基于噴霧冷凍干燥技術(shù)制備甘露醇吸入粉霧劑的研究

＊仇實(shí) 嚴(yán)珅 張盛宇 吳鐸

（蘇州大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)部化工與環(huán)境工程學(xué)院 江蘇 215123）

甘露醇吸入粉霧劑可應(yīng)用于成人肺部囊性纖維化的補(bǔ)充性維持療法，也可作為哮喘引發(fā)劑為哮喘患者的診斷提供依據(jù)[1-2]。

為實(shí)現(xiàn)甘露醇吸入粉霧劑微粒的肺部高效遞送，要求微粒的空氣動(dòng)力學(xué)直徑（dae）小于5μm，而dae由幾何尺寸、密度和動(dòng)態(tài)形狀因子所決定。目前，甘露醇微粒制備工藝大多為噴霧干燥技術(shù)[3]，但該技術(shù)制得的微粒密度通常較大，導(dǎo)致體外氣溶膠性能較差。有學(xué)者開發(fā)了噴霧冷凍干燥技術(shù)[4]，該技術(shù)結(jié)合了噴霧干燥和傳統(tǒng)真空冷凍干燥技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，可制備具有多孔、低密度特性的脆性微粒[5]。因此，通過噴霧冷凍干燥制備的微粒具有更佳的體外氣溶膠性能，有望用于制備高性能甘露醇吸入粉霧劑[6-8]。

基于此，本研究采用團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)設(shè)計(jì)的微流控噴霧冷凍干燥技術(shù)制備了一系列甘露醇吸入粉霧劑，重點(diǎn)考察前驅(qū)液溶劑組成與噴霧冷凍溫度對(duì)甘露醇吸入粉霧劑的形貌、尺寸和晶型等結(jié)構(gòu)屬性的影響規(guī)律和調(diào)控機(jī)制，并揭示決定其體外氣溶膠性能的主要因素。

1.實(shí)驗(yàn)材料與方法

(1)主要原材料與儀器

甘露醇，純度≥99%，Sigma-Aldrich；乙醇，純度≥99%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；聚氧乙烯月桂醚，梯希愛（上海）化成工業(yè)發(fā)展有限公司。

微流控噴霧冷凍塔（自主設(shè)計(jì)搭建）；雙流體霧化器（LBGA02）；差示掃描量熱儀（DSC 3+）；掃描電子顯微鏡（SU1510）；激光衍射粒度分析儀（Sympatec）；X-射線粉末衍射儀（BRUKER）；新一代級(jí)聯(lián)撞擊器（NGI）。

(2)實(shí)驗(yàn)方法

①干粉制備

將按表1 配置的前驅(qū)液裝至70 mL 注射器中，經(jīng)注射泵以5 mL/min 的流速將前驅(qū)液注入雙流體霧化器中，進(jìn)氣流速為16 L/min，將前驅(qū)液霧化成細(xì)小液滴，液滴進(jìn)入的微流控噴霧冷凍塔中，凍結(jié)得到冰球顆粒，在塔底用配套的專用收集盤收集冰球。待噴霧冷凍操作結(jié)束后，將冰球轉(zhuǎn)移至不銹鋼罐中，然后將其放入凍干機(jī)中進(jìn)行真空冷凍干燥60 h，得到樣品。

表1 前驅(qū)液配方組成和噴霧冷凍工藝參數(shù)匯總表

樣品配方及工藝參數(shù)如表1 所示，樣品統(tǒng)一命名形式為SF(a)D-M5-EbWc，a 代表噴霧冷凍溫度，M5代表前驅(qū)液中為甘露醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 %，E 和W 分別代表乙醇和水溶劑，b 和c 分別代表乙醇和水在前驅(qū)液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

②表征測(cè)試

掃描電子顯微鏡：將樣品依次通過雙面導(dǎo)電膠粘至固定樣品盤上，將樣品盤在20 mA 電流下噴金處理60 s 后放入樣品艙中，調(diào)節(jié)加速電壓為15 kV，最后調(diào)焦距對(duì)樣品進(jìn)行拍攝。

粒度儀：將干粉灌裝于3 號(hào)羥丙基甲基纖維素膠囊中，用Breezhaler?吸入器在60 L/min 流速下進(jìn)行測(cè)試可得到相應(yīng)數(shù)據(jù)，每份樣品重復(fù)3 次。

