（安全技术及工程专业论文）超临界反溶剂过程制备药物超细微粒.pdf

超临界反溶剂过程制各药物超细微粒 p r e p a r i n gd r u gm i c r o p a r t i c l e sb ys u p e r c r i t i c a la n t i - s o l v e n tp r o c e s s a b s t r a c t i ti sv e r yi m p o r t a n tt h et e c h n o l o g yo fp r e p a r i n gd r a gm i c r o - p a r t i c l e sf o rp h a r m a c y m i c r o n i z a t i o nr e d u c e st h ep a r t i c l es i z et oe n h a n c et h e i ra v a i l a b i l i t ya n dr e d u c eh a r m f u ls i d e e f f e c t d e g r a d a b l eh i g hp o l y m e rm a t e r i a lc a nb eu s e df o rc o n t r o l l e dd r u gd e l i v e r ys y s t e m st o e m b e db i o a c t i v ea g e n t sa n dd r a g sf o rt h ep u r p o s eo f c o n t r o l l e dr e l e a s ea n dt a r g e td e l i v e r y + t h es u p e r c r i t i c a la n t i - s o l v e n t ( s a s ) p r o c e s sh a sb e e np r o p o s e dr e c e n t l ya san e w m e t h o do fp r e p a r i n gm i c r o - p a r t i c l e s , w h i c hc a nb ea p p l i e di nc h e m i c a le n g i n e e r i n g ， b i o e n g i n e e r i n g ，m e d i c a lt r e a t m e n t a n dp h a r m a c ye t c am i l do p e r a t i n gt e m p e r a t u r em a y p r o v i d ei d e a lc o n d i t i o n s f o rp r o c e s s i n gb i o m e d i c a ld r u g ，a n t i b i o t i c sa n dp h a r m a c e u t i c a l c a r r i e r t h es t u d yo ft h ep r o c e s si ss t i l lo nt h ee a r l ys t a g eb e c a u s eo ft h el a c ko fs y s t e m i c r e s e a r c h ，c o m p l i c a t e de f f e c t i v ef a t o r sa n dd i f f e r e n td r u gp r o p e r t i e s ac o m p l e t eu n d e r s t a n d i n g o ft h es a sp r o c e s sh a sn o ty e tr e a c h e d ，a n dt h ec o m m o nc o n c l u s i o n sh o wt h ep r o c e s s p a r a m e t e r se f f e c tp a r t i c l ec h a r a c t e r i s t i c sc o u l dn o tb ed r o w n a tp r e s e n t t h e r e f o r e ，t h r e ec a t e g o r i e so fd m gp a r t i c l e sa r ep r e p a r e db ys a sp r o c e s s ，s u c ha s p r o t e i n ，a n t i b i o t i c sa n dp h a r m a c e u t i c a lc a r r i e r ，t h ee f f e c t so ft h es a sp r o c e s sp a r a m e t e r ss u c h a sp r e s s u r e ，t e m p e r a t u r ea n dc o n c e n t r a t i o ne t co np a r t i c l em o