基于數值模擬驗證的中藥原生藥粉制備微丸成型規律研究

周 揚，邱慶歡，鐘其新，曾 峰，洪燕龍

1.蘇州衛生職業技術學院藥學院，蘇州檢驗醫學生物技術重點實驗室，江蘇 蘇州 215009

2.上海中醫藥大學，上海中醫健康服務協同創新中心，上海 201203

3.廣東省第二人民醫院，廣東 廣州 510317

4.廣州中醫藥大學 青蒿研究中心，廣東 廣州 510445

5.廣州中醫藥大學深圳醫院 老年病科，廣東 深圳 518034

6.廣州中醫藥大學第一附屬醫院/廣州中醫藥大學第一臨床醫學院，廣東 廣州 510405

中藥原生藥粉是由中藥材或中藥飲片粉碎后所得的粉體，是中藥制劑的一種重要使用形式[1]，芳香類中藥原生藥粉直接入藥可避免主要活性成分的揮發，人參、西洋參等貴重藥材可減少藥物在提取過程中的損失，對于含有蛋白水解產物或主要活性成分不溶于水的動物藥，直接制成制劑療效更優。大部分丸劑可由部分中藥原生藥粉加入適宜輔料制成[2]。

微丸是藥物粉末和輔料構成的直徑小于2.5 mm 的圓球狀實體，屬于多劑量劑型，具有生物利用度高、腸道刺激小等優點[3]。中藥制劑的原料藥一般較易吸潮、流動性差，不利于后續制劑成型[4]，將其制成流動性好、物理性質較為穩定的微丸，可改善原料易吸濕和流動性差等問題。

目前中藥微丸的研究主要集中在中藥提取物微丸處方或工藝的優化研究[5-6]，對于中藥原生藥粉制備微丸的相關研究報道較少。擠出滾圓法是目前最常用的制備微丸方法之一，羅云等[7]進行了三七總皂苷微丸的成型性研究，發現擠出滾圓法制得微丸的成型性與原料物性存在相關性。Gao 等[8]采用中藥提取物擠出滾圓考察軟材物理性質與微丸成型性的關系，發現兩者存在一定相關性。基于這些實驗結果，本實驗以分別來源于根、莖、葉、花、果實、種子6 類藥用部位的8 種中藥飲片（陳皮、枳殼、白芍、牡丹皮、木瓜、干姜、菊花、山藥）制得的原生藥粉作為模型藥物，以微晶纖維素（microcrystalline cellulose，ΜCC）為載體，在30%載藥量分別以4 種含水量進行擠出滾圓制備微丸，對微丸的外觀形態進行分類，測定軟材的物理性質參數，探尋軟材物理性質與微丸形態之間的相關性，并與計算流體動力學（computational fluid dynamics，CFD）結合，采用CFD 模擬驗證微丸形態分類結果，為后續進行軟材的物理改性和制備高載藥量中藥微丸奠定實驗基礎，也提供一種新的微丸處方前研究途徑。

1 儀器與材料

1.1 儀器

E50/S250 型擠出滾圓機，重慶艾伯特機電有限公司；TA-XT Plus 型物性測試儀，英國Stable Μicro Systems 公司；BSA2245-CW 型電子分析天平，德國賽多利斯公司；GeminiSEΜ 500 型場發射掃描電子顯微鏡（SEΜ），德國Zeiss 公司。

