超臨界流體技術制備生物可降解聚合物/藥物納米微粒研究進展

詹世平，丁仕強，王衛京，李鳴明，趙啟成

（1 蘭州理工大學石油化工學院，甘肅蘭州730050； 2 大連大學環境與化學工程學院，遼寧大連116622）

引 言

隨著納米科學技術研究的不斷發展，生物可降解聚合物/藥物納米材料在醫學領域的應用越來越廣泛，為疾病的診斷和治療帶來了重大進步，其中包括體外和體內醫療診斷、生物相容醫用材料的制備、營養品和藥物的靶向遞送等。醫用納米聚合物材料能夠獲得廣泛應用的原因是由于其具有獨特的性能，如大的比表面積、量子效應、好的吸附和用作載體材料的性能[1]。聚合物科學與納米技術結合為藥物制劑、食品儲存、包裝、組織工程、納米植入物以及生物醫學工程等領域開辟了新的途徑。盡管納米粒子是指粒徑小于100 nm 的顆粒，但在制藥和醫學領域，固體顆粒的納米尺寸定義通常可以擴展到小于5 μm，而對于粒徑介于1～200 μm 之間的顆粒，其尺寸是處于亞微米和近亞微米區域[2]。這主要是因為該納米粒子常常包括兩種成分：一種是藥物成分，另一種是載體材料。聚合物/藥物納米粒子(PNP)可用于靶向藥物的遞送，它能夠改善各種親水和疏水藥物的溶解性，以及各種生物活性化合物的藥用價值，提高其生物利用度、安全性和生物相容性，降低在治療期間的毒性，提高滲透吸收性和調節藥物滯留的時間。與傳統藥物劑型相比，納米聚合物/藥物遞送系統在控制藥物釋放和克服藥物遞送屏障方面具有顯著的優勢[3-4]。納米聚合物/藥物遞送系統的性能與作為載體材料的可生物降解聚合物密切相關。

傳統制備PNP 的方法使用的溶劑大多為有機溶劑，這對環境和產品均造成一定的污染，因此開發更加綠色和環保的制備方法是非常重要的。作為環保溶劑的超臨界流體，特別是超臨界二氧化碳，具有溫和的臨界條件(Tc=31.1℃，Pc=7.38 MPa)、廉價、無毒、惰性和可回收等特點，將其用于制備PNP 是一種綠色和高效的微粒制備方法，該方法可以解決傳統工藝中存在的問題，并且可使后續的分離更容易，產品的純度更高。超臨界流體在臨界點附近，其密度和黏度隨著溫度和壓力的微小改變會急劇變化，從而改變其溶解和擴散等性能。利用這個性質，可以方便地調節聚合物、藥物和超臨界流體之間的相互作用，控制形成聚合物/藥物納米微粒的大小[5]。為了合理設計聚合物/藥物納米微粒制備工藝，必須全面了解系統的相平衡、溶質擴散動力學、納米材料與流體的相互作用以及在超臨界流體中的輸運現象[6]。

超臨界CO2在生物可降解聚合物/藥物納米材料制備領域具有廣泛的應用，常用的工藝方法有：超臨界溶液快速膨脹法(RESS)、超臨界反溶劑法(SAS)或超臨界熔體微粉化法(SCMM)、共沉淀法(RESS、SAS、超臨界噴霧干燥等)微膠囊化和活性成分涂層(噴涂涂層、超臨界CO2流化床涂層等)。關于使用超臨界流體技術開發聚合物/藥物納米微粒，用于醫學診斷、藥物制劑和食品封裝等方面的研究已取得了一定的成果[7-10]。超臨界流體可以根據藥物成分、載體材料和溶劑的性質，以多種不同的方式制備納米微粒產品。

超臨界CO2制備聚合物/藥物納米微粒加工工藝的選擇，在很大程度上取決于超臨界CO2與藥物成分、載體材料和溶劑的相互作用。在生物聚合物給藥系統中，聚合物與超臨界CO2的相互作用對超臨界工藝過程的選擇起著重要的作用。例如，聚丙交酯(PLA)不易溶于超臨界CO2[11]，適合采用SAS 工藝過程，不適宜應用RESS 過程。另外，聚丙乙交酯(PLGA)具有較低的玻璃化轉變溫度(Tg)，在超臨界CO2氛圍中，其Tg進一步降低，很難通過SAS 工藝制備分散的自由流動粉末。然而，PLGA 的這一特性使其適合于生產殘留有機溶劑含量極低的微孔聚合物泡沫材料，從而得到可用作植入體和支架材料的微孔釋藥聚合物泡沫材料[12]。

