聚合物納米微球制備實驗設計

徐菊美, 岑　蓮, 胡江林, 張昊舟

(華東理工大學 化學工程系, 上海　200237)

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聚合物納米微球制備實驗設計

徐菊美, 岑蓮, 胡江林, 張昊舟

(華東理工大學 化學工程系, 上海200237)

介紹并比較了乳化-溶劑揮發法和微流控技術制備聚合物載藥納米粒的工藝特點,以形貌和粒度為評價指標,在一定優化工藝條件下制備得到光滑圓整、平均粒徑為200 nm的SB-3CT-PLGA納米粒。該研究項目用于教學實驗,有利于學生綜合能力的培養,比如:掌握不同實驗技術解決問題的能力,設計并組織實驗、分析數據的能力及團隊協作能力。

聚合物納米粒； 乳化-溶劑揮發法； 微流； 教學實驗設計； 能力培養

高等工程教育改革的目標是培養“寬專業、厚基礎”創新型工程技術人才[1]。實驗教育在人才培養中具有獨特、不可取代的優勢與作用。加大實驗教學改革力度,加強學生工程意識、創造思維、設計能力培養,對創新型實踐人才建設具有重要意義。華東理工大學化工專業實驗室擁有一支高水平的師資隊伍和優良的硬件資源,近年來積極開展實驗教學改革,推進研究性實驗教學。本文以“聚合物納米微球制備實驗”為例,一方面,通過引進交叉學科項目、引進新的實驗與分析技術,提高學生的知識水平；另一方面,通過開設“一題多解”、“多參數優化”的研究性實驗,讓學生自行選擇技術路線、設計實驗方案、多組協作完成任務,提高學生的綜合能力[2]。

1　聚合物納米粒與聚合物載藥納米微球

聚合物納米粒是指至少有一相尺度達到納米級尺寸的聚合物材料,通過選擇聚合方式和聚合單體,可從分子水平上設計合成和制備聚合物納米粒,使之具有穩定的形態結構,具有小尺寸效應、表面效應和量子隧道效應,同時具有溫度、pH、電場和磁場響應性等特定功能。聚合物納米粒制備技術廣泛應用于化學、生物學、光學、電子學、機械學、功能材料科學等研究領域[3]。聚合物載藥納米微球是一種典型的納米醫藥材料,是指藥物溶解或分散于高分子材料中形成的微小球狀實體。大量研究表明,當粒徑在10～1 000 nm之間時,藥物的理化性質、物理響應性質、生物學特性將發生改變,因而在人體內的吸收、分布、代謝和排泄發生改變,納米藥物可增強療效、降低不良反應[4]。

本實驗以一種腦部疾病新藥SB-3CT(C15H14O3S2)為模型藥物[5],以聚乳酸-羥基乙酸共聚物(Poly(1actic-co-glycolic acid),PLGA)為載體進行開發。PLGA是一種生物相容性極好、可生物降解、無毒副作用的聚酯類高分子[6-7]。實驗要求學生制備粒度均一、表面光滑圓整的SB-3CT-PLGA納米微球,粒徑越小越好。粒徑是納米粒的決定性特征,以粒度、形貌為考察指標設計教學實驗,將有助于學生深入了解納米技術的原理及應用。

2　PLGA載藥納米微球的典型制備方法

2.1乳化-溶劑揮發法

乳化-溶劑揮發法是一種最常用的納米粒制備工藝[8]。其制備納米粒示意圖見圖1,將模型藥物SB-3CT和PLGA先溶解于有機溶劑中,然后滴加到含有表面活性劑的水相中,在均質機的高速剪切下形成油相/水相(O/W)型乳液,再通過常壓或減壓方式除去乳液分散相中的揮發性有機溶劑,使納米粒硬化,最后通過冷凍干燥從水性混懸液中收集產品——納米粒。乳液中,由有機溶劑、PLGA及SB-3CT形成的液滴狀液體稱為分散相,含有表面活性劑的水相稱為連續相。