1.2 試藥

ΜCC SH-101（批號190702）、ΜCC SH-102B（批號190101）、ΜCC SH-CG1（批號190829），均為安徽山河藥用輔料股份有限公司生產。陳皮（產地浙江）、枳殼（產地江西，批號190513）、白芍（產地安徽，批號190105）、牡丹皮（產地安徽，批號190621）、木瓜（產地四川，批號191216）、干姜（產地四川，批號190510）、菊花（產地浙江，批號190312）、山藥（產地河北，批號190709），均為蘇州市天靈中藥飲片有限公司生產，經蘇州衛生職業技術學院中藥學教研室朱纓教授鑒定，陳皮為蕓香科柑橘屬植物橘Citrus reticulataBlanco 的干燥成熟果皮，枳殼為蕓香科酸橙植物酸橙C.aurantiumL.的干燥未成熟果實，白芍為毛茛科芍藥屬植物芍藥Paeonia lactifloraPall.的干燥根，牡丹皮為毛茛科芍藥屬植物牡丹P.suffruticosaAndr.的干燥根皮，木瓜為薔薇科木瓜屬植物貼梗海棠Chaenomeles speciosa(Sweet) Nakai 的干燥近成熟果實，干姜為姜科姜屬植物姜Zingiber officinaleRosc.的干燥根莖，菊花為菊科菊屬植物菊Chrysanthemum morifoliumRamat.的干燥頭狀花序，山藥為薯蕷科薯蕷屬植物薯蕷Dioscorea oppositaThunb.的干燥根莖。

1.3 軟件

Uncrambler9.7 軟件，挪威Camo 公司；SPSS21.0軟件，美國IBΜ 公司；Weka3.7 軟件，新西蘭懷卡托大學；UGNX10.0 軟件，德國西門子公司；ICEΜ CFD 軟件，美國ANSYS 公司；Fluent 軟件，美國ANSYS 公司。

2 方法與結果

2.1 微丸制備中擠出滾圓參數的確定

2.1.1 ΜCC 型號的確定 取3 種型號ΜCC 各稱取30 g，固定擠出和滾圓速度分別為60 r/min 和1000 r/min，分別在水和輔料的比例0.7∶1、0.8∶1、0.9∶1、1.0∶1、1.1∶1 含水量下制得15 份空白軟材，經擠出滾圓制得微丸，置于紅外線快速干燥箱中，以40 ℃恒溫烘干3 h 以上。通過比較所得微丸的成型情況確定合適的ΜCC。將各型號ΜCC 制得的微丸形態進行比較，結果見表1，與型號SH-101 和型號SH-CG1 在5 種含水量下制得的微丸形態相比，型號SH-102B 的ΜCC 在5 種含水量下制得的微丸細粉相對較少、不易黏壁，形態較為圓整。因此，選擇型號SH-102B 的ΜCC 作為制備微丸的輔料。

表1 3 種型號MCC 在不同加水量下制得的微丸形態Table 1 Morphology of pellets prepared under different amount of water content using three types of MCC

2.1.2 擠出速度的確定 取6 份型號SH-102B 的ΜCC，每份30 g，在1.0∶1 含水量下制得6 份空白軟材，分別以10、20、30、40、50、60 r/min 進行擠出，以1000 r/min 進行滾圓。因軟材擠出形成的短圓柱狀擠出物過短會導致滾圓過程中細粉過多，從而使微丸的得率下降，因此，對比各擠出速度下擠出所得短圓柱擠出物的長度，并結合最終得到的微丸得率情況，確定擠出速度。

微丸得率的計算方法如下：取40 ℃恒溫烘干3 h 以上的微丸，稱定其質量為m1，再將此微丸過篩，回收通過60 目篩且不過80 目篩的微丸，稱定其質量為m2，則得率為m2/m1。

擠出機的擠出速度范圍為0～72 r/min，軟材在擠出過程中機器會產生熱量，隨著擠出速度的提高，擠出過程中軟材的失水率也相應提高，從而使擠出物的物理性質發生一定變化，為避免機器產熱過高對擠出過程產生影響從而影響擠出物的物理性質，因此，選擇10、20、30、40、50、60 r/min 共6 種轉速進行擠出速度的確定。圖1為軟材在不同擠出速度所得擠出物形態對比圖，隨著擠出速度的增加，得到的擠出物長度相應增加。結合表2數據，在60 r/min 所得擠出物在滾圓時得到的微丸得率較高，因此確定擠出速度為60 r/min。