超臨界流體制備超細微粒具有突出的優勢，已得到了研究者的廣泛關注，研究成果也層出不窮。為了加快該技術的實際應用，還需要較全面地了解超臨界流體所表現出的優良特性，各種超臨界流體制粒技術特征，并掌握各種技術的機理、流程和實際應用方法，合理選擇適宜流程制備滿足使用要求的納米微粒，促進聚合物/藥物納米微粒的工業化發展[13]。

1 生物可降解聚合物材料

生物可降解聚合物材料因其優異的性能獲得了廣泛的應用。近年來，研究者對生物可降解聚合物材料進行了大量的研究，闡述了其獨特的性能和應用情況[14-15]，按其生物可降解聚合物材料的來源可分為兩大類：合成材料與天然材料。

合成生物可降解聚合物材料主要包括聚乳酸、聚己內酯、聚原酸酯、聚磷酸酯、聚酸酐等，其中脂肪族聚酯是應用最為廣泛的合成生物可降解材料。如來源于可再生自然資源聚合物聚乳酸(PLA)，雖然它們的來源是如玉米淀粉和木薯根，但大規模生產時，它們也是經過化學或酶聚合而成的，也可以歸屬于合成生物可降解聚合物材料這個類別。實際上，許多生物降解和生物相容性聚合物都是通過化學方法合成的。合成聚合物常常含有酯類、酸酐、二酸和酰胺這樣少量的化學基團，合成的生物聚合物骨架中的弱水解鏈是這類材料具有生物可降解性的主要根源，這些基團可以通過化學或酶分解成水溶性的小分子，容易被生物體所代謝。該性能使得它們在藥物控釋、人工器官、組織工程等領域的應用中具有重要意義。這類聚合物的聚合方法可以分為三種類型，加成聚合、縮合聚合和開環聚合，合成可降解聚合物的典型代表是脂肪族聚酯，常用的有聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸(PGA)、聚己內酯(PCL)，以及它們的共聚物[16-17]。

天然生物可降解聚合物因其生物降解性、生物相容性、低毒性和豐富的來源，而被廣泛應用于生物醫用領域。這些聚合物包括白蛋白、明膠、大豆、膠原和多糖，如殼聚糖、瓊脂糖、葡聚糖、透明質酸、海藻酸鈉、卡拉膠和環糊精等。殼聚糖是天然聚合物常用的材料之一，因為它具有與各種聚合物共混的特性，而且易于表面改性，且毒性低，無免疫原性，與組織和細胞具有顯著的相容性等[18]，常用作藥物載體的基體材料。殼聚糖與葉酸結合，可用于治療大腸癌藥物的載體材料，因為葉酸是一種優良的靶向劑[19]。通過將其與1,3-二氨基丙烷交聯，使其成為靶向性大腸癌治療的有效藥物載體[20]。殼聚糖與合成聚合物PLGA 的共混效果也非常好，用作載體材料可提高對癌細胞的親和力[21]。另一種常用的天然聚合物是海藻酸鈉。它是一種無毒，具有黏著性能和生物相容性的抗酸聚合物，在鈣、鋅或鋇等二價陽離子存在下具有獨特的生成凝膠的性能。有研究表明，由于殼聚糖的多功能性和海藻酸鈉的耐酸性能，殼聚糖-海藻酸鈉聯合用于靶向給藥取得了良好的治療效果[22]。除此之外，其他使用的天然聚合物還有淀粉、白蛋白、半乳甘露聚糖、葡聚糖、瓊脂糖、明膠和木質素等，這些天然聚合物可直接或改性用作藥物載體材料[23-25]。

盡管有幾種生物可降解聚合物納米載體在臨床試驗中取得了成功，但被動靶向納米載體用于臨床還是很少，而主動靶向的納米載體在臨床試驗后進一步的開發也很不夠[26]。因此，生物可降解聚合物在用于特定的靶點和持續的藥物釋放方面還需要進行深入的研究，以推動其應用的發展。

2 超臨界流體及特性

超臨界流體(SCF)是指處于高于臨界點的壓力和溫度條件下的任何流體。這類流體的主要特點在于它們具有特殊的物理特性，特別是類似液體的密度、氣體的擴散速率和黏度，以及零表面張力。這些特性使SCFs在一些應用中具有吸引力，例如萃取、色譜、顆粒形成、分離提純過程和生物燃料制備等。超臨界二氧化碳(ScCO2)是一種最常用的SCF，因為它的臨界條件溫和(304.15 K 和7.38 MPa)，而且它是一種不易燃、無腐蝕性和無毒的化合物。

