超临界二氧化碳抗溶剂法制备微胶囊的研究

超临界二氧化碳抗溶剂法制备微胶囊的研究

近年来，跨境交通技术在国内外研究领域越来越受到重视。超临界提取技术、超临界微粒化和超临界微胶囊化是目前研究比较多的几个方面。其中,超临界微胶囊技术能够在很大程度上解决目前药物服用方面的诸多问题,现已日益成为研究的热点。1种物理化学性质的比较在纯物质的相图中,临界点C是气液相平衡存在的最高温度和压力点,当温度和压力同时超过了临界点值时,气液相界面消失,物质就处于了超临界状态(Pr>1,Tr>1),如图1虚线所围区域。与液体和气体相比,超临界流体具有许多独特的物理化学性质。表1比较了三者密度、黏度及扩散系数等性质的差别。从表1中可以看出,超临界流体具有类似于液体的密度、较低的黏度和较大的扩散系数,因而具有较好的溶剂化能力和传质能力。超临界流体的另一个重要特性是在临界点附近,其物理化学性质如密度、黏度、扩散系数、比热容、介电常数等对压力和温度的变化十分敏感,因而可以通过改变压力或温度来调节其性质。在超临界流体中,由于CO2临界温度(304.2K)低,无毒价廉,且易回收,是最受重视的流体,对其研究和应用也最多。近年来,超临界CO2的研究迅速发展,其中微粒化以及微胶囊化是研究的热点,有关微粒化及微胶囊化的研究综述国内外已有报道,本文作者着重介绍超临界CO2抗溶剂法在药物微胶囊方面的应用。2复方药物的应用利用天然的或合成的高分子材料(囊材)作为囊膜壁壳,使固体药物或液态药物(囊心物)包裹而形成微囊。微胶囊化技术的主要用途有:掩盖药物的不良气味及口味;提高药物的稳定性;防止药物在胃内失活,或减少对胃的刺激;使液态药物固态化便于应用与储存;减少复方药物的配伍变化;可制备缓释或控释制剂;使药物浓集于靶区,提高疗效,降低毒副作用;可将活细胞或生物活性物质包覆。目前包覆生物活性物质以及制备缓释控释制剂是研究应用的热点。3抗静电药物及生物活性物质传统的微胶囊化方法,如喷雾干燥、冷却结晶等一般都使用有机溶剂和表面活性剂,其缺点显而易见:有些有机溶剂具有毒性,最后的脱除溶剂处理不完全,有溶剂残留;有些方法温度较高,对于热敏性药物无法应用。为了克服以上缺点,人们引入了超临界CO2微胶囊化方法,它不仅能解决上述问题,而且制备出的胶囊粒径分布窄,粒径也比较小,是目前比较理想的微胶囊化方法。在SAS过程中,溶有聚合物和囊心物的有机溶液通过喷嘴喷入充有超临界CO2的沉淀室内,此时在CO2中形成了微小的液滴,由于CO2对有机溶剂的溶解,液滴中液体的密度开始下降,当达到某一临界值时发生沉淀。SAS过程要求沉淀的先后顺序,即应保证囊心物先发生沉淀而形成聚合物包覆囊心物的微胶囊。由于CO2的临界性质比较温和,临界温度为304.2K,临界压力为7.38MPa,对于热敏性药物和生物活性物质有较好的应用前景。对于SAS法,操作中也有两种方法。其一为一步化微胶囊法,具体为:在操作中,选取合适的溶剂将囊心物和聚合物共同溶解,之后溶液进入沉淀釜发生沉淀,通过操作条件的控制形成聚合物包覆囊心物的微胶囊;另一方法称为两步法,即先形成囊心物的微粒,然后将此微粒加入到合适的溶剂中形成悬浮液(溶剂不溶解微粒),此溶剂又能较好地溶解聚合物,再将此混合液打入沉淀釜进行微胶囊的处理。