表2 各擠出速度下制得的微丸得率Table 2 Pellets yield at different extrusion speeds

圖1 各擠出速度下所得擠出物形態Fig.1 Morphology of extrudates at different extrusion speeds

2.1.3 滾圓速度的確定 取6 份型號SH-102B 的ΜCC，每份30 g，在1.0∶1 含水量下制得6 份空白軟材，經60 r/min 的擠出速度擠出后，分別以1000、1100、1200、1300、1400、1500 r/min 的速度進行滾圓，由于滾圓機速度將直接影響微丸的圓整度，因此可比較滾圓后微丸的形態來確定適宜的滾圓速度。由于滾圓機的速度范圍為0～2830 r/min，速度太低，得到的微丸圓整度較差，速度太高，機器發熱嚴重，會導致滾圓過程中失水較多，因此，選擇從1000～1500 r/min 進行滾圓速度的確定。圖2為不同滾圓速度所得微丸形態比較圖，當滾圓速度越慢時，微丸越不易成型，圓整度低，速度越快滾圓過程中產生的粉末越多，結合表3微丸得率情況，確定滾圓速度為1200 r/min。

表3 各滾圓速度下制得的微丸得率Table 3 Pellets yield at different spheronization speeds

2.1.4 微丸制備 將實驗所用到的8 種中藥飲片粉碎通過80 目篩，得到中藥原生藥粉備用。分別稱取中藥原生藥粉和ΜCC，載藥量30%，置于金屬容器中充分攪拌混勻，每種中藥原生藥粉與ΜCC 混勻后加入4 個處方量的蒸餾水制得4 份含水量的軟材，達到手握成團、觸之即散的狀態，置于擠出機和滾圓機中制備微丸。擠出機篩網孔徑0.6 mm，先以60 r/min 的速度擠出得到擠出物，然后將擠出物以1200 r/min 的轉速滾圓3 min 制得微丸，最后將制得的微丸置于紅外線快速干燥箱中40 ℃恒溫烘干3 h，即得最終成型的微丸。

2.1.5 微丸外觀形態分類標準 隨機選取烘干后的微丸50 粒，根據各形態微丸顆粒所占的比例可將其分為3 類，并在SEΜ 下進行觀察，得到圖3，形態1 為棒狀、雙球形或啞鈴形顆粒，形態2 為較為規整的圓球形顆粒，形態3 為較為規整的大球形顆粒。若某一形態的微丸顆粒數超過25 粒，則將其劃分為該形態。

圖3 微丸形態分類圖 (I) 和SEM 圖 (II)Fig.3 Morphology classification (I) and SEM of pellets (II)

2.2 軟材物理性質參數表征和微丸形態分類研究

2.2.1 軟材物理性質參數表征 采用物性測試儀測定軟材擠出物，即得軟材的物理性質參數。采用物性測試儀測得的物理性質參數主要有硬度（hardness，Ha）、黏附性（adhesiveness，Ad）、彈性（springness，Sp）、內聚性（cohesiveness，Co）、咀嚼性（chewiness，Ch）和回復性（resilience，Re）。設定參數為測前速度2 mm/s，測試速度5 mm/s，測后速度5 mm/s，壓縮百分比為40%，時間5.0 s，觸發力為“自動5.0×g”（這個是儀器自帶的參數，觸發力自動為5.0×g）。將樣品杯置于載物盤上，對壓縮圓盤進行高度校正，使其感受到5.0×g力時返回到距樣品杯80 mm 高度的地方。稱取30 g 軟材平行測定3 次，取測定結果的平均值。

8 種中藥所得32 個處方軟材物理性質參數和微丸形態數據見表4，當含水量不同時，軟材物理性質參數和所得微丸的形態也有所差別。將軟材物理性質參數原始數據采用SPSS 21.0 軟件標準化處理后，求其平均值后做雷達圖，見圖4，可直觀看到3種形態微丸的物理性質參數范圍，形態1 的Ha、Ad、Co、Ch 值相對較大，Sp 值相對較小，形態3的Ha、Ad、Co、Ch 值相對較小，Sp 和Re 值相對較大，如果要獲得形狀較好的微丸，軟材則應具有較為平均的物理性質參數，如形態2。

表4 32 個處方的軟材物理性質參數和微丸形態數據 (n=3)Table 4 Physical property parameters of soft materials and pellet morphology data of 32 prescriptions (n=3)