如果純物質的壓力和溫度高于其臨界壓力(Pc)和臨界溫度(Tc)，則為超臨界流體[圖1(a)]。同樣，當壓力、溫度和組成超過混合物的臨界點時，該混合物被認為處于超臨界狀態。例如，對于一個在恒定溫度下的二元混合物，其超臨界狀態是所有組成區域的壓力都要高于二元混合物臨界壓力，該臨界壓力總是對應于該二元系統的兩相區上限壓力[圖1(b)]，也就是說，處于兩相區的壓力總是小于臨界壓力。與此相反，在恒定壓力下，兩相區的溫度沒有限制在臨界溫度以下，即超過臨界溫度值時也會存在有兩相區[圖1(c)]，這種現象的出現與壓力有關。此外，在三元體系中，在恒定溫度和壓力下[圖1(d)]，臨界點通常不在兩相區某組分濃度最大值處，而是在最大值的某一側。應該注意的是，因為涉及組分的數量和它們之間的物理化學相互作用，高壓下多元系統的相平衡可能是相當復雜的，在特定壓力、溫度和組成條件下，會出現多相液-液-氣、固-液-氣和液-液區域[27]。

除了臨界點本身外，當液體或氣體狀態轉變為超臨界狀態(反之亦然)時，流體物質或流體混合物的一些最相關的熱力學和物理化學性質(如焓、熵、密度、介電常數、擴散率和動態黏度)的值沒有突然或間斷的變化。事實上，對于大多數簡單的高壓系統，這些性質通常是以連續的方式隨溫度和壓力而變化，從類似液體性質到類似氣體性質(反之亦然)。然而，這些變化的程度可能相當大，特別是在接近臨界點的壓力、溫度和組成區域，或在進入(或脫離)超臨界區域的附近[27]。

在最小均方誤差原則下，利用給定的試驗數據{(x1,y1),,(xn,yn)}，未試驗點x處仿真響應的Kriging預測均值和預測方差可由下式給出：

圖1 超臨界狀態和臨界點純物質(a)，恒溫二元混合物(b)，恒壓二元混合物(c)，恒溫恒壓三元混合物(d)Fig.1 Supercritical states and critical points pure substance(a)，binary mixture at constant temperature(b),binary mixture at constant pressure(c)and ternary mixture at constant temperature and pressure(d)

這種物理化學性質可調行為是超臨界流體獲得廣泛應用的主要原因。在超臨界流體中，ScCO2(Tc=304.15 K 和Pc=7.38 MPa)和含有大量ScCO2的混合物是最常用的超臨界流體。還有某些其他的超臨界流體，如乙醇、甲醇、異丙醇、丙酮、氨、碳氫化合物(如乙烷、丙烷、異丁烷、乙烯、丙烯、戊烷、正己烷、環己烷)、含氯/氟碳氫化合物(如二氯甲烷、二氟甲烷、三氟甲烷、氯二氟甲烷、五氟乙烷、1,1,1,2-四氟乙烷和1,1,1,3,3-六氟丙烷)和水。因為它們的臨界條件不理想且穩定性差，某些具有毒性和易燃性，對環境也有危害，這些液體僅在非常特別的情況下才使用[28-29]。

以ScCO2為基礎的液體密度及其對特定溶質和共溶劑的溶劑化能力介于氣體和液體之間(分別為0.8～1.3 kg/m3和800～1200 kg/m3)，操作溫度和壓力的微小變化可以很容易地對其進行改變和調整[30-31]。然而，ScCO2并不是能溶解所有物質的溶劑。事實上，ScCO2是一種具有低介電常數的非極性溶劑，有利于氟碳化合物和碳氫化合物的溶解，不能溶解高濃度的強極性物質。但是，由于它具有構建特定位置溶質-溶劑的酸/堿、分散、誘導偶極和四極相互作用的能力，也可以溶解一些低極性物質，但溶解程度較低。此外，由于其相對較低的分子量(44.01)，它只能溶解較小分子量的非極性和低極性物質，例如在溶解聚合物以及蛋白質或高分子量藥物(分子量通常超過500)時，溶解能力會比較差。除了改變操作溫度和壓力調節溶解度外，常用的增溶措施還可以采用添加少量的極性物質(如丙酮、甲醇或乙醇等共溶劑)，或使用具有足夠分散能力的分散劑和表面活性劑，使得具有ScCO2的連續相生成CO2/水或油的微乳液[32-33]。另外，ScCO2基流體可能在某些有機液體/固體物質(如有機溶劑、離子液體、脂類、藥物和聚合物)中具有很大的溶解度，從而能夠作為萃取劑、液體膨脹劑、臨時增塑劑，以及溶脹、吹氣、發泡和霧化劑，在一些實際應用中(如萃取、分離、浸漬)發泡、混合、擠出和造粒[34-37]。

