激光衍射技術(shù)在吸入制劑研究中的應(yīng)用
1. 引言
通過(guò)吸入方式將藥物直接輸送到人體肺部，已是世界公認(rèn)的哮喘和慢性阻塞性肺病的最好治療方法。而肺部及呼吸道也可作為一個(gè)通道，遞送的藥物通過(guò)氣道表面進(jìn)入人體血液系統(tǒng)，然后再進(jìn)入到身體其他器官，達(dá)到全身見(jiàn)效的目的。然而影響藥物在肺部及呼吸道沉積的因素有很多，其中氣霧的粒度大小分布就是最重要的影響因素之一。目前吸入制劑粒度大小測(cè)量最經(jīng)典，同時(shí)也是美國(guó)藥典和歐洲藥典評(píng)價(jià)吸入制劑體外粒度分布推薦使用的方法還是慣性撞擊器法，其利用不同大小的藥物顆粒具有不同的動(dòng)能，從而具有不同的動(dòng)力學(xué)特征而將其分離，從而進(jìn)一步得到霧滴中不同大小的活性成分的絕對(duì)含量。但慣性撞擊器法本身也存在不足，比如測(cè)試比較麻煩，尤其是就其洗滌干燥以及色譜分析過(guò)程而言，往往測(cè)試一個(gè)樣品需要較長(zhǎng)的時(shí)間，這在現(xiàn)代醫(yī)藥研發(fā)過(guò)程中就顯得‘節(jié)奏’偏慢。同時(shí)隨著吸入制劑研究的發(fā)展，大家不但對(duì)撳次之間的穩(wěn)定性有更高的要求，而且希望能夠獲得更多的關(guān)于每一撳次的吸入或者噴射過(guò)程的信息，但在這些方面，慣性撞擊器法都略顯不足。激光衍射技術(shù)恰恰可以彌補(bǔ)這些不足。激光衍射技術(shù)是基于不同大小的顆粒其衍射光在空間分布的不同，利用米氏理論反演計(jì)算而獲得顆粒體系的粒度分布。雖然該技術(shù)也存在不足，比如無(wú)法區(qū)分輔料和主料、受顆粒的形狀大小影響、無(wú)法確認(rèn)獲得‘真實(shí)’的粒度分布等，但其本身快速無(wú)損的測(cè)試方式、對(duì)于噴霧細(xì)節(jié)的展現(xiàn)、以及快速比對(duì)的特點(diǎn)，使其能夠大幅提高在吸入制劑研究和篩選過(guò)程中的研究效率。該技術(shù)可以跟慣性撞擊器以及USP人工喉聯(lián)合使用的優(yōu)點(diǎn)也為其擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。本文將介紹激光衍射技術(shù)在一些劑型和領(lǐng)域的應(yīng)用研究。
2. 鼻噴劑
近年來(lái)，通過(guò)鼻粘膜給藥已被公認(rèn)為是藥物能被快速高效吸收的給藥方式之一。鼻粘膜細(xì)胞上有很多微細(xì)絨毛，因此大大增加了藥物吸收的有效面積。由于粘膜細(xì)胞下有著豐富的血管和淋巴管，藥物通過(guò)粘膜吸收后可直接進(jìn)入體循環(huán)。此外，鼻腔內(nèi)酶的代謝作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于胃腸道，因此，鼻腔給藥系統(tǒng)正日
益受到人們的重視，包括肽類和蛋白質(zhì)類藥物的研究。在眾多給藥劑型中，噴霧劑是比較常見(jiàn)的劑型，僅通過(guò)霧化裝置借助壓縮空氣產(chǎn)生的動(dòng)力使藥液霧化并噴出。由于噴霧劑不含拋射劑，無(wú)需使用耐壓容器，目前應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。在鼻噴劑研究過(guò)程中，對(duì)于鼻噴劑粒度分布大小有兩個(gè)因素影響至關(guān)重要，即藥物配方和噴射裝置。您通過(guò)以下一些模擬實(shí)驗(yàn)可了解到激光衍射技術(shù)如何來(lái)體現(xiàn)這些影響因素。