r p h o l o g ya n dp a r t i c l es i z ea r e e v a l u a t e df o rt h ed i f f e r e n ts o l v e n t d r u g c 0 2s y s t e m sw i t hs e m i - - c o n t i n u o u ss u p e r c r i t i c a l a n t i s o l v e n tp r e c i p i t a t i o na p p a r a t u s t h eo p t i m a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n sa n dt h ed e g r e eo ft h e i m p o r t a n c eo fe f f e c t i v ef a c t o r sa r ed e t e r m i n e dt h r o u g ho r t h o g o n a lt e s t t h ei n f l u e n c eo ft h e p r o c e s sp a r a m e t e r so np a r t i c l es i z ea r et h ec a u s eo ft h i sa r ea n a l y s e dt h r o u g hs i n g l ef a t o rt e s t b ys u c c e s s f u l l yp r e p a r i n gp a r t i c l e so fp r o t e i n ，a n t i b i o t i c sa n dp h a r m a c e u t i c a lc a r r i e rb y s a s p r o c e s s ，t h ef l o w i n gr e s u l t sa r eo b t a i n e d l y s o z y m ea n dp e p s i nm i c r o - p a r t i c l e sa r ep r e p a r e dt h o u g ho r t h o g o n a lt e s t a n dm e d i a n d i a m e t e r sa r e2 3 8 - 5 9 和ma n d3 8 0 8 6 和mr e s p e c t i v e l y i nt h i se x p e r i m e n t ，t h ep r e s s u r eh a s i m p o r t a n te f f e c to nt h ep a r t i c l es i z e ，n e x tt e m p e r a t u r e ( 多g r i s e o f u l v i nm i c r o p a r t i c l e so fd i f f e r e n ts i z e sa n dm o r p h o l o g i e sa r eo b t a i n e dt h o u g h s i n g l ef a t o r i nt h i se x p e r i m e n t ，t h eg e n e r a lt e n d e n c yo ff o r mo fm o r ec r y s t a ln u c l e u si ss h o w n w i t has t e a d yi n c r e a s ei np r e s s u r e ，a n dt h eg e n e r a lt e n d e n c yo fg r o w t ho fm o r ec r y s t a ln u c l e u s i ss h o w nw i t has t e a d yi n c r e a s ei n t e m p e r a t u r e a m o x i c i l l i nm i c r o - p a r t i c l e sa r eo b t a i n e d t h o u g hc o m m i n g l eo r t h o g o n a lt e s t t h ep r e s s u r eh a si m p o r t a n te f f e c to nt h ep a r t i c l es i z e ，n e x t c o n c e n t r a t i o no fa m o x i c i l l i na n dt e m p e r a t u r e i n s i d et h er e a c ho ft h ep r e s s u r e ，t h ep a r t i c l e s i z ed e c r e a s ew h e np r e s s u r ei si n c r e a s e d 大连理上大学硕十学位论文 s u b m i c r o p a r t i c l e