3 超臨界流體制備聚合物納米微粒技術

目前有大量基于ScCO2制備聚合物納米微粒的方法，這些方法大多數還處在實驗室研究階段。這些方法按照ScCO2所起到的作用可以分為三類：(1)作為溶劑，單獨或與共溶劑一起，溶解藥物、溶劑、共溶劑、表面活性劑/穩定劑、輔料或特定工藝體系所需的其他添加劑；(2)作為抗溶劑或共抗溶劑，先將溶質溶解在溶劑(有機物或水)中，制備聚合物或藥物粒子、聚合物載藥粒子或與特定體系所需的其他添加劑共沉淀；(3)作為添加劑，即高流動性溶質、共溶質或共溶劑，使得固體、熔體、液體在液體溶液/乳劑/懸浮液中溶解時產生高的飽和度、低的熔點和大的體積膨脹率，以及在降至大氣壓過程中促進其體積膨脹和冷卻效應。常用的制粒方法包括：超臨界溶液快速膨脹(RESS)，超臨界流體氣體抗溶劑法(GAS)，氣溶膠溶劑萃取系統(ASES)，超臨界抗溶劑沉淀(SAS)，溶液增強固體分散(SEDS)，霧化和抗溶劑結晶(AAS)，超臨界流體乳液萃取(SFEE)，氣體飽和溶液沉淀(PGSS)，超臨界CO2輔助霧化(SAA)和超臨界增強抗溶劑(SEA)。以下對幾種典型的方法及其進展情況進行介紹。

3.1 超臨界溶液快速膨脹

超臨界溶液快速膨脹(RESS)屬于第一類方法，ScCO2用作溶劑，溶解聚合物和藥物，制備聚合物/藥物納米微粒，該方法最初是由Smith等[38-39]在20世紀80 年代開發的。最初的研究主要集中在無機物質和聚合物，且重點是研究粒子形成的基本原理和機制，以及藥物、激素、抗氧化劑、聚合物和蛋白質等具有生物活性的物質[40-41]。

RESS 過程基于ScCO2流體在一定程度上溶解溶質的能力，通常是在飽和或接近飽和的條件下，通過控制過程溫度和壓力，調節流體密度，以獲得對溶質一定的溶解能力。在溶解以后，均相混合物通過噴嘴進行快速地減壓膨脹(通常降為常壓)，這會導致溶質過飽和而均勻析出，并快速沉淀而得到固體粉末。圖2給出了RESS過程的示意圖[42]。

圖2 RESS過程的示意圖[42]Fig.2 Schematic diagram of RESS process[42]

在混合操作時，可以通過將ScCO2注入到含有要溶解溶質的飽和容器中，根據預先確定的條件調整操作壓力和溫度得到溶有溶質的ScCO2均相溶液。通過使用特定的共溶劑和/或表面活性劑/穩定劑、玻璃/不銹鋼珠(改善流體流動和緩沖湍流流動)或超聲波可提高溶解效率。然后，這種飽和(或接近飽和)的混合溶液由飽和容器流向沉淀器，通過毛細管噴嘴在沉淀器中減壓膨脹，固體粒子在沉淀器底部沉淀，沉淀器底部安裝有微孔燒結板，ScCO2和共溶劑通過微孔燒結板排出。根據待加工溶質的含量，可以進行多次萃取/溶解循環，提高其收率，過程結束后，在沉淀器底部收集固體微粒。

RESS 制粒過程在很大程度上取決于溶質與ScCO2混合物的相行為，其涉及到物質的物理化學性質(如界面張力)，以及固體顆粒成核和生長的具體機制。圖3 示出了RESS 過程中溶解度行為和膨脹路徑的示意圖[43]。

固體溶質在預定溫度(T)時溶解在ScCO2(或以ScCO2為基礎的混合流體)中，溶質在超臨界流體相的平衡(飽和)溶解度(y2，溶質摩爾分數)是與流體相(ρ1)的密度有關，在一定溫度時，ρ1取決于壓力的大小。飽和度(S)是根據Debenedetti[44]定義的。當通過加熱的噴嘴進行快速減壓膨脹時，流體相從一個均勻的高密度區，溶解的溶質量低于飽和量(S＜1)，變換為流體相的密度急劇降低，快速穿越飽和線(S=1)，并達到高度過飽和狀態(S?1)。膨脹過程中，以聲速傳播的快速機械擾動(常在10-6～10-4s 的時間尺度內)，在流體相迅速產生均勻過飽和狀態，使得溶質均勻快速析出為細小的微粒。