X- 射線粉末衍射儀：取一定量樣品放置在單晶硅樣品臺(tái)上并用載玻片壓平，設(shè)置掃描角度為5°～90°，步長(zhǎng)為0.05°，每步停留時(shí)間為0.3 s 條件下進(jìn)行測(cè)試。

新一代級(jí)聯(lián)撞擊器：精密稱取干粉約50 mg，將其均勻地裝載到3 號(hào)膠囊中，待裝填完畢后，將膠囊放入Breezhaler?吸入器中，按壓吸入器兩側(cè)將膠囊扎破，并將吸入器與適配器相連，設(shè)定吸入時(shí)間為4 s。吸入完成后，準(zhǔn)確稱取各盤級(jí)與膠囊的質(zhì)量，并使用分析軟件計(jì)算出被測(cè)樣品的細(xì)顆粒分?jǐn)?shù)（Fine Particle Fraction）與質(zhì)量中值空氣動(dòng)力學(xué)直徑（Mass Median Aerodynamic Diameter），每份樣品重復(fù)3 次。

2.結(jié)果與討論

(1)形貌分析

圖1 展示了樣品的形貌圖。純水溶劑的樣品均呈現(xiàn)為團(tuán)聚的細(xì)小晶體碎片，破碎程度較高（圖1A），隨著噴霧冷凍溫度的降低，樣品的形貌無顯著變化。可能是由于溶質(zhì)骨架不足以支撐微粒的宏觀結(jié)構(gòu)，因此凍干過程中冰晶升華，微粒的骨架發(fā)生坍塌，最終呈現(xiàn)為細(xì)小晶體的聚集體。

圖1 不同冷凍溫度下的微粒形貌圖

乙醇/水溶劑下所制備的樣品均為針狀晶體的聚集體（圖1B-E），調(diào)節(jié)乙醇與水的質(zhì)量比和噴霧冷凍溫度均沒有顯著改變樣品的宏觀形貌，但相比于水溶劑，乙醇/水溶劑所得的晶體尺寸相對(duì)較大。甘露醇在乙醇/水混合溶劑中的溶解度較低，且甘露醇的溶解度通常隨著溫度下降而降低。在冷凍初期，受溶解度決定的過飽和度控制，甘露醇在液滴中大量地隨機(jī)成核，然后快速生長(zhǎng)成動(dòng)力學(xué)優(yōu)勢(shì)的不穩(wěn)定和亞穩(wěn)態(tài)晶體，因此甘露醇晶體很可能優(yōu)先于溶劑結(jié)冰而析出，液滴中出現(xiàn)明顯的相分離現(xiàn)象，故其晶體尺寸相對(duì)較大。同時(shí)結(jié)合其共熔溫度分析，冰球在一次完全干燥結(jié)束之前可能已經(jīng)變?yōu)榫哂辛鲃?dòng)性的玻璃態(tài)，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的二次坍塌，因此最終呈現(xiàn)為堆積的針狀晶體。

(2)幾何尺寸分析

圖2 展示了不同溶劑組成及噴霧冷凍溫度下制得的微粒在經(jīng)吸入裝置分散后的幾何尺寸，以水作為前驅(qū)液溶劑的樣品，隨著噴霧冷凍溫度的下降，制備的樣品幾何尺寸小幅下降。這是因?yàn)槔鋬鰷囟仍降?，過冷度越大，液滴凍結(jié)速率越快，甘露醇晶體生長(zhǎng)時(shí)間越短。而針對(duì)以水/乙醇作為前驅(qū)液溶劑的樣品，隨著噴霧冷凍溫度的降低，幾何尺寸增大，這是因?yàn)樵谳^低的噴霧冷凍溫度下，甘露醇晶體之間堆積致密，容易形成機(jī)械互鎖，且流動(dòng)性較差，吸入時(shí)無法解開晶體的團(tuán)聚。

圖2 不同冷凍溫度下的微粒幾何尺寸圖

(3)晶體學(xué)性質(zhì)分析

從圖3 可以看出，針對(duì)以水作為前驅(qū)液溶劑的樣品，隨著冷凍溫度降低，穩(wěn)定的β 晶型含量逐漸下降。這是因?yàn)槔鋬鰷囟冉档?，提高了液滴凍結(jié)速率，造成甘露醇分子在析出結(jié)晶過程中無足夠時(shí)間組裝形成穩(wěn)定晶型結(jié)構(gòu)，因此β 晶型含量逐漸下降。

