芙蓉方乳膏劑處方優化及流變學研究

王靈敏 鄧莉莉 王昕怡 李婷婷 郝逗逗 李鑫 梅凱 劉葭 吳清

芙蓉方(木芙蓉葉、大黃、黃連、澤蘭、關黃柏、黃芩、冰片)為北京中醫醫院名老中醫趙炳南的經驗方，臨床廣泛應用于治療瘡瘍腫毒之熱毒蘊結證[1]。本方作為院內制劑使用時，現有劑型為油脂型軟膏，其制備及使用過程中存在有效成分利用度低、軟膏油膩性強、易污染衣物、患者順應性差等問題。基于O/W乳劑型軟膏具有易清洗、易涂布、無油膩性、性質穩定，且藥物釋放、穿透較快的特點[2]，使用乳劑型軟膏代替油脂型軟膏，可以改善患者使用時的油膩感，對提高其作用療效和改善患者用藥依從性方面具有重要意義。

流變學是研究材料流動及變形規律的科學，可以借助流變儀及質構儀獲得材料隨應力、應變、溫度和時間的變化所產生的變形、流動等力學變化曲線，從而求得材料的黏彈性、稠度、硬度、涂布性等流變物理特性參數[3-4]。由于乳膏劑的主觀評價標準難以統一，無法客觀科學地對其質量進行評定，引入流變學指標輔助主觀評分作為篩選指標，可以客觀、統一地評價乳膏劑質量。綜上，本文在文獻篩選及預實驗的基礎上選取了乳膏的基本處方，以Plackett-Burman實驗確定各輔料用量，結合D-最優混料設計優化處方，并對其進行流變學研究，建立流變參數物理指紋圖譜，為制備質量穩定的芙蓉膏奠定了良好的基礎。

1 儀器與材料

1.1 實驗儀器

Mettler AE 240型萬分之一電子天平(梅特勒托利多儀器上海有限公司)；JY20002電子天平(上海舜宇恒平科學儀器有限公司)；BT 125D電子分析天平(北京賽多利斯公司)；RE-501型旋轉蒸發儀(北京神泰偉業儀器設備有限公司)；DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(北京科偉永興儀器有限公司)；C-MAG HS4型加熱磁力攪拌器(艾卡儀器設備有限公司)；TMS-PRO物性分析儀(美國FTC公司)；RheoWin HAAKE Viscotester IQ Air型流變儀[賽默飛世爾科技(中國)有限公司]。

1.2 實驗試劑

芙蓉方濃縮液(0.8 g生藥/g；實驗室自制：黃連、關黃柏加10倍60%乙醇，大黃、木芙蓉葉、黃芩、澤蘭加8倍70%乙醇，分別回流提取2次，每次2小時，減壓濃縮備用)；芙蓉膏(實驗室自制)；黃連(批號：90531001)、關黃柏(批號：93870401)、大黃(批號：96261101)、澤蘭(批號：93260901)、黃芩(批號：90551001)，均購于北京三和藥業有限公司；木芙蓉葉(北京仟草中藥飲片有限公司，批號：180502006)；冰片(北京鶴延齡藥業發展有限公司，批號：1803110)；白凡士林(南昌白云藥業有限公司，批號：20170704)；尼泊金乙酯(生工生物工程股份有限公司，批號：MC1205S2011J)；液體石蠟(批號：20200325)、十八醇(批號：20190822)、單硬脂酸甘油酯(批號：20200603)、硬脂酸(批號：20200923)、Tween-80(批號：20191010)、Span-80(批號：20200402)、丙三醇(批號：20170912)，均購自天津市光復精細化工研究所。

2 方法與結果

2.1 基本處方及制備方法

本文經查閱文獻[5-7]及前期預實驗基礎，確定乳膏的基本處方為：2.0 g硬脂酸、6.0 g單硬脂酸甘油酯、4.0 g液體石蠟、2.0 g白凡士林、4.0 g十八醇、8.0 g甘油、3.0 g Tween-80、0.5 g Span-80、0.06 g尼泊金乙酯、40.5 g芙蓉方濃縮液(0.8 g生藥/g)。