圖3 RESS過程中溶解度行為和膨脹路徑[43]Fig.3 Solubility behavior and expansion path in RESS process[43]

在RESS 過程中，有許多因素影響其進程，例如萃取/溶解特性、溶質濃度、流體流速和停留時間、預膨脹溫度/壓力，以及沉淀室尺寸和噴嘴直徑等[47]。在ScCO2基流體中，預膨脹溶質濃度越低獲得的顆粒粒徑會越小，而提高預膨脹的溫度會導致形成較大的顆粒，但這一規律還需考慮溶質的熔化溫度，當預膨脹溫度低于溶質的熔化溫度時，通常獲得較小的顆粒，在高于這個值的情況下，通常形成較大的顆粒。在不同的壓力和溫度下，準確掌握所有相關物質的熔化溫度、相互溶解度和相平衡關系，對于RESS 過程的結果是非常重要的。在恒定溫度下，增加預膨脹壓力，通常產生較小的顆粒。這是因為較高的壓力將在降壓過程中產生較高的流速，較短的停留時間，因此粒子生長時間短[43]。預膨脹溫度是控制顆粒尺寸的另一個重要因素，膨脹后較低的溫度通常有利于生成較小的顆粒[48]。RESS 工藝的另一個關鍵因素是沉淀室和噴嘴的設計，即膨脹條件的變化，這與過程流體力學(即水動力學和空氣動力學)以及發生降壓/膨脹路徑的時間尺度有關。RESS噴嘴通常是毛細型的二維噴嘴，其初始入口直徑常為100～1200 μm，毛細管和出口區域直徑為2～50 μm，內部具有不同直徑的區域，由于用于高壓和高速環境，具有較大的摩損，很容易損壞[49]。噴嘴應保持在預設的溫度(預膨脹溫度)下運行，以防止溶質在噴嘴中提前沉淀[45]。噴管膨脹的過程，大多涉及相平衡與動量、質量和能量守恒關系。當沉淀室尺寸和噴嘴直徑改變時，會影響產品的收率、粒度和形貌[50]。

3.2 超臨界抗溶劑沉淀

基于ScCO2制備聚合物/藥物納米粒子最常用的方法是超臨界抗溶劑方法(SAS)，這里ScCO2作為抗溶劑。ScCO2的抗溶劑效應為誘導和控制聚合物/藥物在納米范圍內以非晶態或晶態超細粒子的沉淀提供了獨特的機制。超臨界抗溶劑法引起的奇異高過飽和度和快速過飽和度也促使了新的多態的產生，這可能是其他ScCO2制粒技術難以獲得的，甚至是不可能得到的。抗溶劑-溶質混合物臨界點在三元相圖中的位置對最終顆粒的尺寸和形狀有很大的影響，因為它改變了粒子的形成機制和不同的微粉化途徑[51]。

SAS 方法的標準操作模式是擴展方法(SASEM、ELAS、AAS 等)的基礎，包括：(1) 使用超聲振蕩通過噴嘴將聚合物藥物溶液噴灑到高壓室(SASEM)[52]；(2)ScCO2與共溶劑一起注入溶液液滴(ELAS)，加速原溶劑進入超臨界流體相，析出溶質[53]；(3) 在沉淀室內，聚合物/藥物粒子成核、生長和沉淀，在沉淀室底部收集沉淀的粒子；(4)溶劑和ScCO2在噴嘴前混合后連續從噴嘴處噴射出來(AAS)[54]。SAS 方法中使用的典型溶劑通常是公認安全溶劑(generally recognized as safe，GRAS)和/或 屬 于Q3C(雜質：殘留溶劑指南)中的3 和2 類溶劑(乙醇、甲醇、丙酮、二甲基亞砜、四氫呋喃和二氯甲烷)[55-56]。Duta Lestari 等[57]采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)包封姜黃(C.mangga)提取物活性物質，生物聚合物包封生物活性化合物的微粒化通過保護生物活性化合物不被快速降解、提高溶出速率和控制體內釋放而改善藥物的穩定性和藥物的釋放性能。PVP由于其在水和各種有機溶劑中的溶解性好，能與藥物形成良好的復合物，是一種優良的用于制備藥物微膠囊的載體材料，其制備過程如圖4所示。ScCO2與姜黃素溶液在沉淀管中接觸60 min，原溶劑進入到ScCO2相中，使其溶解度下降，溶質析出，制備得到粒徑為110～210 nm 的納米粒。PVP 的加入促進了聚合物羰基與酚類化合物羥基之間氫鍵的形成，通過形成分子配合物可減少藥物分子的結晶性，從而提高疏水性藥物的溶解度和生物利用度[58]。