續表4

圖4 32 個處方的軟材物理性質參數雷達圖 (n=3)Fig.4 Radar chart of physical properties of 32 prescriptions(n=3)

2.2.2 主成分分析（principal component analysis，PCA）和相關性分析 采用Uncrambler 9.7 軟件對各處方軟材物理性質參數和微丸形態數據進行PCA，優選與主成分貢獻較大的物理性質參數，結果見圖5、6。主成分得分Z值表示主成分最終的權重結果，采用SPSS 21.0 軟件將各處方軟材物理性質參數數據與主成分得分Z值進行相關性分析，可得到表征軟材物理性質的最優參數，結果見表5和圖7。圖5表明前2 種主成分可以將這32 個處方分成3 部分，分別為三角形、正方形和圓形所示，分別解釋71%和16%的軟材物理性質。λ是PCA 分析中的特征值，代表PCA 得分的方差，當λ值大于1時，可保留相應的主成分。表5結果表明，前2 個主成分對應的λ值占總λ值的86.90%，所對應的λ值分別為4.263 和0.952。因此，主成分1（PC1）比主成分2（PC2）更重要。在圖6中，Ha、Ad、Co、Ch、Re 與Sp 所在的象限距離較遠。如果綜合考慮PC1 和PC2 的結果，Ha、Ad、Co、Ch 和Sp可能是更有價值的物理性質參數。由于Ch 是復合參數，Ha、Co、Ad 與Sp 距離較遠，故分別用Ha×Co、Ha/Co、Ha/Sp、Ad/Co、Ad/Sp 和Co/Sp 作為新參數與主成分得分Z值進行線性相關分析，得到相關系數值，其中Ha×Co、Ha/Sp 和Ad/Co 的相關系數值較高，分別為0.994、0.963 和0.968，故可用Ha×Co、Ha/Sp 和Ad/Co 來表征軟材的物理性質。因此，采用Ha×Co、Ha/Sp 和Ad/Co 分別對微丸形態進行分類，得到圖7，采用這3 個參數分別得到的3 種微丸形態分類結果基本可以將3 種形態的微丸區分，但仍有少數類型出現重疊。

圖5 PCA 得分圖Fig.5 PCA score chart

圖6 PCA 載荷圖Fig.6 PCA loading chart

圖7 基于相關性分析的微丸分類結果Fig.7 Classification result of pellets based on correlation analysis

表5 PCA 結果Table 5 PCA result

2.2.3 微丸成型性預測分析 為了提高微丸形態分類結果的準確性，采用Weka 3.7 軟件以微丸形態為分類標準對軟材物理性質進行隨機森林（Random Forest）分析，篩選軟材物理性質參數，進行微丸成型規律預測研究。

以軟材的物理性質參數數據作為輸入變量，以表4中的微丸形態分類數據作為輸出變量，采用隨機森林進行分析，得到微丸成型性預測結果，見圖8。以Ad/Co 為1 級分類指標，Ha/Sp 為2 級分類指標，Ha×Co 為3 級分類指標，Ad 為4 級分類指標，含水量為5 級分類指標，可將微丸分為3 類，所得的方法分類正確率為96.87%，其中有1 個處方分類不正確。當擠出物的Ad/Co 值＜-47.96 時，得到的微丸為形態3；當Ad/Co 值≥-47.96 時，以Ha/Sp 為2 級分類指標，當Ha/Sp 值≥33 638.14 時，得到的微丸為形態1；當Ha/Sp 值＜33 638.14 時，以Ha×Co 為3 級分類指標，當Ha×Co 值＜4 521.92 時，得到的微丸為形態2；當Ha×Co 值≥4 521.92 時，以Ad 為4 級分類指標，當Ad 值＜-10.29 時，得到的微丸為形態1；當Ad 值≥-10.29 時，以含水量為5 級分類指標，當含水量≥90%時，得到的微丸為形態2，當含水量＜90%時，得到的微丸為形態1。