so fp o l y m e ra r ep r e p a r e dt h o u g hs i n g l ef a t o rt e s t t h ec o n c e n t r a t i o no fp o l y m e ri si m p o r t a n tf a c t o rt oc a r r y i n go u ts a sp r o c e s s ，a n dt h ei n c r e a s eo ft h e c o n c e n t r a t i o nl e a d st od e c r e a s eo ft h em e d i a nd i a m e t e r c e l l u l o s ea c e t a t em i c r o p a r t i c l e sw i t h t h es h a p eo fs p h e r i c i t ya n ds t r i pa r ep r e p a r e dt h o u g hs i n g l ef a t o rt e s t t h em o s tc e l l u l o s e a c e t a t ep a r t i c l e sa r ec h a n g e di ns h a p ef r o ms t r i pt os p h e r i c i t yw h e np r e s s u r ei n c r e a s e d t h e t e m p e r a t u r eh a sn oo b v i o u se f f e c to nt h ep a r t i c l em o r p h o l o g y e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t t h ep r e p a r i n gp r o c e s si sh i g h l yr e p e a t a b l ea n ds t a b l e f o rd i f f e r e n ts y s t e m s ，t h ep r e s s u r ei s m o s te f f e c t i v ef a c t o rf o rt h ep r o c e s s t h es t u d yo ft h i st h e s i sm a k e sac o n t r i b u t i o nn o to n l yt of u r t h e ru n d e r s t a n de f f e c t i v e f a c t o r so ft h es a sp r o c e s s ，b u ta l s ot op r o v i d eb a s i ci n f o r m a t i o na n du s e f u ld a t af o ru s i n g s a sp r o c e s st od e v e l o pn e wm e d i c a m c n t k e yw o r d s ：s u p e r c r i u c a l a n t i - s o l v e n t p r o c e s s ：m i c r o - p a r t i c l e s ；p r o t e i n ： p h a r m a c e u t i c a lc a r n e r 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：穗壶秀e t n ： 垒! 芝 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者繇一互蠹 导师签名：鏊 年月日 大连理工大学硕士学位论文 1 引言 随着超细微粒特别是纳米粒子在高新技术领域的成功应用，超细微粒的制备已成为 人们关注的热点。在众多的制备微粒中，制备药物微粒其意义尤为重大：能促进药物的 溶解，有利于穿透组织间隙，大大提高了药物的生物利用度；能建立新的药物控释系统。 随着生物制药技术的发展，大量蛋白质和肽类新药不断涌现。然而，由于其独特的 空间立体结构，分子量大，稳定性差：生物膜穿透性很差，不容易到达受体生物相，也 不易通过血脑屏障。因此，生物大分子难以吸收是一个亟待解决的问题。在药物使用中 有不同的剂型，抗生素也可形成气溶胶配方，按此方式给药有其优点，可将高浓度的药 物直接给到患者的感染处，效果更优，在肺感染治疗中可用此法。有些药物如灰黄霉素 在生物利用度和致毒剂量间有些不够协调，即被吸收量( 生物利用度) 占初始摄入量的 比例很小，更值得虑及的是其致毒阈与实际治疗剂量又很接近。为此，只有提高其生物 利用度，才能降低其摄入量。可控释放载体的研究也逐渐兴起，如可降解高聚物作为载 体的纳微米控释系统，它们与药物形成复合物，相互协调发挥最佳药效。在药物输送方 面有许多优越性：可缓释药物；可靶向输送药物；可提高药物的稳定性；可建立新的给 药途径。 