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活性分子的微囊化技术及其给药系统(二)-物理表征手段

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药事纵横
微囊化技术
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2周前
微囊化技术是利用天然或合成高分子材料或共聚物作为壁材,将固体或液体小分子物质(芯材)包埋成微型胶囊,简称微囊(microencapsule)。要分析包埋的方法和机理,以及微囊的释放性能,考察微囊是否会发生泄漏及能否按预期释放药物发挥疗效需要一系列的表征方法。虽然有许多与包埋方法和载体材料各种应用相关的研究文章,目前尚无综述将各种表征技术及其特殊用途结合在一起用于微囊的表征。本文译自Shirish H.Sonawane,BharatA.Bhanvase and Manickam Sivakumar撰写的书籍《Encapsulation of ActiveMolecules and Their Delivery System》中的第二部分,总结了包括粒径及粒径分布、表面电荷、表观形态、结晶度及流变性这几各方面的物理表征手段。



2.2 粒度及其分布


粒度及粒径分布(多分散性)是评价微囊稳定性的关键参数。研究人员使用了许多方法来控制这些参数,即表面活性剂、离子大分子/聚合物、超声波空化、以及凝胶的交联。颗粒的大小为10 nm(例如,纳米乳液)-1mm(例如水凝胶珠)。稳定的微囊通常呈球形,但也有其他形状的报道,如类球体、圆柱体或不规则形状,这影响了微囊的各种物理性质和释放机制。粒径分布间接地表明了胶囊的聚集状态,粒径分布较高的表明存在聚集体,这可能导致乳液型微囊不稳定。当粒径分布小于0.2时,称为单分散体系,小于0.5可应用于药物制剂。动态光散射(DLS)是测量粒度和粒径分布最常用的方法。Yalcin等人研究了盐酸吉西他滨脂质体的稳定性,测定了6个月内不同温度和时间下的粒径和粒径分布,他们指出载体的组成和生物活性分子的理化特性对微囊的粒径有显著影响。Chebil等人对微囊的粒径分布进行了更详细的研究,制备了具有单峰分散性的分散体。他们使用两种波长的激光源,633和466 nm,以及覆盖0.015到144度范围的探测器来定义分布曲线的宽度。定义为“粒径分布span” ,见公式(2.1)。式中,d(0.9)、d(0.5)和d(0.1)是累积90%、50%和10%条件下的粒径。小于1.2的跨度值被视为具有单峰分布。


Haidar等人利用“指纹”粒度分析探索了氟芬碱微胶囊颗粒的多分散性。他们通过测量某些乳剂的粒径和光散射角的函数来证明这一分析。在大多数DLS技术中,90度被用作散射角。单分散样品的粒径不应随着光散射角度的变化而变化。由于在不同角度下的散射程度部分取决于颗粒的大小,多分散样品的平均粒径变化。图2-1为实验室制备的微囊和市售乳液的粒径指纹图谱。可以看出,市售乳液(红色数据点)对散射角的独立性较强,而实验室制备乳剂对散射角的依赖性较强。该指纹图谱表明,当微囊的粒径与散射角有关时,微囊具有多峰分布。


FIGURE 2–1 Particle-sizefingerprinting for various encapsulated materials [14]. Reprinted withpermission from
I. Haidar, I.H. Harding, I.C.Bowater and A.W. McDowall, Physical characterization of halofantrine-encapsulatedfat nanoemulsions, J. Pharm. Sci. 108 (6), 2019, 2153_2161.


2.3 表面电荷


微囊的表面电荷与其稳定性显著相关。Zeta电位通常用于研究微囊的表面电荷,这间接表明静电力占主导地位。在研究过程中,研究人员通过测量zeta电位研究负载的活性分子对微囊表面电荷的影响。实验揭示了活性分子和载体材料之间的静电相互作用。一般来说,zeta电位的绝对值高(无论是正的还是负的),粒子是稳定的。在蛋白质的仿生矿化中,它们被封装在特定的材料(壁材)中以保护和保存它们。通常,这是通过成核和进一步生长来实现蛋白质的包埋。在此过程中,芯材的表面电荷对载体材料的成核和生长起着至关重要的作用。最近,Maddigan等人通过控制蛋白质的表面电荷将蛋白质包埋在金属有机框架中。结果表明,诱导蛋白质表面负电荷更容易包封,而表面正电荷阻碍了矿化过程。