制備方式[8-9]：將水相(Tween-80、Span-80、甘油、尼泊金乙酯)加熱至85℃，與大黃、木芙蓉葉、澤蘭、黃芩提取液混合均勻；將油相(硬脂酸、單硬脂酸甘油酯、液體石蠟、白凡士林、十八醇)加熱至相同溫度，與黃連、關黃柏提取液混合均勻；再將水相邊加邊攪拌倒入油相中，以300 r/分鐘轉速乳化15分鐘(85℃)，常溫下繼續攪拌，待溫度降至約40℃時，加入適量乙醇溶解的冰片，繼續攪拌至冷卻即得。

2.2 評價指標及評價方法

2.2.1 主觀評分標準 根據文獻調研及2020版《中華人民共和國藥典》[10]中乳膏劑項下的規定，乳膏劑應均勻細膩，具有適當的黏稠度且易于涂布，由此建立了以外觀、涂展性、穩定性為主的乳膏主觀評分規則，具體包括外觀性狀、涂展性、離心穩定性、耐寒穩定性、耐熱穩定性，每項10分，其中離心是否分層最能反映乳膏的貯存穩定性，因此將離心穩定性的權重系數設為0.3，乳膏劑一般不受低溫影響，因此將耐寒穩定性的權重系數設為0.1，剩余三項的權重系數均設為0.2。具體評分標準[11]見表1。

2.2.2 物理特性參數測定 質構儀是一種多功能物性分析儀，可通過壓縮、穿刺、剪切及拉伸等多種測試模式，表征材料的硬度、黏附性、彈性、內聚性等多種流變性能指標[12]。本文通過探頭篩選、測試距離考察及方法精密度、重復性測試，確定了質構儀測試乳膏時的參數：測試探頭為錐角90°的錐形探頭、測試距離7 mm、測前高度30 mm、測試速度60 mm/分鐘、測試后速度 600 mm/分鐘、感應力50 N、觸發力0.075 N、采樣頻率1000 Hz，該方法穩定可行，可用于后續實驗中對芙蓉膏進行質構特性測試。

2.3 輔料用量確定

以單因素實驗評分結果為依據，每因素取兩水平(硬脂酸0.00 g、8.00 g，單硬脂酸甘油酯0.00 g、4.00 g，液體石蠟0.00 g、6.00 g，白凡士林2.00 g、6.00 g，十八醇4.00 g、8.00 g，甘油4.00 g、12.00 g，復合乳化劑2.50 g、5.50 g)，其中復合乳化劑為Tween-80與Span-80質量比7∶1。采用Plackett-Burman實驗設計(n=12)考察各輔料對芙蓉膏的外觀、穩定性及硬度、黏度等物理特性是否具顯著性影響。實驗安排見表2，實驗結果見表3，方差分析結果見圖1。

以主觀評分為主，硬度、黏度等質構評分為輔，由圖1可固定對結果無顯著影響的因素，即4.00 g白凡士林、8.00 g十八醇、12.00 g甘油；而硬脂酸、單硬脂酸甘油酯、液體石蠟、復合乳化劑為影響芙蓉膏質量的主要因素。

表1 乳膏主觀評分標準

表2 Plackett-Burman實驗設計安排

表3 Plackett-Burman實驗設計結果

續表

圖1 Plackett-Burman實驗設計影響因素顯著性分析圖

2.4 優化芙蓉膏處方

選取影響芙蓉膏質量的四個主要因素作為考察對象，以單因素實驗較高綜合評分為依據，設定四個因素在高低兩個水平對應的值(硬脂酸2.00 g、6.00 g，單硬脂酸甘油酯0.00 g、4.00 g，液體石蠟0.00 g、4.00 g，復合乳化劑2.50 g、5.50 g，提取液35.58 g、40.50 g)。運用Design-Expert軟件，進行D-最優混料實驗，進一步優化芙蓉膏處方(固定除白凡士林、十八醇及甘油后的芙蓉膏基質總量為46.00 g)。實驗安排見表4，評分結果見表5。