因此，在保持稳定的条件下，为了提高疗效，促进吸收，给制备各种粉末注射剂、 干粉吸入剂和各种缓控释的微粒释药系统等创造条件，药物的微粒制造就提到了议事日 程。 过去已发展形成了一些传统技术用于制备药物微粒。这些方法由于各自存在的缺点 而制约着其应用。如研磨产热；喷雾干燥在终末阶段，随着液滴中的水分蒸发，蛋白质 呈固态，也会受热变性；冷冻干燥破坏药物活性，微粒粒径无法控制。与上述方法相比， 近年发展起来的超临界反溶剂( s u p e r c r i t i c a l a n t i s o l v e n t ，简称s a s ) 过程利用了超l 每界 流体所具有的特性，在一定的条件下可使溶液达到极高的过饱和度与过饱和速率，从而 可沉析出比传统方法得到的粒子尺寸更小的微粒。其制备条件温和、粒子流动性好、粒 度可控，特别适用于热敏性蛋白质类物质的制备。s a s 过程向超细粉体制各的传统方法 提出了挑战，对s a s 过程的研究也会为其在工业上的应用打下坚实的基础。 但是由于缺乏系统的研究，影响因素又非常复杂，各类药物因自身的特性差异，研 究还很不成熟。s a s 过程的一些重要的现象尚未得到深刻的认识，对一些影响颗粒形态 的重要参数的作用效果，尚不能给出统一的结论。而且有些文献中得出的结论是相互矛 盾的。对于某些物质，应用s a s 过程制备超细微粒还不是很成功，所以还需要进一步 的深入研究，这也是本论文研究的目的和意义所在。 超临界反溶剂过程制备药物超细微粒 因此，本文将通过一套超临界反溶剂过程半连续式实验装置，制备蛋白质、抗生素 和缓释药物载体三大类药物微粒，以不同的有机溶剂药物一二氧化碳系统为研究对 象，考察压力、温度和溶液浓度等实验参数对微粒形态及尺寸的影响。通过正交实验得 出最佳实验条件和因素影响的主次关系，通过单因素实验分析微粒粒径随操作参数的变 化趋势以及原因。 这些工作集中体现在：为应用s a s 过程制备超细微粒的实验研究增加新的实验数 据；把s a s 过程的操作条件对颗粒的形态、粒径及粒径分布的影响进行定量化。针对 s a s 过程的上述研究不仅丰富了s a s 过程的实验研究，而且可以提供大量的实验数据， 为s a s 过程的机理研究提供必要的数据资料。 大连理丁大学硕士学位论文 2 文献综述 2 1 超细微粒及传统制备技术 2 1 1 超细微粒 粉体作为固体物料的特殊形式广泛存在于自然界、工业生产和人们的生活中。宏观 上的粉体在微观上都是由无数个细小的颗粒组成的，颗粒微细化和功能化的量变过程促 成了粉体宏观特性的质变，为粉体材料和相关产品带来许多新性能。超细粉体不仅因为 其本身是一种功能材料，而且它为新的功能材料的开发展现了广阔的应用前景。因此， 超细微粒的研制已成为当今高新技术中的一个热门研究领域。 超细微粒是由原子或分子组成的，随着微粒粒径的缩小，微粒所包含的分子原子的 数目也在减少，当微粒只包含几十个原子、分子或成千个原子和分子“组合”在一起时， 表现出既不同于单个原子、分子的性质，也不同于宏观物质的性质。有时这种组合被称 为“超分子”或“人工分子”，以区别于正常的原子和分子。这种“超分子”往往具有人们意 想不到的性质。或者从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系 统，也非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，并由此派生出传统物质不具有的许 多特殊性质1 1 j 。 物质经过超细化处理后比表面积大大增加，表面能和表面结合能等都发生了很大的 变化，人们把由此而引起的种种特异效应统称为表面效应。当物质体积减小时，将会出 现两种情况：一种是物质本身的性质不发生变化，只是那些与体积密切相关的性质发生 变化，如半导体电子自由程变小、磁体的磁区变小等；另一种是物质本身的性质也发生 了变化，这就是体积效应，它使微粒呈现许多奇异的物理化学性质。例如，与大粒子相 比，药物微粒的溶解速率更快，饱和溶解度更高，附着性更强，胃肠道壁面对其的吸收 率也更高，并且会以更快的速率分散到血液里，能够更好的到达预期的目标组织，因而 会大大提高其功效。 不同文献对超细粉体的定义各不相同。超细粉体按大小可分为纳米粉体、亚微米粉 体、微米粉体等。一般而言，人们把粒径在1 - l o o n m 即0 0 0 1 0 m i n 之间的粉体称为纳 米粉体，0 1 1 m 之间的粉体称为亚微米粉体，1 1 0 0 a m 之间的粉体称为微米粉体【1 o 总之，超细微粒技术应该是研究l n m 1 0 0 , u m 范围内物质所特有现象和功能的科学和技 术，并将随着这门学科的发展而不断完善。 超临界反溶剂过程制备药物超细微粒 2 1 2 传统制备技术 众所周知，超细粉体制备的历史悠久，最初的粉碎技术可以追溯到1 6 世纪以前。 自2 0 世纪7 0 年代至今，超细粉体技术领域逐渐形成并趋于完善。目前国内外通常将超 细粉体制备方法分为粉碎法与物理化学法两大类。细度在微米级的粉体制备多采用粉碎 法颗粒从大n d , 的粉碎过程；对纳米级粉体多采用物理化学法颗粒从小到大的 生成过程1 1 1 。下面将简要介绍超细粉体制备的一些常见方法及其主要特点。 