首先簡(jiǎn)單介紹一下激光衍射技術(shù)測(cè)量鼻噴劑的一個(gè)過(guò)程。圖1為馬爾文的噴霧粒度儀，兩端豎起的裝置分別為激光的發(fā)射端和接收端，可以自由移動(dòng)這些裝置以調(diào)整空間位置；中間的裝置為鼻噴的觸發(fā)裝置，以及按需求設(shè)置不同的觸發(fā)壓力或者觸發(fā)速度（也有用觸發(fā)時(shí)間的），同時(shí)可以調(diào)整噴射角度，這樣便可以靈活快速地調(diào)整測(cè)試參數(shù)。
測(cè)試完成后，激光粒度儀將會(huì)實(shí)時(shí)給出整個(gè)噴射過(guò)程的狀態(tài)。圖2為鼻噴劑一個(gè)撳次的數(shù)據(jù)。其中橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為粒徑大小，幾條不同顏色的曲線分別代表D10、D50、D90以及噴射濃度隨噴射時(shí)間的變化。整個(gè)0.16秒的噴射過(guò)程可以被分為三個(gè)階段，0-0.02秒為觸發(fā)階段，此時(shí)顆粒噴出還不穩(wěn)定，粒度迅速變小，濃度也迅速降低；0.02-0.09秒為穩(wěn)定階段，此時(shí)粒度分布數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定；0.09-0.16秒為消散階段，此時(shí)粒度分布變得極其不穩(wěn)定，有大量大顆粒出現(xiàn)。激光衍射技術(shù)不但可以給出清晰的變化過(guò)程，而且可以給出整個(gè)測(cè)試過(guò)程或者每個(gè)階段的平均粒徑。圖3為每個(gè)階段的平均粒度分布及粒徑數(shù)據(jù)顯示圖。
從圖3也可以看出，初始階段平均粒徑在68微米左右，而穩(wěn)定后粒徑變小達(dá)到37微米，而消散階段粒徑進(jìn)一步變大達(dá)到45微米左右。而圖4則給出了連續(xù)4個(gè)撳次的噴射數(shù)據(jù)，這樣
不僅可以看到每個(gè)撳次的粒徑變化、粒徑平均值等，而且還可以方便快捷地看到其不同撳次間的數(shù)據(jù)變化及穩(wěn)定性。圖5為一款設(shè)計(jì)為50撳次的噴霧劑配方在整個(gè)噴射周期內(nèi)的粒徑數(shù)據(jù)。從該數(shù)據(jù)可以看出，除第一撳次粒徑偏大外，一直到60撳次數(shù)據(jù)都還是比較穩(wěn)定，其中41撳次可能是由于操作失敗造成噴射粒徑明顯變大。該操作方法就鼻噴劑以及罐體設(shè)計(jì)的噴射周期及穩(wěn)定性提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
除了看撳次間的穩(wěn)定性外，還可以觀察不同配方、不同噴射泵以及不同噴射口徑對(duì)于噴射粒徑的影響。圖6為同一鼻噴劑配方在不同的噴射泵條件下的液滴粒徑大小。
從該圖可以看出，兩種泵隨著觸發(fā)壓力增大，液滴粒徑都在顯著減小，但相比之下，B泵對(duì)壓力并不敏感，而A泵在壓力比較低的時(shí)候，隨著壓力變化粒徑會(huì)發(fā)生巨大變化，這些是在泵體設(shè)計(jì)和選型時(shí)必須考慮的問(wèn)題。
當(dāng)然藥物配方對(duì)于噴射粒徑也會(huì)產(chǎn)生較大的影響。通過(guò)一個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)可觀察結(jié)果。在同樣的裝置、同樣的泵速條件下（40mm/S），分別采用不同濃度的PVP水溶液來(lái)觀察霧化效果，PVP濃度分別為0、0.25%、0.5%、1.0%以及1.5%。圖7給出了五種配方下的噴霧中值粒徑結(jié)果，從中可以看到，隨著PVP濃度的增加，霧化的粒徑逐漸變大，而且霧化穩(wěn)定期越來(lái)越短，當(dāng)PVP濃度達(dá)到1.5%時(shí)，基本已經(jīng)無(wú)法找到穩(wěn)定的霧化狀態(tài)。其原因可能是隨著PVP濃度的增加導(dǎo)致霧化液粘度增加，從而導(dǎo)致霧化液滴粒徑