对于一步法,其操作较两步法简单,且沉淀即时发生,即出现囊心物的沉淀结晶晶核时聚合物就会附着于其表面而形成包覆,这导致形成的微胶囊粒径小,容易达到临床治疗的目标。其缺点是无法保证囊心物先于聚合物沉淀析出,对于溶剂和聚合物的选择有较高的要求。对于两步法,由于沉淀釜内已有囊心物的微粒存在,它能保证形成聚合物包覆的微胶囊,但其缺点也显而易见,由于作为晶核的囊心微粒有一定的尺寸(以目前的微胶囊化方法,平均最小的粒径也有几十纳米),因而形成的胶囊粒径较大,同时较大的囊心微粒也易造成喷嘴的堵塞,给实验操作带来很多困难,而为了避免堵塞提高喷嘴内径又会使形成的微胶囊粒径进一步增大。基于两种方法的分析,目前多采用一步法制备微胶囊。SAS法的操作流程如图2。此流程为最基本流程,文献中报道了一些抗溶剂法的改进,比如采用同轴多通道喷嘴,可以将囊心物和聚合物分开进入沉淀室,一方面降低了溶剂选择的困难,另一方面也可以通过改变内外喷嘴的长短来延长或缩短沉淀的时间以保证囊心物先于聚合物沉淀析出。还有的文献中引入超声波振荡(supercriticalanti-solventprecipitationwithenhancedmasstransfer,SAS-EM),Subramaniam首先在微粒化技术中引入高能超声波振荡装置。其改进之处在于在喷嘴处使用了超声频率的表面振荡来雾化溶液而形成微滴。引入超声场有利于提高扰动和提高超临界流体相的混合,并且使溶液和超临界流体间的质量传递增加,这有利于减小粒径以及控制粒径的分布。SAS-EM装置是在SAS装置的基础上于沉淀釜内引入超声场,可以通过控制超声装置的输入能量来控制粒径,一般输入功率越大粒径越小。图3为沉淀釜内的SAS-EM装置图。4影响微胶囊化过程中的因素4.1聚合物的合成对于溶剂,温度较低时溶剂的去除慢且不完全。对于囊心物,视其具体性质而异。一般来说,CO2的临界温度为控制温度,高于临界温度,CO2的密度下降,扩散系数增加显著,对于成粒有利。SzeTu等在L-PLA包覆p-HBA(对羟基苯甲酸)的试验中提到,p-HBA微粒对温度的变化很敏感,低于临界温度(288~303K)得到长菱形颗粒(3μm),温度高于临界温度(306K),得到100nm的胶黏微球。对于聚合物,温度过高会使其塑化,也易交联,降低产品的回收率。NicolaElvassore等在L-PLA包覆牛胰岛素的实验中提到较高温度下制备的微胶囊出现胶联和絮凝现象。313K下得到的聚合物塑化于沉淀釜的表面,而在293K下则得到软的微粒粉末。4.2压力对粒径的影响压力最终也会影响溶剂的清洗去除,高压能减轻交联。压力主要对应于CO2的密度。压力高CO2对溶剂的溶解能力增加,形成的过饱和度大,有利于成粒。Boutin等在制备农药除草剂敌草隆的试验中发现,压力提高能提高敌草隆在溶剂中的浓度,在14.5MPa下,质量分数为0.15%的敌草隆也能形成胶囊。SzeTu等提到,在25℃下压力从6.25~14.13MPa变化,在6.5MPa时得到5μm的长菱形体,而在14.13MPa下平均粒径减小到3μm。NicolaElvassore等指出压力不仅能够改善有机溶剂的溶解还有助于质量传递。低于8.0MPa气相的密度太低而不能保证溶液的雾化,随着压力的提高微粒的宏观形态并没有显著的改变,但是有助于减小粒径,在13.0MPa时得到的粒径较小。