圖1　乳化-溶劑揮發法制備納米粒示意圖

2.2微流控法

微流控(microfluidics)技術是一種在微米尺度的通道中操控兩種或幾種互不相溶的微小體積液體,連續、可控地生產具有高度單分散尺寸的單乳液滴和多重乳液液滴的技術。目前的研究成果表明,微流控技術可精確調控乳液液滴結構(如乳液內部包含液滴的組分、數目、尺寸等)[9]。液相流體流動方向的不同,產生乳液的形式也不同,據此可以將微流控裝置分為:同向流動型(co-flow)、T形交叉流動型(T-junction cross-flow)和流動聚焦型(flow-focusing)[10-11]。圖2是同向流動型微流控制備納米粒示意圖,作為分散相的內相液體和作為連續相的外相液體分別在內、外通道中同向流動,在微通道錐口處相遇,此時內相液體受到與其互不相溶的外相液體的剪切力作用而在收集管中斷裂成為尺寸均一的單乳液滴[12]。

圖2　同向流動型微流控制備納米粒示意圖

3　納米微球表征

3.1形貌分析

采用超高分辨率場發射掃描電鏡觀察各工藝條件制備的納米微球,并進行拍照。方法如下:取少量冷凍干燥后的樣品牢固粘貼于樣品臺上,噴金處理,放入樣品槽進行觀察,調節放大倍數和電子束強度,得到形貌清晰的掃描電鏡圖片。本實驗采用的電子顯微鏡型號為NOVA Nano SEM450,電鏡分辨率:高真空時為1.0 nm@15 kV,4 nm@1 kV；低真空時為1.5 nm@10 kV,1.8 nm@3 kV。

3.2粒度分析

粒徑及其分布是微球制劑一項重要的考察指標。本實驗中采用Nano measurer軟件進行顆粒粒度分析:在掃描電鏡圖片中選取一個顆粒相對集中、分布均勻的區域,用軟件測量屏幕上的顆粒尺寸,再根據粒度分布情況求取平均值。

3.3載藥量與包封率測定

載藥量是指微球中模型藥物的質量分數,一般采用適宜的有機溶劑使微球完全溶解后進行含量測定。包封率是指微球中的藥物量占總投入量的比值,可由載藥量進一步計算得到。

模型藥物SB-3CT的紫外吸收特征波長為245 nm,將納米微球溶解在一定量的二甲基亞砜(DMSO)中,采用高效液相色譜法可測定SB-3CT濃度:色譜柱Hypersil ODS (5 μm, 200×4.6 mm),檢測波長為245 nm,流速為1 mL/min,流動相A為0.1%TFA/水、B為0.1%TFA/乙腈,tG=20 min,質量分數為90%～10%梯度。

4　PLGA載藥納米微球制備實驗設計

4.1實驗設計

傳統攪拌法和微流控技術產生的乳液具有相同特征:乳液是一種亞穩態膠體體系,液滴不穩定,保持時間有限,工藝條件的微小改變就能制備出不同的液滴。因此,要獲得符合要求的納米粒,需要系統地考察各種影響因素。在乳化-溶劑揮發法中,應重點考察油水相濃度、油相/水相體積比、攪拌強度等[13]；在微流控技術中,應重點考察微通道尺寸、油水相濃度、油相/水相流速比等。另外,包括聚合物種類、表面活性劑種類、溶劑揮發方式等影響因素[10-11]。學生完成這項實驗,首先應掌握關鍵變量,由于影響因素多,可采用科學的實驗設計法制定實驗計劃,多組協作完成任務。

4.2實驗內容及結果

4.2.1乳化-溶劑揮發制備SB-3CT-PLGA納米微球

在乳化-溶劑揮發法中,系統地研究了均質機攪拌轉速5 000 r/min～14 000 r/min、PLGA質量分數為0.6%～1.2%、表面活性劑聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)質量分數為1%～3%、常壓揮發(ASE)與減壓揮發(RSE)條件下納米微球制備情況。確定優化工藝條件為:轉速大于10 000 r/min、PLGA質量分數為0.6%、PVA質量分數2%、常壓揮發24 h,冷凍干燥。在該工藝條件下,可獲得表面圓整光滑、平均粒徑為240 nm的納米微球(見圖3)。若將上述納米微球懸浮水溶液在5 000 r/min條件下離心分級,可獲得粒度分布更窄、平均粒徑為200 nm的納米微球(見圖4)。經高效液相色譜分析,該工藝條件下制備的納米微球載藥量為12.08%±0.82%、包封率為80.56%±4.12%,基本符合腦部用藥的研究要求[4]。