De Marco 等[59]報道了幾種有機溶劑與ScCO2在使用SAS 過程中的混合行為，并指出不同的混合特性對沉淀過程中產生的顆粒形貌有很大的影響。討論了影響SAS 沉淀效率的三個基本過程：(1)ScCO2注入溶液的流體力學；(2)溶質、溶劑和抗溶劑(ScCO2)之間的高壓汽相平衡；(3)從溶液到ScCO2和從ScCO2到溶液的傳質。指出在溶劑-抗溶劑混合物接近臨界點時，界面張力降低到零，兩相和一相混合之間沒有過渡區，這意味著在SAS 過程中沒有形成液滴，因此不會出現球形微粒的析出。Cuadra等[60]采用SAS 過程，以二甲基亞砜為溶劑，通過調節溫度和壓力條件，制備得到了平均粒徑220～670 nm的五氟尿嘧啶(5-Fu)微粒，使用二甲基亞砜和二氯甲烷混合溶劑，制備了聚乳酸包覆5-Fu(平均粒徑10～100 μm)的球形復合微粒。復合微粒的藥物釋放性能明顯優于純藥物微粒，復合微粒可用于緩控釋藥物遞送系統。

3.3 超臨界CO2輔助霧化法

用ScCO2流體制備聚合物/藥物納米顆粒的第三種類型是將ScCO2流體用作添加劑，即作為高流動性溶質、共溶質或共溶劑。超臨界CO2輔助霧化(SAA)過程就是ScCO2流體制粒的第三種類型，如圖5 所示[61]。通過設計飽和器(填料塔)提供足夠的接觸面和停留時間，使得水溶液和ScCO2流體能夠充分混合達到飽和狀態，提高了ScCO2與水溶液的混合效率，使其產生更有效的霧化效果，從飽和水滴釋放的ScCO2會產生一種二次霧化現象，也被稱為“氣泡霧化”。SAA 方法主要用于微粒化和粒度控制，某些聚合物/藥物已通過SAA 方法進行處理，微粒尺寸在0.1～3.0 μm之間。

圖4 SAS法聚乙烯吡咯烷酮(PVP)包封姜黃素[57]Fig.4 Polyvinylpyrrolidone(PVP)coated curcumin using SAS process[57]

圖5 SAA過程示意圖[61]Fig.5 Schematic diagram of SAA process[61]

Di Capua 等[62]采用超臨界輔助霧化法(SAA)，進行了聚乙烯吡咯烷酮(PVP)包覆β-胡蘿卜素(BC)共沉淀的實驗研究，得到了直徑在0.42～0.84 μm 范圍內的非晶態球形納米粒，提高了BC 的生物利用度，并為其抗氧化提供了保護。對比了乙醇和丙酮/乙醇混合物兩種溶劑對實驗結果的影響，分析顯示，BC 的包封率高達94%，清除活性高，確認PVP 能夠保護其免受降解。由于共沉淀制備的微粒是非晶態的，在磷酸鹽緩沖鹽溶液(PBS)中BC/PVP 微粒溶解速率是普通物理混合物的22 倍。制備微粒的溶解速率不僅取決于BC/PVP 比率，而且還取決于使用的溶劑/溶劑混合物。可能的解釋是SAA 微粒由液滴形成，隨后通過溶劑蒸發形成微粒，不同的溶劑/溶劑混合物會具有不同的表面張力(液滴直徑)、溶劑蒸發速率(丙酮比乙醇更具揮發性)和溶劑在ScCO2中的溶解度，這些特征可以使顆粒在形成過程中，具有不同的內部組織，這會使微粒產生不同的釋放速率。

Peng 等[63]通過使用水動力空化混合器(SAAHCM)，強化了SAA 過程，制備了含化療藥物阿霉素鹽酸鹽(DOX)的殼聚糖pH 敏納米微粒。研究了溶液濃度、CO2/溶液比、混合器壓力、殼聚糖/DOX 比、殼聚糖分子量等因素對顆粒形貌和粒徑的影響，得到了平均粒徑為120～250 nm 的球形納米粒子，載藥率高達90%。體外細胞毒性分析表明，負載殼聚糖納米粒后DOX 的活性保持良好，SAA-HCM 法是一種適合于從水溶液中一步法制備腫瘤藥物納米粒的新方法。同樣，也可以使用靜態混合器，如采用超臨界CO2輔助噴霧干燥(SASD)方法制備了殼聚糖包覆功能化納米金的納米制劑，含有生物相容的寡糖(2-唑啉)和層黏連蛋白肽(YIGSR)的熒光涂層，用于靶向肺癌的診斷和治療[64]。