圖8 基于隨機森林的微丸成型性預測結果Fig.8 Prediction result of pellets forming based on random forest

2.3 CFD 數值模擬驗證實驗[9]

隨著計算機計算能力的大大提高，數值分析已逐步成為與實驗同等重要的研究手段[10]，本實驗采用CFD 數值分析方法，在“2.2.3”項實驗參數的基礎上，對微丸的成型性結果進行仿真分析，將數值分析結果與實驗結果進行對比驗證，從計算精度的角度驗證了采用數值分析方法研究微丸成型性預測結果的可行性，為后續深入采用數值分析研究微丸的成型規律提供可行性基礎。

根據本實驗所選的滾圓裝置的實際尺寸，采用三維作圖軟件建立裝置的三維模型并進行網格的劃分，采用六面體結構化網格對計算域進行劃分，網格大小滿足網格無關性要求，采用ANSYS 對問題進行數值分析求解，簡化擠出滾圓步驟，基于EDEΜ離散元和ANSYS 耦合求解，采用組分輸運模型考慮不同成分的成粒原材料，采用ΜESH ΜOTION 考慮底盤轉動，SIΜPLE 迭代進行計算并得到收斂結果。圖9為滾圓裝置三維模型的網格分布規律圖，網格質量合格，網格單元數為83.8 萬，從精度和計算速度的角度可滿足計算要求。

圖9 滾圓裝置網格分布規律Fig.9 Grid distribution law in the spheronization device

根據表4中藥枳殼在0.7∶1、0.8∶1、0.9∶1 和1.0∶1 含水量下的物理性質參數數值，選取Ad、Ad/Co、Ha/Sp、Ha×Co 和含水量這5 種參數，進行CFD 模擬實驗驗證，枳殼的參數數據在CFD 模擬時進行簡化，采用組分輸入模型，Ad 為組分1（占10%），Ad/Co 為組分2（占50%），Ha/Sp 為組分3（占20%），Ha×Co 為組分4（占10%），含水量為組分5（占10%），通過設置這5 種組分的比例來進行數值模擬，這5 種組分的數值見表6。圖10為滾圓裝置中的氣流速度圖，氣體圍繞裝置進行圓周螺旋運動，在裝置底部氣流速度較快。圖11、12為枳殼在4 種含水量下滾圓時得到的微丸顆粒運行軌跡，可以看到3 種形態微丸顆粒在滾圓裝置底部的運行軌跡有一定區別。按照第1、2 組的組分數值，得到的微丸形態見圖13中淺綠色、深綠色和藍色顆粒，按照第3 組的組分數值，得到的微丸形態見圖13中橘色和黃色顆粒，按照第4 組的組分數值，得到的微丸形態見圖13中紅色顆粒，該模擬驗證結果與圖8中微丸成型性預測結果相一致，表明采用CFD 模擬驗證實驗對微丸進行成型預測具有一定的可行性。

表6 CFD 模擬實驗5 種組分數值Table 6 Numerical value of five components in CFD simulation experiment

圖10 滾圓裝置中氣流速度圖Fig.10 Air velocity chart in the spheronization device

圖11 滾圓裝置中微丸顆粒運行軌跡Fig.11 Trajectory of pellets in spheronization device

圖12 3 種形態微丸在滾圓裝置中運行軌跡Fig.12 Trajectory of three kinds of pellets in spheronization device

圖13 微丸形態分類CFD 模擬圖Fig.13 CFD simulation chart of pellet morphology classification

3 討論

本實驗探討8 種中藥原生藥粉制得的軟材物理性質與微丸成型性的關系，擠出滾圓過程中設置擠出機速度60 r/min、滾圓機速度1200 r/min，在30%載藥量和4 種加水量下制得32 個處方的擠出物和微丸，測定軟材物理性質和微丸形態并進行數據分析后得到微丸形態分類結果，采用CFD 進行模擬驗證，為該微丸形態分類結果是否準確提供了實驗依據，為提高所得微丸的質量提供了有用的信息。但由于本次實驗的數據量較少，無法反映全部中藥的物理性質，在后續研究中會加大樣本量，基于中藥的藥用部位來源，對微丸的成型規律進行更深入的研究。