圖3 在不同冷凍溫度下的樣品XRD 譜圖（A、B 和C）及晶型占比圖（D）

針對(duì)以水/乙醇作為前驅(qū)液溶劑的樣品，樣品中穩(wěn)定的β 晶型含量低于水相前驅(qū)液樣品。主要是由于甘露醇分子間形成了穩(wěn)定的氫鍵，而乙醇與甘露醇分子間也可以形成氫鍵，從而影響了僅有甘露醇情況下的有序組裝，不利于形成穩(wěn)定的β 晶型。當(dāng)噴霧冷凍溫度相對(duì)較高時(shí)，所得樣品晶體的穩(wěn)定性隨乙醇含量的提高而逐漸降低，這可能是因?yàn)榍膀?qū)液中乙醇的含量較多時(shí)，液滴凍結(jié)過程中甘露醇受溶解度影響析出較快，不利于形成穩(wěn)定晶型。而在冷凍溫度相對(duì)較低時(shí)，樣品晶型組成以δ 晶型為主，且前驅(qū)液中乙醇占比對(duì)樣品晶型無明顯影響，這主要是由于低冷凍溫度下過冷度較大，甘露醇優(yōu)先析出為亞穩(wěn)態(tài)的δ 晶型。

(4)體外氣溶膠性能分析

從圖4 可以看到，在冷凍溫度為-40 ℃和-60 ℃時(shí)，樣品的MMAD 較小且FPF 較高。在較高的冷凍溫度下，樣品機(jī)械強(qiáng)度較差，通過吸入裝置可以進(jìn)一步破碎，得到幾何尺寸更小的碎片。而在噴霧冷凍溫度為-80 ℃，甘露醇晶體堆積較緊，有團(tuán)聚與機(jī)械互鎖的現(xiàn)象，導(dǎo)致樣品在吸入時(shí)大部分沉積在裝置和喉部。

圖4 不同冷凍溫度下的甘露醇微粒沉積分布圖（A、B、C）及MMAD 與FPF 值匯總圖（D）

對(duì)比純水溶劑與乙醇/水混合溶劑下制備的樣品，在噴霧冷凍溫度為-40 ℃與-60 ℃時(shí)，純水溶劑樣品MMAD 較高且FPF 低于乙醇/水混合溶劑樣品。兩種溶劑體系下制得微粒的吸入狀態(tài)幾何尺寸相似，但形貌差別較大，乙醇/水溶劑的微粒為針刺狀晶體聚集體（δ 晶型為主），甘露醇晶體間有效接觸面積與范德華力較小，因此在進(jìn)入撞擊器的過程中還可以被繼續(xù)分散為更小單元。而在噴霧冷凍溫度為-80 ℃時(shí)，兩種溶劑體系樣品氣溶膠性能相似，這主要是由晶體間的緊密堆積帶來的團(tuán)聚與機(jī)械互鎖所決定的。

3.結(jié)論

本研究利用一種新型微流控噴霧冷凍干燥技術(shù)成功制備了一系列甘露醇吸入粉霧劑。結(jié)果表明，在純水溶劑下，樣品均呈現(xiàn)為團(tuán)聚的細(xì)小碎片狀晶體；而乙醇/水混合溶劑下制備的樣品為針狀晶體的聚集體，噴霧冷凍溫度和溶劑比例對(duì)樣品的宏觀形貌無顯著影響。通過新一代撞擊器對(duì)樣品的體外氣溶膠性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)乙醇/水體系下的樣品相較于純水溶劑具有更佳的氣溶膠性能，這是由于針狀晶體間的有效接觸面積與范德華力較小，進(jìn)入撞擊器的過程中還可以被繼續(xù)分散為更小單元。此外，在冷凍溫度為-80 ℃時(shí)，由于晶體間的緊密堆積帶來的團(tuán)聚與機(jī)械互鎖，導(dǎo)致微粒進(jìn)入撞擊器后無法再分散，樣品細(xì)顆粒分?jǐn)?shù)值均低于-40 ℃和-60 ℃條件下所制備的樣品；由此，得到最佳配方和工藝條件下的樣品FPF 高達(dá)64%，優(yōu)于已上市的大部分吸入粉霧劑產(chǎn)品。