2.4.1 模型擬合 應用Design-Expert 11.0軟件，對綜合評分結果進行模型擬合，二項式模型的P為0.0087，失擬度為0.5579，表明所建立的方程具有統計學意義。擬合結果為Y= 4.73X1+4.08X2+7.86X3+0.3782X4+5.56X5+3.44X1X2-3.78X1X3+16.87X1X4+8.92X1X5-0.4249X2X3+22.02X2X4+6.51X2X5+9.77X3X4+4.52X3X5+15.04X4X5(R2= 0.8699，X1、X2、X3、X4、X5代表因素A、B、C、D、E)，說明該模型可以準確預測實驗結果，方程擬合度良好。

表4 D-最優混料實驗設計安排

表5 D-最優混料實驗設計評分 (n=5，分)

2.4.2 最優基質處方及驗證實驗 采用Design-Expert 11.0中Numerical功能，設定綜合評分的理想響應值為最大，得到預測的最優組合為：3.14 g硬脂酸，1.30 g單硬脂酸甘油酯，0.00 g液體石蠟，4.00 g白凡士林，8.00 g十八醇，12.00 g甘油，4.19 g乳化劑(3.67 g Tween-80，0.52 g Span-80)，37.37 g提取液。

為了檢驗模型的可靠性以及軟件設計給出的最優組合預測值與實際值的差異，根據所得最優組合制備3批樣品進行驗證，三批樣品的綜合評分分別為8.60、8.70、8.60，與預測值8.30相近，說明軟件預測的模型可靠，表明D-最優混料設計可以準確地預測乳膏基質的最優配比。同時，實驗中觀察到最終制備得到的乳膏外觀均勻細膩，涂展性良好，穩定性考察結果表明乳膏內部結構較為穩定。

2.5 流變特性評價

乳膏劑的流變學評價中常借助流變儀進行穩態剪切流動試驗、動態剪切流動試驗及蠕變測試來描述乳膏的屈服應力、觸變性以及黏彈性等；借助質構儀描述人手使用乳膏時的觸感[4, 13]。其中穩態剪切流動試驗主要是測定黏度函數和第一法向應力差函數；動態剪切流動是對材料施加正弦剪切應變(或應力)作為動態響應加以測定，主要測定溶液的損耗模量和存儲模量等[14]；蠕變測試是記錄材料的形變隨時間的變化，以表征材料的觸變性及抗結構破壞的能力。本實驗取適量芙蓉膏置于流變儀的平板模具上，采用C35 2°/Ti型轉子，設置流變儀的轉子與底座間隙為0.1 mm，對芙蓉膏進行穩態剪切試驗、動態剪切試驗及蠕變測試。

2.5.1 穩態剪切試驗 在溫度25 ℃，剪切速率0.1 s-1～ 50 s-1間，對芙蓉膏進行穩態剪切速率(γ)掃描，測定剪切黏度(η)及剪切應力(τ)隨剪切速率的變化情況，見圖2。

圖2 芙蓉膏穩態剪切流變曲線圖

將圖2流變曲線中γ與τ數據進行Ostwald-de Wale冪律方程τ= K·γn擬合(K為稠度系數，表征流體的黏稠度；n為非牛頓系數，表征材料偏離牛頓流體特性的程度，n<1為假塑性流體，n>1為脹流體，n=1為牛頓流體)，得擬合方程τ= 289.7·γ0.1818(R2= 0.9612)，表明芙蓉膏較黏稠，屬于假塑性流體，具有剪切變烯的特性，利于制劑生產環節的灌裝、涂抹。從圖2中可以看出黏度隨剪切速率增大呈下降趨勢，進一步證明芙蓉膏具有剪切變稀的特性。

2.5.2 動態剪切試驗 應變(γ)掃描：在溫度25℃，頻率1 Hz，應變0.001～1內，對芙蓉膏作動態剪切應變掃描，測定儲存模量(G′)、損耗模量(G″)、相位角(δ)、復數粘度(|η*|)隨γ變化情況，見圖3，以此確定芙蓉膏的線性黏彈區(LVR)[15]，為其他動態剪切試驗提供合適的應變條件。結果表明，芙蓉膏的LVR為0.1%～1%，當γ(%)> 1%時，芙蓉膏開始產生屈服，G′和G″開始急劇大幅度下降，且G′相較G″下降幅度大，δ急劇上升且大于45°，此時樣品性質以黏性特征為主。|η*|隨形變的增大而下降，代表芙蓉膏具有剪切變烯的特性，且隨著形變的不斷增大，其由彈性特征轉變為以黏性特征為主。