通過選擇不同的溶劑，可以調整藥物給藥的納米顆粒尺寸。使用SAA 過程制備尺寸可控的四環素和利福平藥物遞送微粒，通過選擇溶劑類型(水和甲醇)和溶質濃度，兩種藥物均獲得粒徑為0.5～3 μm 的球形顆粒，且藥物粉末是無定形狀態，當選用水為溶劑時，獲得顆粒粒徑較大，用甲醇作溶劑時，可以得到較小粒徑的顆粒。這些差異主要取決于溶劑在液滴上的表面張力和黏度。雖然水和甲醇的黏度近似相同，但水的表面張力是甲醇的三倍多，表明SAA 過程中溶劑的選擇是控制粒徑的關鍵因素[65]。

SAA 過程可用于制備功能性復合微粒，由葡聚糖(DEX)、木犀草素(LUT)和異硫氰酸熒光素(FITC)生成平均粒徑在350 nm 以下的納米微粒，DEX 包覆的熒光材料FITC 其包封率達80%。SAA 工藝不影響DEX 與FITC 的化學結合。在藥物/聚合物配比為1/6 時，與物理混合物相比，LUT 溶出率提高了18 倍。SAA 過程制備的載藥熒光納米微粒在細胞、藥物傳遞和成像載體方面具有良好的發展前景[66]。

3.4 超臨界流體乳液萃取

圖6 SFEE工藝過程的示意圖[67]Fig.6 Schematic diagram of SFEE process[67]

超臨界流體乳液萃取(SFEE)技術是在超臨界流體抗溶劑基礎上發展起來的一種微粒制備工藝技術。首先聚合物與藥物混合制備成穩定的乳狀液，SFEE 過程是將乳液與ScCO2混合，乳液中的有機溶劑會迅速進入到ScCO2相，由于過程中ScCO2與乳液充分接觸，使得二者易于達到平衡狀態，溶解在聚合物中的有機溶劑相進入到二氧化碳中，聚合物包覆藥物過飽和析出形成納米顆粒，由于乳化液中聚合物相分散為細小而粒徑均勻液滴，故析出成為粒徑均勻的納米顆粒，其工藝過程如圖6 所示[67]。這種方法是將乳液技術與超臨界反溶劑(SAS)沉淀技術相結合，具有臨界點適中、無毒、環境安全等優點。通過這種組合，可以依據初始乳化液液滴的大小來控制納米微粒的大小，并且利用SFEE 過程，制備了聚合物包覆天然化合物的納米粒子，得到了液滴和顆粒大小分布之間的對應關系。該技術還可以縮短溶劑去除和聚合物沉淀的時間。以二氯甲烷為溶劑，從O/W 乳液中制備β-胡蘿卜素懸浮粒子，紅辣椒中含有辣椒素的顆粒，改性淀粉中包覆的類胡蘿卜素(番茄紅素和β-胡蘿卜素)，用作抗氧化劑和染料，以及其他具有醫藥用途的化合物[68]。

顆粒形貌取決于乳狀液的特性，ScCO2與乳液的混合比例，在SFEE 裝置中的停留之間以及過程的操作條件，過程中的相行為被認為是影響顆粒形貌的關鍵因素，其影響可以通過改變過程參數(如乳狀液配制條件、SFEE過程條件、聚合物溶劑種類、溶質濃度和溶液與抗溶劑的流量比)進行調節。SFEE過程有三個主要特點：(1)乳液與抗溶劑同時進入混合器；(2)顆粒形成情況與原溶劑與抗溶劑的比例有關，有一個適宜的溶劑比；(3)原溶劑在混合器中向抗溶劑中擴散，聚合物飽和析出，混合器為顆粒形成提供了均勻和連續的流場條件[69]。

Guamán-Balcázar 等[70]采用超臨界反溶劑乳液萃取法制備了芒果葉/PVP 抗氧劑亞微米粒子，在不同的壓力(12～18 MPa)、溫度(35～65℃)和質量比(1/3～1/9)的條件下，獲得了在0.11～0.59 μm 范圍內的球形顆粒；Páulia 等[71]采用SFEE 技術，由淀粉封裝月桂葉精油，考察精油濃度和超聲時間對降低乳化液滴水動力尺寸(DG)的影響，以提高SFEE 的包封效率。乳化液中揮發油濃度為6～12 mg/ml，超聲時間為2～6 min 時，可獲得穩定的微乳液，制備的微粒包封率可達75.5%。SFEE 是一種改進的SAS 工藝，在用于包封水溶性差的藥物方面具有獨特的優勢。SCF 與乳液液滴相互作用，萃取有機溶劑/油相，可以導致微粒快速沉淀。