圖3　分級前PLGA納米粒掃描電鏡圖(左圖標尺為2 000 nm)及粒徑統計

圖4　分級后PLGA納米粒掃描電鏡圖(左圖標尺為2 000 nm)及粒徑統計

4.2.2微流控制備SB-3CT-PLGA納米微球

在微通道直徑為580 μm、錐口90 μm 的裝置中,系統地研究了PLGA質量分數為0.6%～1.2%、表面活性劑透明質酸(hyaluronic acid,HA)質量分數為0.02%～0.08%、水相流速為2～6 mL/h、油相流速為0.5～1.5 mL/h條件下聚合物納米微球制備情況。確定優化工藝條件為:PLGA質量分數為1.2%、HA濃度為0.05%、水相流速為2 mL/h、油相流速為1 mL/h。在該工藝條件下,通過常壓揮發(ASE)24 h后冷凍干燥,可穩定獲得粒度均一、表面圓整、平均粒徑為80.09 μm的納米微球(見圖5)。受實驗條件限制,本實驗研究僅限于微通道直徑為580 μm,若要獲得粒徑更小的納米粒,需進一步優化微通道結構。

圖5　微流控裝置中液滴形成過程及未分級的PLGA納米粒電鏡圖(右圖標尺為100 μm)

4.2.3兩種典型工藝比較

通過實驗發現,乳化-溶劑揮發法操作簡單、易放大、適宜制備單乳體系,但所得納米粒徑分布較寬,往往需要進一步離心分級,收率較低。微流控技術可實現連續操作,具有能耗低、粒度分布均一的優點,但聚合物容易在微通道內堵塞、設備難于清洗。實驗結果表明,乳化-溶劑揮發法制備的納米平均粒徑為240 nm,粒度分布寬；微流控技術制備的微球平均粒徑為80.09 μm,粒度分布較窄,微流控技術能更有效地制備單一尺寸的微球,但粒度較大。本實驗中,乳化-溶劑揮發法制備的納米微球經過離心分級,平均粒徑為200 nm,可達到腦部用藥的研究要求。

5　結語

聚合物載藥納米微球制備技術來源于與化工相關的材料和生物領域,將體現前沿性、交叉性、應用性的研究項目引入到本科生的實驗教學中,有利于開拓學生的視野、激發學生的創新熱情,也有利于學生開展跨學科協作、交流,符合工程實踐人才培養要求。

References)

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Design of teaching experiment for preparation of polymeric nanospheres

Xu Jumei, Cen Lian, Hu Janglin, Zhang Haozhou

(Department of Chemical Engineering,East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)

The emulsion-solvent evaporation and microfluidics techniques are applied in the current work to prepare SB-3CT loaded poly (1actic-co-glycolic acid) nanoparticles. The advantages and disadvantages of both methods are compared. It was shown that spherical SB-3CT-PLGA nanoparticles with a smooth surface and narrow distribution of a mean diameter of 200 nm could be obtained at an optimal condition. This research project could be further adopted to experimental teaching to promote comprehensive ability training of undergraduates, such as acquisition of alternative experimental techniques or skills to solve engineering problems, ability to conduct experiments and interpret data, and team-work cooperation ability.

polymeric nanoparticles; emulsion-solvent evaporation; microfluidics; design of teaching experiment; ability training

10.16791/j.cnki.sjg.2016.03.016

2015- 08- 24修改日期：2015- 10- 13

上海市高校實驗技術隊伍建設計劃項目(2013);華東理工大學本科教育教學改革項目(2013014)

徐菊美(1978—),女,江蘇啟東,碩士,實驗師,化工專業實驗中心副主任,主要從事實驗教學與實驗室管理.

E-mail:xujumei@ecust.edu.cn

G642.423;R944.2

A

1002-4956(2016)3- 0058- 04