顯著變大，但對(duì)于同樣趨勢(shì)的配方，我們更換了噴射泵B，結(jié)果見(jiàn)圖8. 從該圖可以看到，雖然隨著PVP濃度增加粒度變大的趨勢(shì)沒(méi)有變，但噴霧穩(wěn)定性明顯增加，這也說(shuō)明B泵提供的剪切力完全克服了霧化液粘度增加帶來(lái)的波動(dòng)。為了進(jìn)一步考察影響噴霧粒徑的影響因素，在保持圖8的實(shí)驗(yàn)條件下，更換了更細(xì)的噴嘴觀察霧化效果。圖9展示了PVP濃度在0、0.5%和1.0%三種情況下，在更細(xì)的噴嘴下的霧化粒徑結(jié)果。從中可以發(fā)現(xiàn)霧化液粒徑分布顯著變小，尤其是1.0%PVP濃度下，其霧化液滴中值粒徑由200微米降到120微米左右。
3. Nebulizer噴霧劑
噴霧劑是指通過(guò)壓縮空氣驅(qū)動(dòng)藥液通過(guò)噴孔達(dá)到分散藥物的給藥劑型。雖然其具有很多
不足，比如體積較大不方便攜帶、完整的霧化系統(tǒng)價(jià)格昂貴、只能遞送一個(gè)劑量等，但其優(yōu)點(diǎn)也同樣明顯，比如無(wú)需拋射劑、儲(chǔ)罐容器無(wú)需加壓、一般采取水性配方輔以固定的輔料等。同時(shí)對(duì)于吸入劑量較高的藥物（比如諾華公司300mg妥布霉素），噴霧劑霧化遞送也具有明顯的優(yōu)勢(shì)。再加上可以采取潮式呼吸的方式，目前噴霧劑廣泛應(yīng)用于醫(yī)院急救室，特別是患哮喘或慢阻肺的兒童和老年患者。噴霧劑也是一個(gè)非常強(qiáng)調(diào)配方和霧化方式的劑型，換句話說(shuō)，只有一個(gè)好的配方搭配以合適的霧化方式，才能夠做出一款好的噴霧劑。當(dāng)然由于呼吸的模式不同，可能也會(huì)對(duì)吸入霧滴粒徑產(chǎn)生影響，因此在研究過(guò)程中必須考慮到霧化配方、霧化方式以及呼吸模式等。
圖10是馬爾文噴霧粒度儀測(cè)試噴霧制劑的一個(gè)示意圖。其中兩邊是激光的發(fā)射和接收端，緊貼中間的是一個(gè)吸入式樣品池，模擬人的呼吸道，而上面白色的彎管為USP人工喉，
而吸入式樣品池下面是接泵或者呼吸裝置，這樣液霧通過(guò)上面人工喉進(jìn)入激光測(cè)試區(qū)域，然后通過(guò)吸入樣品池被泵抽走。圖11是一個(gè)持續(xù)液霧霧化的粒徑分布結(jié)果，圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為粒徑大小，三種顏色的曲線分別為霧滴粒徑的D10、D50以及D90。可以看到霧滴的粒徑分布在長(zhǎng)達(dá)10分鐘的霧化時(shí)間內(nèi)相對(duì)比較穩(wěn)定。通過(guò)以下實(shí)驗(yàn)可了解影響霧化粒徑的各種因素。液霧霧化的方式較多，比如常見(jiàn)的噴射霧化、振動(dòng)霧化或者超聲霧化等，每種霧化都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。其中，噴射霧化是比較常見(jiàn)的一種方式，其主要原理是通過(guò)一定速度的壓縮空氣攜帶藥液通過(guò)狹小噴嘴而霧化，這時(shí)候壓縮空氣的流動(dòng)速率就對(duì)霧化效果產(chǎn)生非常大的影響。
下的霧化粒徑結(jié)果。從圖中可以看出，隨著空氣流速速率增大，霧化液滴的粒徑參數(shù)D10、D50以及D90都呈下降趨勢(shì)，當(dāng)流速達(dá)到11L/min時(shí)，霧化粒徑達(dá)到最小，隨后空氣流速進(jìn)一步增大，其霧化粒徑反而變大，這可能是流速太大導(dǎo)致部分大的液滴越過(guò)擋板造成的。