隨著從使用基于ScCO2的液體作為溶劑，轉向抗溶劑和抗溶劑添加劑，相對所需的CO2用量和設備尺寸會逐漸減少，技術水平不斷提高。ScCO2作為溶劑：可半連續制備高純度微粒，加工溫度較溫和，可減少使用有機共溶劑/表面活性劑，無須長時間的干燥就能容易地回收和再利用二氧化碳。但藥物/輔料/其他物質必須溶于CO2，在CO2中的溶解度要相對較大，得到的微粒粒徑分布較寬，容易發生噴霧毛細管/噴嘴堵塞，通常產率較低，設備體積大，對二氧化碳的需求量大，投資和加工成本相對較高。ScCO2作為抗溶劑：可以在較溫和的溫度下得到納米粒子，CO2可以回收，并可重復使用，可以連續操作得到較窄的粒徑分布。顆粒的尺寸可以從納米到微米不等。可以通過工藝變量來控制得到所需微粒的形態(形狀、粒度和粒度分布)，可用于聚合物/藥物制粒，產率高，與傳統溶液制粒的工藝相比，減少了有機溶劑的使用，超臨界流體可以快速去除有機溶劑而無須后續的干燥步驟，降低了生產成本，能源效率高。SFEE結合了傳統乳化液技術的優點(如控制粒度和表面性能)和ScCO2萃取工藝的優點(產品純度高，加工時間短)，也提高了封裝效率，而且幾乎沒有殘留溶劑，是一種有前途的制粒方法。ScCO2作為添加劑：可以在較溫和的溫度下得到高純度的非晶和晶體/共晶無溶劑納米粒子，可減少使用有機共溶劑/表面活性劑，無須長時間的干燥就能容易地回收和再利用二氧化碳，可以得到不溶于ScCO2(如聚合物)的溶質微粒，不需要高壓和大體積的沉淀室，SAA 可提高噴霧干燥的效率，并可較好控制粒徑及粒徑分布，提高包封/共沉淀效率，降低膨脹液的表面張力，調整溶劑和抗溶劑的配比，可得到超細納米顆粒，其工藝可用于制藥和蛋白質等多種用途的批量或連續工藝，產率高，具有一定的經濟可行性。但粒度和形狀控制需要一定的操作技術，某些工藝可能需要更高的加工溫度，混合比不適宜會發生噴霧毛細管/噴嘴的堵塞。

4 結論與展望

癌癥是當今世界嚴重的人類健康問題之一。因此，全球科學界正在努力開發新的藥物遞送系統有針對性地治療這種疾病，減小給病人帶來副作用。在這方面，超臨界流體技術具有突出的優勢，這些技術可以用于任何載體/藥物的微粉化，以及提取活性物質。雖然這些技術還沒有大范圍用于臨床治療癌癥，但與傳統制劑相比，具有廣泛的優勢。經過多年的研究，超臨界流體技術的種類有多種多樣，通過選擇不同的工藝，就可以加工出不同的親水和疏水材料，從低分子量到大分子量，以及加工和獲得不同類型的非晶/晶態的微納米粒子；通過調整超臨界流體的工藝參數，可以優化和控制最終產品顆粒大小、粒度分布、形貌和結晶度；還可以加工和獲得共沉淀藥物和其他活性組分的納米顆粒制劑；在沒有有機溶劑殘留的情況下，能夠制備綠色的形態可控的載藥納米微粒，同時可以保證一定的藥物封裝率和藥物溶出率；還可以根據所需的藥物和治療的需求，選用適宜的載體和制備工藝得到納微米藥物制劑。然而，為了制備更高質量的納米微粒，并加快其臨床應用，超臨界流體技術還需進行一些深入的研究。加強這種給藥系統在體外和體內的研究和微粒的細胞毒性試驗，用于評估和闡明其治療癌癥的潛力；加強藥物載體的功能化研究，以獲得更加完善的給藥系統，增強藥物傳遞系統的靶向性和有效性；制粒過程如何經濟有效地捕獲和收集納米粒子目前也存在一些問題，當納米粒子在高速氣體中非常分散時，這一點尤其具有挑戰性。理論研究還需加強，該過程是一個復雜的流體流動、傳熱和傳質過程，還缺乏基本的試驗數據，缺乏可靠的模型來描述和預測所有涉及的復雜多組分高壓相平衡、熱物理性質、流體和噴霧動力學、傳質和成核/生長過程，這將影響和限制操作變量的選取，優化和控制最終產品的質量，即粒度、粒度分布和結晶度。因此還需做好長期艱苦細致的工作，使超臨界流體制粒技術日趨完善。