机械粉碎法借用各种外力，如：机械力、流能力、化学能、声能、热能等使现有的 固体块料粉碎成超细粉体。气流粉碎机是最常用的超细粉碎设备之一。它是利用高速 ( 3 0 0 - - 5 0 0 m s ) 高压的气流或过热蒸汽( 3 0 0 - - 4 0 0 ) 的能量，使物料通过本身颗粒 之间的撞击，气流对物料的冲击、剪切、摩擦等作用以及物料与其它部件的冲击、摩擦、 剪切作用而使物料粉碎。该法可使粉碎物料的平均粒径小于跏i n ，产品污染较少，具有 优越的分散功能。但其存在一些缺点：粉碎极限的局限性；能量利用率低；其粒径大小、 均匀程度和圆整性都难以达到理想的效果，致使颗粒的流动性、可压性不理想；还会产 生带电颗粒【2 j 。 冷冻干燥法将金属盐水溶液喷到低温有机液体上，使液滴进行瞬时冷冻，然后在低 温降压条件下升华、脱水，再通过分解制得粉料。该种方法主要用于制备陶瓷粉体。这 种方法能较好的消除在普通干燥过程中颗粒团聚现象，合成的粉体较细，均匀性较好， 但其成本较高，能源利用率也较低【3 1 。 喷雾干燥法是将溶液分散成小液滴喷入热风中使之迅速干燥，这种方法主要是用来 制备金属氧化物n 传统的制各方法在其它物质的微粉化上应用较为成熟和广泛，但在药物的微粉化上 可能损伤药效成分筘j ，用于热敏性( 如抗生素和蛋白质类) 药物的超细化处理时，均有 一定的局限性。 重结晶法会使具有生物活性的药物失活，还会残留有机溶剂：冷冻干燥法所得的颗 粒直径分布很宽，且容易使具有生物活性的药物失活；喷雾干燥法会因高温损坏药物性 能，形成的粒子尺寸分布宽( o 5 - - 2 5 m m ) 并且只有- - d 部分的粒子属于纳米范围【6 l o 目前用于医药工业的液体抗溶剂过程则存在着难以抑制并控制粒子的生长及有效地消 除药物粒子中的残留溶剂等缺陷【”。寻求制备结晶纯度高、粒度均匀、流动性好又具有 精确粒径的超细微粒的方法成为研究热点。而基于超临界流体( s u p e r c r i t i c a lf l u i d ，s c f ) 8 】 技术的微粉化方法条件温和，适用于制备具热敏性、易降解的超细药物颗粒，且无溶剂 残余，有利于药物后续处理及环境保护，其正以特有的优点成为了引人注目的超细微粒 的制各方法。 大连理工大学硕士学位论文 2 2 超临界流体技术制备超细微粒 近年来，人们根据超临界流体的特性开发出一些超临界流体过程，用以粉体材料的 超细化处理。这些过程能在接近常温下进行，且用s c c 0 2 代替有机溶剂后，可以制得 无溶剂污染的高纯超细颗粒。尽管这些过程尚处于研究阶段，但在药物超细化处理方面 展现出广阔而独特的应用前景。 流体处于气态或液态，取决于分子的动能和分子间的作用力。分子动能足以使系统 具有不规则结构时，该流体即为气态；当分子间的作用力足以使系统具有一定有序结构 时，该流体即为液态。众所周知，纯物质在临界状态下有其固有的临界温度和临界压力， 当流体处于其临界温度( t 。) 和临界压力( p 。) 以上的状态时，分子的动能和分子间的 作用力的作用效果趋于平衡。此时，分子运动非常活跃，但同时保持一定的宏观动态结 构。这时的流体成为既非气体也非液体的流体，称为超临界流体( s u p e r c r i t i c a lf l u i d ， s c f ) 。图2 1 ( 见下页) 是典型的纯物质的温度一压力相图。s c f 的相区在图2 1 的右 上方斜线区内，气一液两相共存线自三相点延伸到临界点。在临界点( t 。，p 。) ，气相和 液相混然为一体，相间的界限消失，即成为s c f 。 s c f 的这种动态结构对温度和压力的变化非常敏感，决定了s c f 的物理特性，如 密度、粘性、扩散性、介电常数等，会因温度和压力的微小变化而发生显著变化。s c f 兼有气体和液体的优点，其特殊的物理性质使s c f 成为一种优良的结晶溶剂，其特性包 括e 9 】： ( 1 ) 具有良好的溶解、渗透性能，表面张力远远低于液体； ( 2 ) 介电常数大且随压力急剧增大，有利于溶解低挥发性物质； ( 3 ) 密度与液体相近，比一般气体大两个数量级，有利于溶质的相转移； ( 4 ) 黏度近似气体的数值，扩散系数比液体大数百倍，传递性能介于气相与液相 之间，明显优于液相过程： ( 5 ) 在l 临界点附近，操作压力和温度的微小变化，会引起流体密度的大幅度变化， 因而也将影响其溶解能力。 由于s c f 具有巨大的可压缩性，可以通过调节压力、温度方便地对溶液的过饱和度 进行调节，以控制粒径尺寸在一定范围内。另外，通过控制不同的生产条件，微粒的晶 型纯度也能达到很高水平。s c f 具有选择性溶解物质的能力，而且这种能力随超临界条 件( 温度、压力) 而变化。研究者利用s c f 不寻常的性质又开发出了其它实用技术，应 用范围日趋扩大，现已形成了涉及领域广阔的超临界流体技术，研究内容包括超临界流 体萃取、超临界流体沉析技术、聚合物的溶胀、超临界流体化学反应、超临界流体染色、 超临界流体干洗、超临界流体干燥等。 