同時(shí)馬爾文噴霧粒度儀可以跟呼吸模擬機(jī)相連使用，從而對(duì)霧化進(jìn)行更加深入的研究。圖13給出了一個(gè)霧化系統(tǒng)在正弦呼吸模式下的霧化粒度結(jié)果，剛開(kāi)始隨著吸入速率逐漸增大，霧化液滴濃度迅速增加并趨于穩(wěn)定，而霧化液滴粒徑迅速減小然后緩慢增加，而當(dāng)吸入
速率逐漸變小時(shí)，霧化液濃度迅速衰減并且霧化液粒徑開(kāi)始顯著增加并且很不穩(wěn)定，這個(gè)數(shù)據(jù)也很好地體現(xiàn)了呼吸過(guò)程中發(fā)生的變化。當(dāng)然也可以改變呼吸的方式，比如保持相同的配方和管路結(jié)構(gòu)，增加呼吸頻率，觀察呼吸方式對(duì)于霧化粒徑的影響（圖14）。從圖中可以看出，隨著呼吸頻率的增加，吸入時(shí)間也相應(yīng)減少，同時(shí)吸入霧滴的流動(dòng)速率也跟著增加，液滴粒徑顯著減小。
除了呼吸方式，霧液配方對(duì)于霧化粒徑也會(huì)有顯著的影響，圖15給出了三種不同濃度的PVP溶液的霧化粒徑結(jié)果。可以看出隨著PVP的加入以及濃度的增加，其霧化粒徑顯著增加，這主要是因?yàn)镻VP的加入增加了霧化液的粘度。同時(shí)圖16給出了上述三種霧化
液在吸入過(guò)程中霧液吸入濃度的變化。從圖中可以看出，隨著PVP的加入以及濃度增加，吸入濃度明顯變小，這也就意味著，要想達(dá)到相同的遞送劑量，粘度較高的霧化液可能需要更長(zhǎng)的吸入時(shí)間。
4. DPI干粉吸入劑
干粉吸入劑（DPI）又稱吸入粉霧劑，是在定量吸入氣霧劑的基礎(chǔ)上，結(jié)合粉體輸送工藝而發(fā)展起來(lái)的新劑型。它是將微粉化藥物單獨(dú)或與載體混合后，經(jīng)特殊的給藥裝置，通過(guò)患者的主動(dòng)吸入，使藥物分散成霧狀進(jìn)入呼吸道，從而達(dá)到局部或者全身給藥的目的。干粉吸入劑具有自身顯著的特點(diǎn)：比如無(wú)需氟利昂拋射劑，不存在大氣污染問(wèn)題；不含酒精、防腐劑等溶媒溶劑，減少對(duì)于喉部的刺激，同時(shí)也更加易于保存；不受藥物溶解度限制，可以攜帶的劑量較高；固體劑型，尤其適合多肽和蛋白類藥物。然而干粉吸入劑雖然不需要考慮溶解懸浮等問(wèn)題，但由于粉體顆粒之間容易產(chǎn)生團(tuán)聚，同時(shí)活性成分與輔料載體之間包覆或者相互作用因素也必須詳細(xì)考量，這就對(duì)吸入裝置有著更高的要求，這就意味著必須是合適的活性成分及載體，控制合適的顆粒大小，并配以合適的吸入裝置，才能達(dá)到穩(wěn)定安全的劑量輸送。
為了進(jìn)一步說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)兩種不同的藥物采取不同的吸入裝置觀察霧化效果。其中兩種粉體藥物分別為柳丁氨醇和布地奈德，表1給出了霧化細(xì)顆粒所占的比例。從中可以看出，同一種物料在不同的吸入裝置中分散效果差異非常大，比如布地奈德的細(xì)顆粒比例
可以從14%變?yōu)?3%。而如果單從粉體物性角度來(lái)說(shuō)，布地奈德的分子表面能是柳丁氨醇的5倍以上，這意味著分散布地奈德的顆粒要比柳丁氨醇難得多。但看到最終結(jié)果卻恰恰相反，布地奈德粉體分散的細(xì)顆粒更多，這也進(jìn)一步說(shuō)明粉體吸入分散并不是簡(jiǎn)單的按照其物理性質(zhì)的規(guī)律進(jìn)行的，因此如果要進(jìn)行干粉吸入制劑的研究開(kāi)發(fā)，就必須將粉體配方和吸入裝置同時(shí)相互考量。
