-01-25

①國家食品藥品監督管理總局醫療器械技術審評中心 北京 100044

*通訊作者：dengjie@cmde.org.cn