圖3 芙蓉膏動態剪切應變掃描圖

頻率(f)掃描：依據確定的LVR，固定應變γ= 0.003，在溫度25 ℃，頻率0.1 Hz～ 50 Hz內，對芙蓉膏進行動態剪切頻率掃描，測定G′、G″及|η*|隨f的變化情況，見圖4。結果表明，隨著f增大，芙蓉膏的G′及G″呈逐步上升的趨勢，G′較G″上升幅度大，且一直大于G″，說明芙蓉膏彈性性質以及黏性性質良好，在長期儲存過程中可以保持結構穩定。此外，|η*|隨f的增大逐漸下降，進一步證明了芙蓉膏剪切變稀的性質，與穩態剪切實驗結果相符合。

圖4 芙蓉膏動態剪切頻率掃描圖

溫度(T)掃描：在動態剪切試驗中，固定測試頻率為1 Hz，應變0.3%，以0.075 ℃/s的升溫速率在15 ℃～60 ℃范圍內對芙蓉膏進行溫度掃描，測定G′、G″及|η*|隨溫度的變化情況，見圖5。結果表明隨著溫度的上升，G′、G″及|η*|均呈下降的趨勢，這說明芙蓉膏在高溫剪切下其致密三維網狀結構受到一定的破壞。在溫度15 ℃～60 ℃內，G′始終大于G″，且G″下降的幅度更大，代表乳膏始終以固體性質占主導地位。當溫度高于50 ℃時，G′、G″及|η*|開始出現急劇下降的現象，說明芙蓉膏內部結構受高溫影響被破壞嚴重，提示芙蓉膏貯存溫度應在50 ℃以下。|η*|隨著溫度的升高而減小，這可能是因為低溫下分子之間排列相對緊密，溫度升高加快了分子熱運動，分子間距增大，從而導致體系黏度下降。

圖5 芙蓉膏動態剪切溫度掃描圖

2.5.3 蠕變測試 設定乳膏的測試應力為50 N，施加應力時間為300 s，回復時間為600 s，對芙蓉膏進行蠕變性測試，得到形變關于時間的函數，見圖6。結果顯示撤去應力后，乳膏的形變有所回復，但是無法完全回復，說明芙蓉膏觸變性較強，在外界施加的力破壞了芙蓉膏內部凝膠網狀結構的情況下，乳膏結構會難以恢復至初始狀態。試驗后的芙蓉膏室溫下放置三天有液體析出，證明內部結構已發生改變。

2.6 物理指紋圖譜的建立

自制10批芙蓉膏，以其在流變儀動態剪切模式下的黏彈性參數結合質構儀測試所得物性參數(存儲模量、損耗模量、復數黏度、硬度、稠度、黏聚性、黏性指數、涂布性)，采用雷達圖繪制10批芙蓉膏的物理指紋圖譜，以相似度評價結果表征芙蓉膏的制備工藝穩定性及可重復性。

2.6.1 10批芙蓉膏動態剪切試驗 采用“2.5.2”項下應變掃描方法，逐一對10批芙蓉膏進行動態剪切應變掃描，測定G′、G″隨應變的變化情況，以確定10批芙蓉膏的LVR，見圖7。結果顯示10批芙蓉膏的LVR為0.1%～1%。

圖6 芙蓉膏蠕變測試圖

圖7 10批芙蓉膏動態剪切應變掃描圖

依據確定的LVR，固定應變γ= 0.003，采用 “2.5.2”項下頻率掃描方法，逐一對10批芙蓉膏進行動態剪切頻率掃描，G′及G″隨f的變化見圖8，|η*|隨f的變化見圖9。依據動態剪切頻率試驗，得到γ= 0.003、f= 0.1 Hz情況下，10批芙蓉膏G′、G″及|η*|，見表6。