对于聚合物,压力升高交联度下降,但对粒径的影响不大。4.3溶液流率其他条件不变时,溶液的流率增大形成过饱和的困难增加,不利于成粒,同时溶剂也相应增多,胶囊易交联,溶剂残留也增加。4.4对有明显的影响有显著性的因素一般来说,CO2流率较高时能减少溶剂的残留,但对于胶囊的形成没有明显的影响。流率过高也有不利影响。PaoloCaliceti等在制备PEG/PLA包衣蛋白质微胶囊的实验中指出:采用高流率CO2时低相对分子质量的PEG聚乙二醇容易随CO2流失而造成损失。4.5超临界co其他条件不变,喷嘴内径越小,喷射速度越快。内径越大溶液的流速越慢,液体在超临界CO2中的分布越差,粒径越大。Boutin等在实验中采用了150μm、250μm和500μm的喷嘴,发现500μm的喷嘴无法得到包覆状态,150μm的喷嘴无论是粒径还是粒径分布都较250μm的好。4.6联或形成纤维状物质浓度过高,包衣层厚度增加,影响粒径,同时也更易交联或形成纤维状物质。在SzeTu等的试验中L-PLA的质量分数由0.6%~2%变化时粒径缓慢增加到3μm,当质量分数高于2%时形成纤维状物质。4.7高浓度水溶液中提取溶剂高浓度的溶液较低浓度溶液更快达到过饱和态,因而高结晶率和更小的粒径更易由高浓度溶液获得。SzeTu等在7.64MPa、298K下将p-HBA在溶剂甲醇中的质量分数从2%增加到10%,使得粒径从6μm下降到3μm。5微胶囊化过程中条件的选择5.1溶剂的熔点选择以低熔点物质挥发性溶剂的选择首先应满足的基本条件为无毒、安全、性质稳定。需要注意的是:溶剂的沸点应尽量低,因为低沸点物质挥发性好,有利于溶剂的去除以减少溶剂的残留;同时还要保证聚合物在溶剂中的溶解度较药物大,这有利于确保药物先于聚合物沉淀而形成聚合物包覆药物的胶囊。5.2peg对药物释放的影响目前应用最多的是L-PLA,它具有生物降解性和生物协调性,无毒,沉淀时不易发生絮凝和塑化,但它不易被水沾湿的特点又阻止药物的释放,导致药物的治疗效果较差,为此一些文献中引入PEG。研究表明,大量的低相对分子质量的PEG能提高释放速率,达到较高的包封率。邻苯二甲酸乙酸纤维素酯(CAP)为肠溶性聚合物,它不溶于强酸性介质,用CAP包覆的药物在口腔中不溶,不会引起味蕾的苦味,在胃酸中亦不溶,不会对胃黏膜造成刺激,可以使药物在所需的部位进行控制释放。此外,PMMA、PLGA、PVP等聚合物也有应用。5.3超临界co微胶囊化药物的筛选根据药物在超临界CO2中的溶解度确定采用RESS或者SAS方法。由于超临界CO2微胶囊化方法投资较大,所以一般选取高附加值的药物,同时该药物还应存在溶解、吸收等方面的问题。此外,药物的性质也是关键因素,黏性药物应用抗溶剂法存在较大困难。6l-pla和p-hba的复合饮料微胶囊化技术由于其广阔的应用前景,日益得到人们的重视,目前已经逐渐成为研究的热点,这些研究主要集中于药物方面。在农药方面,除草剂是研究的重点。传统的除草剂作用时间短,一次杀死杂草之后,草籽会继续发芽生长,需要频繁喷洒,应用起来比较麻烦。如果通过微胶囊化方法制成控制释放的微胶囊可在较长的时间内缓慢释放,持续发挥药效,可大大延长施药时间。Taki等应用SAS法制备L-PLA包衣的农药敌草隆微胶囊,试验中选取的溶剂有:二氯甲烷、氯仿和四氢呋喃(此三种溶剂对聚合物都有较好的溶解度)。