接下來(lái)，通過(guò)一個(gè)小的實(shí)驗(yàn)來(lái)查看粉體配方工藝、吸入裝置以及吸入速率是如何影響霧化效果的。選取三種配方的粉體（見(jiàn)表2），第一種就是普通微粉化的乳糖粉體，第二種是微粉化的乳糖添加了5%的MgSt，采取實(shí)驗(yàn)室普通的混合設(shè)備加工，第三種同樣是微粉化乳糖添加5%的MgSt，但采用的是高強(qiáng)度的混合設(shè)備混合（該技術(shù)由Vectura開(kāi)發(fā)）。由于硬脂酸鎂本身作為一個(gè)兩性的物質(zhì)，可以對(duì)微粉化的乳糖形成包覆結(jié)構(gòu)，從而減少乳糖的團(tuán)聚，但同時(shí)混合的方式和效率也將極大地影響乳糖的包裹效率和均勻程度，這也就直接導(dǎo)致粉體輸送的復(fù)雜性。圖17給出了純的微粉乳糖在不同吸入速率下的粒徑分布情況，從圖中可以看出隨著吸入速率增大，其顆粒粒徑明顯減小，這說(shuō)明雖然乳糖本身顆粒是比較小的。但由于細(xì)顆粒具有較強(qiáng)的團(tuán)聚作用，因此隨著吸入速率增加，剪切作用力增強(qiáng)，導(dǎo)致顆粒越來(lái)越小，但團(tuán)聚情況依然明顯。圖18則給出了普通混合的乳糖+硬脂酸鎂粉體在不同吸
粉體配方 加工方式
微粉化的乳糖 無(wú)
微粉化乳糖 + 5% MgSt 常規(guī)實(shí)驗(yàn)室混合設(shè)備
微粉化乳糖 + 5% MgSt 高強(qiáng)度混合設(shè)備
表2. 三種不同配方及加工工藝的粉體
圖19. 采取高能混合的乳糖+硬脂酸鎂粉體在不同吸入速率下的粒徑分布
入速率下的粒徑大小。相比較純的乳糖，首先在低吸入速率條件下，其顆粒分散粒徑更小，尤其是大顆粒方面顯著減小，這說(shuō)明硬脂酸鎂的包裹從一定程度下減小了乳糖團(tuán)聚。但隨著吸入速率增大，其粒度變化不明顯，而且團(tuán)聚依舊非常明顯，這說(shuō)明硬脂酸鎂的包裹并不均勻，換句話說(shuō)其并沒(méi)有形成單個(gè)乳糖顆粒表面的包裹，而是多個(gè)乳糖團(tuán)聚顆粒被包裹。這樣這些大的包裹顆粒并不會(huì)隨著吸入速率增加而分散，因此就造成了在高流速下，其粒徑反而要比純?nèi)樘堑囊蟆５绻纳屏思庸し绞剑岣吡擞仓徭V的分散均勻性和包裹效率，實(shí)現(xiàn)了單個(gè)乳糖顆粒的包裹，則可大大改善其分散粒徑。圖19則是采取高能混合方式的粉體在不同吸入條件下的粒徑結(jié)果，從圖中可以發(fā)現(xiàn)其分散粒徑大大減少，基本上都在20微米以下，而且其粒度分布對(duì)于吸入速率并不敏感，這些都說(shuō)明乳糖的包裹效率和均勻性得到了顯著提升。
5. 激光衍射&撞擊器連接
為了能夠使激光衍射的測(cè)量條件跟碰撞法的測(cè)試條件一致，激光粒度儀還可以跟相關(guān)碰撞器相連接。圖20是馬爾文噴霧粒度儀跟安德森撞擊器相連接的示意圖，其中吸入制劑通過(guò)上面的人工喉進(jìn)入到吸入樣品池中進(jìn)行粒度檢測(cè)，然后通過(guò)下部的接口進(jìn)入到撞擊器中。由于是在同一通路中，測(cè)試條件的匹配性大大提高，同時(shí)激光衍射作為一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，其本身不會(huì)對(duì)通路中的液滴、霧滴造成任何影響，因而大大擴(kuò)展了其應(yīng)用性。
6. 總結(jié)
現(xiàn)在吸入制劑越來(lái)越受到大家的重視，不論是氣霧、液霧還是粉霧，不論何種形式，粒度檢測(cè)毫無(wú)疑問(wèn)都是體外檢測(cè)中不可或缺的一環(huán)。當(dāng)前醫(yī)藥研發(fā)的過(guò)程實(shí)際上就是跟時(shí)間賽跑的一個(gè)過(guò)程，因此在研發(fā)期間如何能夠快速對(duì)大量配方、噴射裝置以及測(cè)試條件進(jìn)行篩選和甄別就顯得非常關(guān)鍵。而激光衍射技術(shù)恰恰具有快速無(wú)損的特性，同時(shí)其結(jié)果比對(duì)性又非常強(qiáng)，能夠快速提供大量粒徑檢測(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)，為吸入制劑的研發(fā)和生產(chǎn)提供堅(jiān)實(shí)的保障。