本實驗采用中藥原生藥粉制得的軟材進行物理性質的測定，對微丸的形態進行分類預測，隨機森林分析中仍有1 個處方未正確分類，這可能與軟材的物理性質以及中藥本身具有的纖維性、黏性較強等性質有關[11]。在擠出滾圓時，Ha 越大，軟材越不容易發生形變；Ad 越大，擠出時越順暢，若該值過大，得到的軟材則易聚集，從而影響滾圓過程；而Sp 越大，就越易產生形變；Co 越大，聚合能力越強，也會影響軟材表面的光滑程度。若軟材容易聚集，說明軟材含水量較多，在滾圓時則會得到大量大球。有的中藥如菊花、干姜都為纖維性極強的中藥，雖然有ΜCC 作為載體，但在一定的含水量時，擠出仍較為困難，而且擠出時發熱嚴重，得到的軟材也會大量失水，在滾圓時會得到較多棒狀、雙球形或啞鈴型的微丸，若加大含水量，擠出時得到的軟材較濕，還會擠出少量水，滾圓時會得到大量大球。而對于陳皮、枳殼等含揮發油較多的果實類中藥，其纖維較少，在一定含水量時擠出就會相對容易，從而得到的軟材狀態佳，滾圓后也會得到大量圓球狀微丸。中藥因藥用部位不同，粉體一般會表現出明顯的粉性、纖維性、黏性等物理特性[12-14]，這些性質會對軟材的物理性質產生很大的影響，從而會對微丸成型性產生一定影響，因此本實驗選取分別來自根、莖、葉、花、果實、種子6 種藥用部位的8 種中藥飲片進行微丸成型性研究，這8 種中藥為常用中藥，具有很好的代表性，將其制成微丸具有可行性，也為中藥微丸制劑的開發和研究奠定了基礎。

CFD 是近代流體力學、數值數學和計算機科學相結合的一門科學，近年來已在醫藥領域中取得了顯著進步[15-17]。采用CFD 技術與醫藥實驗研究相結合，對醫藥研究的發展有重要意義。本實驗的CFD模擬過程對相應參數進行了簡化，因此，最終的模擬驗證結果可能存在一定的誤差，模擬驗證結果與實驗結果相一致，采用該方法進行微丸的形態分類研究具有一定的可行性。在后續會對模擬結果進一步實驗驗證，以便于后續能運用CFD 方法指導中藥微丸的制備和工藝優化。

本實驗制備微丸選用的載藥量為30%，在一定含水量下能制得形態較好的微丸。目前的研究還不能減少給藥總量，但是微丸作為丸劑的現代新劑型，與傳統的水丸、濃縮丸等相比，它可以根據需求制成緩、控釋、速效微丸或制劑中間體，而且可改善中藥原生藥粉的吸濕性等，具有廣闊的市場前景。

本研究采用物性測定儀進行軟材的物理性質表征，物性測定儀是一種具有多功能的可對制劑中間體進行物理性質評價的儀器[18-19]，目前已廣泛用于食品和醫藥行業。鄭亞平等[20]采用物性測定儀直觀評價中藥提取物軟材物理特性，王玲等[21]采用物性測試儀表征擠出搓圓塑制法制備中藥蜜丸中間體丸條的的硬度等物理特性參數。采用物性測試儀測得的物理性質參數Ha 是固體材料抵抗彈性變形、塑性變形或破壞的能力，Ad 是不同分子間產生的引力，Sp 是固體材料受到外力作用形態發生變化后恢復原來狀態的性質，Co 是同種分子間產生的引力，Ch 是Ha、Sp 和Co 的乘積，屬于復合參數，Re 是固體材料在受到的作用力逐漸減小時的回復能力，這些參數對擠出滾圓制備適宜的微丸起著至關重要的作用。在進行實驗研究過程中，尚有一些不夠完善的部分，在后續的中藥微丸研究過程中，會進一步優化和改進實驗方法，緊跟現代科學的步伐，引領中藥的發展。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突