超临界反溶剂过程制备药物超细微粒 压 力 图2 1 纯物质的温度压力相图 f i g2 1p h a s ed i a g r a mf o rap u l es u b s t a u c ei np r e s s u r e - t e m p e r a t u r ec o o r d i n a t e s 超临界流体沉析技术是利用s c f 所具有的特殊性质，在一定的条件下使溶液达到极 高的过饱和度与过饱和速率，从而使溶质迅速沉析，形成超细微粒。这种方法能够更准 确地控制结晶过程形成平均粒径很小的超细微粒，且可以控制产品的粒度分布。与传统 的粉碎及结晶技术相比，使用超临界流体可避免大量使用有机溶剂及由此而造成的环境 污染和除去产品中残留有机溶剂的繁琐步骤，并可用于热敏性、结构不稳定及易失活变 性的蛋白质类药物。因此，超临界流体沉析技术以其特有的优点成为了药物及生物制品 等超细化的可行方法。 2 2 1 超临界流体沉析技术的分类与方法 超临界流体沉析技术主要有三种：超临界流体快速膨胀过程( t h er a p i de x p a n s i o no f s u p e r c r i t i c a ls o l u t i o n ，r e s s ) ，气体饱和溶液技术( t h ep a r t i c l e sf r o mg a ss a t u r a t e d s o l u t i o n ，p g s s ) 超临界反溶女i j ( s u p e r c r i t i c a la n t i s o l v e n t ，s a s ) 过程。 r e s s 方法应用得最早，并由于不使用有机溶剂而受到青睐。适用于任何能形成超 临界溶液的溶剂一溶质体系，该法是将溶质直接溶于s c f 中形成超临界溶液体系，在膨 胀过程中，压力和温度的突然降低使溶质溶解度降低，形成过饱和溶液，析出大量微粒。 由于此过程在瞬间完成，因此整个流体均匀成核，形成平均粒径小而均匀的微粒 1 “。由 于r e s s 具有设备及过程简单，操作容易且形成的粒子尺寸小等特点而受到人们的广泛 重视。r e s s 方法能够制备非极性微米级颗粒，在应用合适的喷嘴情况下，能够制备纳 大连理工大学硕士学位论文 米级颗粒。但由于它要求所制微粒在s c f ( 一般指在s c c 0 2 中) 有一定的溶解度，使 应用受到限制。近来研究者发现，合适的助溶剂能提高溶质在s c f 中的溶解度，但由于 需要在溶质中排除，从而增加了过程的复杂性和成本。表2 1 是一些已经报导的通过 r e s s 过程利用s c c 0 2 制备微细颗粒的情况。 表2 1s c c 0 2 快速膨胀法制备微细颗粒 ! 生：! ：! 些塑生型! ! 塑唑i 也堕婴受垫些塑墅避堡塑 应用领域溶质名称微粒情况文献作者及时间 r e s s 过程在高压下将溶质溶于s c f 中，此种溶液通过雾化喷入低压容器内而形成 微粒。在实验室建立装置比较简便，但难于放大。最主要的局限性在于药物在s c f 中， 特别在s c c 0 2 中的溶解度很低，一般难于达到l o 。3 k g k g 的数量级，应用范围不够广 泛。s c f 需用量与所得微粒量之比很大，生产能力有限。若溶质是极性物质，需加携带 剂( e n t r a i n e r ) 以增加溶质在s c f 中的溶解度，不仅使相行为复杂化，而且也难于实现 再循环【l l 】。 p g s s 过程先将溶质加热液化，然后将s c c 0 2 加入，形成气液相溶液，并喷洒进 入低压容器，形成微粒。此法主要用在聚合物造粒中，但不能用在热敏性物质的微粒制 备中，因怕遇热后，未达熔点而发生分解，导致产品质量下降，也有研究者将此法用于 药物造粒中”“。 s a s 过程是利用超临界流体的特性脱溶析出溶液中的溶质，使之形成微粒。也就是 当欲成核的物质不溶于超临界流体时，可选择一种能溶解超临界流体的溶剂溶解该物 质。当作为反溶剂的超临界流体与该溶液充分接触时，反溶剂和溶液迅速彼此扩散，溶 液体积膨胀，密度下降，溶解能力下降，溶液过饱和而成核析出溶质微粒。s a s 过程的 超临界反溶剂过程制备药物超细微粒 提出及应用大大拓宽了r e s s 过程的研究领域，而且s a s 过程可以在很大的范围内控制 粒子的尺寸、形状与结构，使超临界流体沉析技术呈现出更大的发展和应用前景。 2 - 2 2 超临界反溶剂过程 超临界反溶剂过程，是近年来提出的一种制备纳微米粉体材料的新方法。尽管s a s 过程从1 9 8 9 年首次提出至今已有近二十年的历史，但直到近几年，由于其应用潜力被 人们不断地认识，才受到研究者的普遍关注。尤其随着化学材料、能源材料和医药领域 对微粒的晶型、粒度和粒度分布的要求越来越高，s a s 过程恰恰为此提供了广阔的开发 空间。由于超临界流体的扩散速率比液体高两个数量级，它扩散到液体溶剂后迅速使溶 质产生高的过饱和度，并结晶出小粒子。与传统的机械粉碎或研磨的微粒制造工艺相比， 其制备条件温和、产品粒子流动性好、粒度可控，特别适用于热敏性、生物活性物质的 制备，更由于s a s 过程可以改善药物的利用度，而且大多数溶剂系统的相平衡数据可 查，s a s 过程在医药工业具有很好的应用前景。可以说，s a s 过程是粒子工程的一个重 要技术支撑。 ( 1 ) s a s 过程原理及特点 s a s 过程其原理【l 引是：将要制成超细微粒的固体溶质溶于某一溶剂( 通常为有机溶 剂) 形成溶液，选择一种s c f ( 通常为c 0 2 ) 作为反溶剂。这种反溶剂一般不能溶解溶 液中的溶质或溶解度较小，但能与溶剂互溶，当反溶剂与溶液接触时，反溶剂迅速扩散 至该溶液，使其体积迅速膨胀，改变溶剂与溶质问作用力，使溶质在溶剂中溶解度大大 下降，在极短的时间内形成很大的过饱和度，促使溶质结晶析出。该过程瞬间完成，形 成纯度高、粒径分布均匀的超细微粒。其典型的成核时间是1 0 - 5 一1 0 s 。将预结晶造粒 的溶质溶解在选定的溶剂中，使其喷射到s c c 0 2 中，这时会发生如下的过程：溶剂会 像喷雾干燥那样挥发在s c f 中；s c f 对溶剂有较大的溶解能力，两者彼此扩散，瞬间 形成极高的过饱和度；c 0 2 起到了一种反溶剂的作用。这几种因素共同作用使溶质从溶 剂中均匀析出。s a s 过程的流程示意图如图2 2 ( 见下页) 。 s a s 过程与r e s s 过程具有互补性，这是由于r e s s 过程要求溶质在s c f 中具有足够 的溶解度，而s a s 过程要求溶质在超临界流体中不溶或溶解度很低。s a s 过程与r e s s 过 程相比具有如下显著优点 3 】：反溶剂可选择临界温度和临界压力低的流体，从而可降低 操作温度和压力，降低对设备的要求，提高操作安全性。因而可选用临界温度3 1 1 ， 临界压力7 2 m p a 的c 0 2 作为反溶剂。c 0 2 在压缩状态下易溶于许多有机溶剂，因而极大 地扩大了溶剂选择范围。而且因c 0 2 无毒，不燃，容易获得，价格低廉等特点而得到广 泛应用。当操作压力、操作温度、溶液的初始浓度、溶液注入速率及超临界流体引入速 大连理工大学硕士学位论文 率等条件不同时，会产生过饱和度和过饱和速率的变化，从而影响成核速率和晶核增长， 可获得粒径小且分布均一的超细粉体，并能够对制各的颗粒进行定形定径的控制，所制 备的产品纯度高，用s a s 过程处理后药物中溶剂残留量远远低于美国食品药物管理总局 f d a ( f o o da n dd u ga d m i n s t r a t i o n ) 的限制规定，与传统微粒化药物相比，毒副作用降低 1 4 。由于可在近常温下进行操作，因此s a s 过程可用于热敏性、氧化性和怕撞击药物的 颗粒微细化，尤其适用于蛋白质等药物的制备，这是很多制粉方法所不能做到的。 图2 2s a s 过程的流程示意图 f i g2 2s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f s a sp r o c e s s ( 2 ) s a s 过程的操作方式 s a s 过程制备超细微粒有多种实现途径，研究者使用了各种不同的名称来表示这些 过程，涉及到的名称有【9 ：气体反溶剂法( g a sa n t i s o l u t i o n ，g a s ) 、气溶胶溶剂萃取法 ( a e r o s o l s o l v e n te x t r a c t i o ns y s t e m ，a s e s ) 、s c f 提高溶液分散法( s o l u t i o ne n h a n c e d d i s p e r s i o nb ys u p e r c r i t i c a lf l u i d s ，s e d s ) 等。相信随着实验研究的发展，将会出现更多 的名称和更完善的实现途径。 迄今为止，研究者在进行s a s 过程的应用研究时，开发和使用s a s 过程的实验流 程有两种：间歇式操作和半连续式操作。 间歇操作又分为液体间歇操作和气体间歇操作。液体间歇操作是先将液体溶液通入 沉析釜中，然后再通入超临界反溶剂流体直到达到所需压力。在这种模式下操作，超临 界反溶剂流体的加入速度是过程的一个重要参数，它控制着颗粒形成的大小、分布和形 状。气体间歇操作则与其相反，先将沉析釜充满超临界反溶剂流体，然后再不连续的注 入液体溶液。这两种操作方式的区别在于液体间歇操作时，沉析发生在液体相中，而气 体间歇操作发生在超临界反溶剂相中。这两种操作不能保持在稳定的状态，因此很难分 超临界反溶剂过程制各药物超细微粒 析过程参数对颗粒的最终特征的影响，而且这种间歇操作在工业上是很不合适的。在沉 析过程的最后，沉析釜必须继续通入反溶剂来去除沉析中的残余液体，这个操作是很重 要的，实际上，如果没有这种洗净过程或者洗净过程的时间不够，部分液体溶剂在降压 过程中就会逸出而再溶于溶质中。就该流程而言，针对析出颗粒的团聚以及在降压时析 出物的再溶解等问题，还有许多工作要做。 半连续式的主要特点是溶液和超临界反溶剂以并流( s e d s 法) 或逆流( a s e s 法) 的方式连续输入沉析釜中。在这种操作模式中，操作压力、温度、溶液浓度和超临界反 溶剂的流率以及它们之间的比率是影响沉析过程的重要因素。如何方便地收集析出物， 是该流程需改进的问题。 这里提及的s a s 为半连续的工艺过程，与g a s 的主要区别在于：物质扩散途径 不同；有雾化过程。