研究人员用病毒外壳蛋白封装纳米颗粒,以更好地了解病毒组装,并进一步将封装的纳米颗粒应用于生物成像和治疗。Lin等研究了病毒蛋白壳包埋纳米粒子的包封率与纳米粒子表面电荷密度的相关性。结果表明,负电荷是促使包封过程发生的必要因素,纳米粒子的表面电荷密度越大,包封效率越高。图2-3显示了实验和模型中表面电荷密度变化对包封效率的影响。



2.4 微囊的形态


电子显微镜(EM)和荧光显微镜可以说是信息量最丰富,广泛用于探测粒子形态,生物显微镜成像,和复杂的乳剂的仪器。然而,由于乳化液表面的软特性,在样品处理过程中,可能会扭曲或降解,因此,EM对于乳化液的观察具有挑战性。目前,低温技术被广泛应用于解决这些问题,实现瞬时冻结避免粒子变形。尽管低温法处理样品后所得到的图像能否真实反映乳液的形态仍有争议。先进的EM技术依然被广泛用于微囊形态的观察,且EM与低温冷却技术的结合对观察微囊形态有很大的帮助。最近,Burnett等人将秀丽隐杆线虫(小型生物)包裹在聚乙二醇(PEG)水凝胶中进行连续长期观察(见图2-4)。他们还证明了薄层荧光显微镜适用于这种包埋方法的动态观察,这是一种可进行不间断的长期3D成像的方法。将秀丽隐杆线虫插入PEG水凝胶中,该水凝胶能快速交联以限制其运动并使其成像,这一研究开启了封装技术在活体生物成像中的新应用。图2-4A为线虫在PEG水凝胶中的运动指数,图2-4B为高分辨率;动物可以在狭窄的空间内移动,如白色箭头所示。


荧光标记物常用于体外和体内生物成像。量子点具有可调性,且单一光源可同时激发多种不同发光颜色的量子点,可以作为生物成像的荧光标记物。Dubertret等人将ZnS-CdSe量子点封装在被亲水性聚合物接枝的脂类中,用于非洲爪蟾胚胎的体内成像。与染料、荧光蛋白等材料相比,封装的量子点具有有效的荧光性能,光漂白性能显著降低,在各种生物环境中具有胶体稳定性,非特异性吸附较低。同样的,Lemon等人利用Pd(II)卟啉自组装量子点形成的胶束来测量水中和体内氧的溶解量。他们利用扫描隧道电子显微镜(STEM)来观察被胶束包裹的量子点,并研究它们的聚集状态,可以清楚地观察到量子点、胶束包封状态和STEM栅格的结晶模式。


2.5 微囊的结晶度


研究人员已经使用了多种方法来研究微囊的晶体结构,例如X射线衍射(XRD)、差示扫描量热法(DSC)和拉曼光谱。利用结晶度分析可以研究载体与活性分子之间的相互作用、两种材料结晶度的变化以及载体分子质量的变化。通常使用XRD和DSC来验证活性分子是包裹在载体材料中还是仅仅与载体材料混合。活性分子成功包埋在载体材料中的可能不会显示单个活性分子的结晶和熔化峰,而活性分子与载体材料的物理聚集/混合,没有包埋,会显示出活性分子和载体材料的特性。Jenning和Gohla用DSC和广角x射线散射法评价了类维生素a在固体脂质纳米粒中的包封情况,结果表明,结晶度与类维生素a的包封度密切相关,维甲酸在低结晶度的脂类中更容易包封。此外,带有若干晶体缺陷的亚稳态晶型改善了类维生素a的包封,活性分子被包封在载流子晶格中通常会降低熔点。熔融温度与活性分子数之间呈线性相关,表明药物在载流子晶格中完全扩散,然而,如果活性分子存在时载流子基体的热特性(例如熔化温度)没有改变,则可能是活性分子没有封装在载流子基体中。因此,差示扫描量热(DSC)测量可以提供载体基体与被包封活性分子之间相互作用的有用信息。

最近,Ahmad等人利用DSC和XRD来考察淀粉包封儿茶素的包封效果。他们将儿茶素包封在不同类型的淀粉纳米颗粒中。他们观察到,经过纳米包封过程后,包封体系的结晶度降低,形成非晶态纳米颗粒(图2-6)。晶体性质的降低归因于晶体结构长程有序的破坏。