其中二氯甲烷比氯仿好,因为它的挥发性较好,有利于溶剂的去除以减少溶剂的残留。而且二氯甲烷的沸点313K,较氯仿334.8K和四氢呋喃339.1K都低。实验选二氯甲烷。实验中通过聚合物、药物和聚合物/药物的平行考察探索最佳条件。发现敌草隆质量分数为0.1%、L-PLA质量分数为1%、压力为10.0MPa、温度为308K、溶液流率为30mL/h时为最佳操作条件。其中敌草隆的最高质量分数为0.1%、L-PLA最高为3%。Boutin等从操作参数方面考察了L-PLA包衣的敌草隆微胶囊的制备工艺。通过改变操作压力能够提高溶液中敌草隆的浓度;14.5MPa下,0.15%敌草隆、1%PLA也能形成胶囊;小喷嘴有助于得到较小的粒径;由于L-PLA的代价较高,文中还探索了其他的包覆材料,发现只有PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)有可能通过改变操作参数得到较为满意的胶囊。在生物质活性物质方面,胰岛素研究较多。胰岛素为蛋白质,具有生物活性,注射胰岛素是目前治疗Ⅰ型糖尿病的主要治疗手段。但是此治疗方式有诸多缺点,比如治疗周期短,需要频繁给药,同时由于采用注射给药给病人带来较大的痛苦。而不用包衣的胰岛素由于其蛋白质性质,在胃酸中很容易降解而失活,故不能直接口服。NicolaElvassore等通过对牛胰岛素的研究探索药用口服胰岛素的条件。包覆材料为L-PLA,溶剂选取二氯甲烷和二甲亚砜。发现高温聚合物易塑化,而低温则易导致形成软微粒粉末。PaoloCaliceti等也对牛胰岛素进行了研究。他们引入混合包覆材料PEG/PLA,以改变PLA溶解性较差的缺点,赋予药物适当的释放速率。SzeTu等探索了以L-PLA为包覆剂包覆p-HBA(对羟基苯甲酸)的抗溶剂法,其中选取的溶剂为甲醇和二氯甲烷。药物溶于甲醇,聚合物溶于二氯甲烷。p-HBA微粒对温度很敏感,低温得到长菱形颗粒,高温则易交联。沉淀釜内压力越高交黏度越低,但对粒径影响不大。高浓度的溶液较低浓度的溶液更快达到饱和态,因而浓度高粒径小。试验中采用了同轴三通道的喷嘴,这样可以通过改变内外喷嘴的长短来调节聚合物和囊心物的沉淀时间,以确保囊心物先于聚合物沉淀。Corrigan等应用气体抗溶剂过程制备了氢化可的松和PVP沉淀物。他们将此法制备的微粒与喷雾干燥制备的微粒进行了比较。纯的氢化可的松和共沉淀制备的氢化可的松与原料具有相同的晶型,而喷雾干燥制备的微粒则为无定形。Pratibhash等研究磁靶向药物纳米微粒。靶向磁性药物在外加磁场的作用下沿血管运输到指定的部位发挥药效。在疾病部位外加磁场需持续一定的时间,以使磁靶向药物有足够的时间进入感染的细胞。药物从磁性/聚合物母体中扩散出来也是通过高频磁场引发的。试验选取的药物为消炎痛(茚甲新),包覆聚合物为PLGA、PMMA,Fe2O3为磁性材料,沉淀采用SAS和SAS-EM方法,压力8.27MPa,温度308K,溶剂为二氯甲烷。Amol等采用聚合物PLGA包覆亲水性药物磷酸地塞米松制备控制释放的药物微胶囊。试验中采用超临界CO2作为抗溶剂,将药物溶于甲醇中,然后打入充有超临界CO2的沉淀釜中。首先形成微粒,然后采用无水固态分散技术得到微胶囊。操作温度为313K,压力为10.0MPa,可以得到15