与g a s 中c 0 2 扩散进入有机相的间接物质转移过程不同，在s a s 中，既有有机溶剂扩散进入c 0 2 相，也有c 0 2 扩散进入有机溶剂分散区域，两种方式同 时进行。在s a s 过程中，含有药物的有机溶剂经喷嘴雾化进入载有超临界或液态c 0 2 的连续区域内，雾化后形成的液滴具有很大的表面积，可快速与反溶剂接触。较快的物 质转移有利于快速成核并形成较细小的颗粒。雾化程度越高，液滴表面积越大，物质转 移扩散速度越快，所得颗粒也就越细【”】。 在这种半连续操作方式中，一个重要的部件就是溶液的注入装置，注入装置是使液 体不问断的喷射而形成微小的液滴充满在沉析釜中，当固体溶质本身的浓度超过饱和极 限的时候，它就会被析出。这种装置一般有喷嘴，毛细管和振动口。当沉析过程结束时， 也要用s c c 0 2 来进行清洗，它避免了液相的凝结，否则将会改变颗粒的形态。s c c 0 2 可以把微粒表面附着的痕量级溶剂带走，与传统的液相溶析结晶过程相比，它是结晶一 洗涤二合为一的过程【1 6 】。 ( 3 ) s a s 过程的影响因素 s a s 过程的各种研究结论参差不齐，有些又是相互矛盾的。在实验研究方面，基 本上是围绕过程参数对结晶形态及尺寸的影响而进行的，比如，y e osd 等【1 7 】利用 s c c 0 2 和二甲基亚砜溶液反萃法生成晶体，当s c c 0 2 的导入速度不同时，晶体的大小、 形状都将发生改变。而t h i e r i n g r u s s e l l 18 认为，从已有实验室规模的研究来看，通过反 溶剂法生产的产品性质是很难通过改变操作参数而改变的。比如，g a s 、a s e s 工艺对 反萃剂密度、溶质最初浓度、温度和喷嘴的几何形状的变化毫不敏感。 压力和温度的影响 对于温度和压力这两个影响s c f 物性的决定性因素，它们对粒径及其分布的影响规 律一直是研究者们探索的重点，但研究结果难以总结出普适的规律 1 9 2 2 ：一些研究者发 大连理工大学硕士学位论文 现过程对压力不敏感，而其它研究者却得出粒径随压力降低而增加的结论；与压力的影 响相类似，减小温度对沉析微粒粒径的影响规律也存在着粒径减小，没有影响和粒径增 加这些相互矛盾的结果。 多数研究者并没有较全面系统地考察因素的影响，对s c f 和溶液间相互作用的机理 尚缺少理论上的支持，一些必要的物性参数，如溶解度等还需经实验进一步测定补充， 这些都给今后的研究提出了新的问题和挑战。 浓度的影响 b i t e m o 掣2 3 1 用g a s 法制备对苯二酚超细颗粒时发现，随溶液浓度的增加，所得颗 粒的粒径增大，但颗粒形态几乎没有变化。这是由于溶液浓度小时，提供晶体成核与生 长的溶质减少所致。 r e v e r c h o n 等阱】在钇、钐和钕的乙酸盐的s a s 过程中观察到粒径分布随浓度的增加 而显著增加。但从二氯甲烷沉析的p o l y ( l 1 a c t i d e ) ( p l l a ) 微粒的粒径随浓度的增加 并不明显。r e v e r c h o n 等【2 5 l 还在制备舒喘宁的过程中发现颗粒尺寸随浓度增加而减少。 这可能是由于此时制备的舒喘宁颗粒不是初级颗粒而是初级颗粒进一步生长的结果。因 此，增加浓度可以通过增加成核而正面地影响初级颗粒的尺寸，但对二级颗粒进一步生 长的影响却是负面的。对于某一特定s a s 过程有易于发生初级成核或者二级成核或两 者的综合。 有机溶剂的影响 有机溶剂扩散进入液态或s c c 0 2 中的扩散系数是反溶剂的温度及压力的函数，当 升高压力进而增加c 0 2 密度时，有机溶剂的扩散速率减慢，成核速率也相应减慢，形成 较大的颗粒。然而，随着密度的增加，雾化的程度也相应增加，这有助于加快成核速率， 形成较细小的颗粒，因此，最终颗粒大小是两种效应共同作用的结果。 y e o 等i 26 j 通过s a s 过程制备了微粉化磺胺噻唑( 抗菌类药物) 和氯磺丙脲( 降血 糖药) 。他们以丙酮、甲醇为溶剂微粉化磺胺噻唑：以丙酮、乙酸乙酯为溶剂微粉化氯 磺丙脲。实验结果表明：选用甲醇作溶剂时磺胺嚷唑晶形完整，选用丙酮作溶剂时产品 结构疏松，且产品粒径小于选用甲醇作溶剂时的产品；选用丙酮作溶剂时氯磺丙脲产品 晶形完整，选用乙酸乙酯时产品表面疏松。可见，不同的溶剂对产品性能有很大影响， 同种溶剂丙酮对不同药物的微粉化效果也截然不同，产品性质受到溶剂种类和药物分子 本身性质的影响，溶剂的选择是得到理想产品的重要因素。 改变有机溶剂可以观察到完全不同的行为。例如：通过s a s 过程分别从二甲基亚 砜和甲基吡咯烷酮中沉析四环素，用二甲基亚砜完全不能制备这些抗生素，而用甲基吡 超临界反溶剂过程制备药物超细微粒 咯烷酮则成功的制备了这些抗生素的微粒。因此为了成功地微粒化，必须考虑液体溶剂、 超临界反溶剂和溶质之间可能的相互关系。 溶质化学成分的影响 具有相对简单的分子结构的化合物有利于分析析出过程的各个步骤，因为这种化合 物倾向于形成初级颗粒。相反地，具有复杂化学结构的化合物的制备对实验条件的要求 更为苛刻，形成机理更为复杂。聚合物加工是更加具有挑战性的工作，额外的问题有玻 璃化和由于超临界溶剂的存在而引起的玻璃化温度降低的可能。 本文将通过s a s 过程制备