De Castro等人将热交换材料n-二十二烷封装到不同尺寸的聚氨酯载体胶囊中。他们报道载体粒径的减小会引起微囊的结晶度和熔化/结晶温度的变化。DSC结果表明,包封后的活性分子在低温下具有高度有序的三斜相,在高温下转化为面心正交相,然后转化为液相。随着微囊粒径的减小,熔融和结晶焓增大,如图2-7所示。



2.6 微囊的流变性


乳液通常也是用于包封保护活性分子的剂型。研究人员已经使用单、多和纳米乳液来包封各种类型的活性分子。不同的组份和制备技术制备的乳液具有不同的性能,其最终应用取决于流变性能。Matoset等人采用复乳法(水-油-水)包埋白藜芦醇,研究了乳液组成对其流变性能的影响。总体而言,浓度较高的复乳液表现出假塑性和以弹性为主的特性。采用幂律法对复乳液的流动行为进行了模拟(公式2.2),其中σ是剪切应力(Pa),γ是剪切速率(s21),K是稠度指数(Pa sn),n是流动行为指数(无量纲)。大多数复乳在较低的n值时表现出剪切稀释特征(图2-8)。这种剪切稀释行为归因于在平衡阶段形成的网络的破坏。


在核壳型包封体系中,微囊的流变性能取决于包埋温度、载体中活性分子的浓度以及添加剂(如表面活性剂)的浓度。Yang等人将相变材料封装在各种载体中,如聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、他们报告说,浆液的粘度不受载体材料的影响,而在很大程度上取决于温度;温度越高,粘度越低。随着十四烷(活性分子)浓度的增加,包覆体系的粘度也随之增加。

近年来,胶囊材料在“功能食品”领域备受关注。

近年来,微囊在“功能食品”领域备受关注。功能性食品含有微囊型“功能性”成分,可以提高食品的质量、味道、稳定性、质地或其他一些特性。由于微囊具有微米或亚微米的尺寸,它们显著地影响最终产品的流变性,这对各种应用都很重要。Comunian等人将毛莨油和植物甾醇进行复合凝聚,以提高其氧化稳定性,并将其添加到酸奶中。他们从流变实验中获得了存储(G')、损失(G'')模量、tan δ (G''/G')和复模量((G')2 +(G'')2)1/2),并使用Herschel-Bulkley方程(式2.3)对流动行为进行了建模。


式中σ0、k、γ分别代表屈服应力(Pa)、一致性指数(Pa s)和剪切速率(s-1)。n的值定义流体的类型:n=1:牛顿流体;N<1:假塑性流体;N>1:扩张流体。结果表明,在剪切过程中,酸奶的表观粘度随剪切速率的增大而降低,并且在整个存储模量中保持稳定,没有显著差异。在酸奶中加入胶囊化的活性分子增加了产品的粘度而不影响质量。同样,Wang等人用溶致液晶包埋姜黄素,并研究了包埋的姜黄素的流变性能。在包封前,姜黄素先用油酸乙酯或聚氧乙烯-10-油醚溶解,再用液晶包封。他们研究了姜黄素包裹后的弹性模量、粘性模量和tan δ的温度演化。图2-9显示了姜黄素包覆液晶的弹性模量、粘性模量和tan δ的温度依赖效应。


研究人员报道了颗粒形状和粒径分布对产品[34]流变性能的影响。当封装材料为非球形时,由于系统中额外的能量损耗,粘度可能会增加。并采用经验公式(公式2.4和2.5)来表示微囊的形状与粘度的关联。q是轴向比。



2.7结论和展望


对微囊进行全面的物理表征,对于基础研究和工业应用都至关重要。大量的文献报道了各种类型的微囊及其在不同领域的应用。然而,虽然报道了许多成功的应用案例和的配方,但仍然缺乏实验参数之间的相关性。近年来,生物活性分子的包封技术已经超越了传统的包封和传递技术。大量报告报道了用于各种应用的自修复技术。然而,需要研究包封物的物理特性(粘度、弹性模量、应变能力等)与愈合动力学之间的相互联系,与微胶囊相比,纳米胶囊可以获得更高的负载能力、包封率、稳定性和更可控的释放性能。然而,改善粒径控制和防止团聚仍是制备纳米胶囊的必要条件。进一步的研究可以集中在研究新的活性分子释放机制,并提高其在载体中的包封率。将壁材性能和微囊的包封机制综合起来,可以加速载体材料和微囊的商业化。


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