表6 10批芙蓉膏G′、G″及|η*|測定值(f = 0.1 Hz)

圖8 10批芙蓉膏動態剪切頻率掃描圖(γ= 0.003)

圖9 10批芙蓉膏動態剪切頻率掃描圖(γ= 0.003)

2.6.2 10批芙蓉膏質構儀測試試驗 采用“2.2.2”項下質構儀測試參數條件，測定10批芙蓉膏的硬度、黏度等物理特性，每個樣品重復測定兩次，取平均值，結果見表7。

表7 10批芙蓉膏質構儀測試試驗

2.6.3 芙蓉膏物理指紋圖譜的構建 通過上述流變特性指標的測定，選取8個物理參數構建物理指紋圖譜，分別為存儲模量、損耗模量、復數黏度、硬度、稠度、黏聚性、黏性指數、涂布性，用來表征乳膏的內部結構穩定性、黏彈性及涂展性等。為便于分析，將上述8個物理特性指標實測值標準化至0～10范圍內，各指標的標準化轉化方法見表8。將指標進行標準化轉化，繪制10批芙蓉膏的物理指紋圖譜雷達圖(S1～S10)，取10批乳膏各指標標準化轉化后的參數平均值繪制雷達圖(R)，作為對照物理指紋圖譜，見圖10。

2.6.4 芙蓉膏物理指紋圖譜的相似度分析 將10批芙蓉膏的物理指紋圖譜與對照指紋圖譜進行相似度分析，采用SPSS 19.0聚類分析中的夾角余弦計算方法計算相似度，相似度越接近于1，表明各批芙蓉膏的物理性質越接近。結果可知，10批芙蓉膏之間的物理指紋圖譜相似度均大于0.950；與對照指紋圖譜相比，相似度分別為0.999、0.998、0.999、1.000、0.998、0.999、0.998、0.999、0.995、0.995，均大于0.990，表明各批芙蓉膏的流變特性差異較小，其流變特性較為穩定，進一步證明了芙蓉膏制備工藝的穩定性。

表8 流變參數物理質量指標的標準化轉化方法

圖10 芙蓉膏物理指紋圖譜及對照指紋圖譜

3 討論

物理指紋圖譜是一種綜合表征粉體物理性質的評價系統[16]，在中藥粉體、藥用輔料、制劑成型工藝質量評價和制劑處方設計中廣泛應用[17]，但在中藥乳膏劑的質量一致性評價中應用研究較少。因此，本研究采用物理指紋圖譜相似度結果評估不同批次乳膏劑物理性質的一致性，可為中藥乳膏劑質量評價體系的完善提供新思路。物理指紋圖譜所包含的參數越多，則表征的信息越豐富，但是需要的時間、測試成本也越高。因此，選取關鍵質量指標既可以獲取目標信息，也可以節約成本。本研究選取了主要的8個流變學指標(存儲模量、損耗模量、復數黏度、硬度、稠度、黏聚性、黏性指數、涂布性)繪制雷達圖，直觀展現芙蓉膏的整體流變性能。并以物理指紋圖譜相似度評價結果評估不同批次乳膏劑物理性質的一致性，結果表明10批芙蓉膏之間的物理指紋圖譜相似度均大于0.950，與對照指紋圖譜相比相似度均大于0.990，證明芙蓉膏制備工藝的穩定。

此外，本研究在乳膏劑處方優化及工藝考察階段引入流變學指標，輔助主觀評分作為篩選指標，與僅采用主觀評分作為乳膏劑的篩選指標相比，更加客觀、科學、合理。在流變學測試中，通過穩態剪切試驗說明芙蓉膏屬于假塑性流體，具有剪切變稀的特性，利于生產、灌裝、涂抹；通過動態剪切試驗說明芙蓉膏在低頻及高頻下均穩定，有利于存儲，且在50 ℃以下具有較好的抗高溫能力；蠕變測試說明芙蓉膏具有極強的觸變性。

綜上，本文通過對芙蓉方乳膏劑的處方優化與流變學研究，為中藥乳膏劑的制備和質量評價提供了新的研究思路和方法。