噴霧冷凍干燥技術(shù)在藥物微球制備中的應用

1、噴霧冷凍干燥技術(shù)在藥物微球制備中的應用制藥工程 陳文煌 2007045021 摘要：噴霧冷凍干燥技術(shù)是近年來發(fā)展起來的新型低溫干燥技術(shù)，本文綜述了噴霧冷凍干燥技術(shù)的工藝優(yōu)化研究進展，分析了該技術(shù)發(fā)展現(xiàn)階段的特點，并對噴霧冷凍干燥技術(shù)的應用前景進行了展望，最后給出了噴霧冷凍干燥技術(shù)在藥物微球制備中的實際應用，希望能為噴霧冷凍干燥技術(shù)的推廣應用提供借鑒與幫助。關(guān)鍵詞：噴霧冷凍干燥 工藝 蛋白質(zhì)微球 綜述前言：干燥工藝是最古老的單元操作之一，廣泛應用于國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域。而隨著生物工業(yè)的快速發(fā)展，噴霧冷凍干燥在制藥技術(shù)中發(fā)揮著重要作用。噴霧冷凍干燥技術(shù)(Spray Freeze Drying)1 是用

2、于制備蛋白、多肽類微球的一種新方法，即將溶解了蛋白質(zhì)的溶液通過一個氣霧噴嘴噴于冷的蒸汽相中，蒸汽相下面是低溫液體層，小液滴通過蒸汽相的時候開始凍結(jié)，當接觸到低溫液體層時，小液滴完全凍結(jié)，將收集得到的凍結(jié)物置于冷凍干燥器中干燥，低溫低壓下使冰升華，得到干燥粉末。實質(zhì)上，噴霧冷凍干燥法是噴霧干燥和冷凍干燥法兩者的互補結(jié)合。由于噴霧冷凍干燥法是在比噴霧干燥低的溫度下進行的，所以通常會對蛋白質(zhì)產(chǎn)品帶來較少的破壞2。由于噴霧冷凍干燥法制備的產(chǎn)品具有良好的穩(wěn)定性和很好的復水性3，比傳統(tǒng)冷凍干燥具有更好的品質(zhì)，所以特別適用于那些具有較高市場價值的產(chǎn)品制備和具有較高共晶點和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的溶液4。Maa 5等

3、首次提出應用噴霧冷凍干燥技術(shù)制備蛋白質(zhì)微球，并與噴霧干燥技術(shù)比較。噴霧干燥和冷凍干燥法都常被用于生產(chǎn)天然植物提取物、醫(yī)藥產(chǎn)品和生物化工產(chǎn)品的粉狀產(chǎn)品。但是，冷凍干燥得到的是餅狀產(chǎn)品，必須通過機械磨碎來獲得粉狀產(chǎn)品，因此造成產(chǎn)品的顆粒直徑>1 mm，粒徑分布范圍廣，且磨碎產(chǎn)生的熱量會造成產(chǎn)品質(zhì)量降低，二次加工過程對產(chǎn)品純度以及品質(zhì)也造成一定的影響。噴霧干燥直接通過霧化的方式形成霧滴并 在與熱氣體介質(zhì)接觸的過程中蒸發(fā)溶劑，從而產(chǎn)生干燥粉末。但是天然植物提取物或者醫(yī)藥產(chǎn)品中的活性成分，常常因為不耐熱而遭到破壞。而噴霧冷凍干燥包含了上述兩種干燥方法的優(yōu)點，同時又克服它們的不足。1 噴霧冷凍干燥的

4、過程及優(yōu)缺點分析11 噴霧冷凍干燥的過程及機理 噴霧冷凍干燥過程一般包含下列3個步驟：（1）利用特殊設計的霧化器把需要干燥的液體霧化成為細小的霧滴；(2)通過低溫氣體或者液體把上述的霧滴快速冷卻和凍結(jié)，形成凍結(jié)的粉末；(3)通過升華原理，對上述凍結(jié)粉末進行干燥，最終獲得粉末狀的干燥成品6。 實際上，噴霧冷凍干燥實際上是兩個完整的過程，即通過低溫的流體(液氮、液態(tài)丙烷等)或者氣體 (空氣，液氮上方的低溫氮氣等)噴霧制冰粉過程，及真空常壓冷凍干燥或者流化床干燥過程。圖1是噴霧冷凍干燥與噴霧干燥過程比較示意圖7。早期研究的噴霧冷凍干燥，是通過霧化器把需要干燥的液體噴到液氮上方的低溫氮氣中霧化成細小的

5、霧滴，并冷凍成為冰粉 。針對上述噴霧冷凍干燥的系統(tǒng)要求，和現(xiàn)有的技術(shù)條件，利用液氮等低溫液體或氣化后的氣體實現(xiàn)瞬間的噴霧制冰粉，再把冰粉放進真空冷凍干燥裝置中完成干燥是完全可行的 。這類工藝的主要缺點是操作復雜，工序多，高能耗。 國外有人采用常壓冷凍干燥，替代真空冷凍干燥，以減少真空系統(tǒng)，來達到節(jié)能效果。 Marymann 8證明了常壓冷凍干燥的可行性，其主要的工藝特點是在冰粉周圍的干燥氣體介質(zhì)的水蒸氣壓必須足夠低，低于冰粉的水蒸氣分壓，這樣從冰粉到氣體介質(zhì)間的傳質(zhì)和升華過程才會進行，當然如果沒有其它措施，這個干燥過程將會需要很長時間。為了提高傳質(zhì)效果，人們考慮采用流化床等技術(shù)，取得了較好的結(jié)

6、果。 由于生物藥物在噴霧冷凍干燥過程中的穩(wěn)定性容易受到破壞，而如何選用恰當?shù)睦鋬霰Ｗo劑及凍干曲線以降低蛋白質(zhì)的失活程度也至關(guān)重要。12 噴霧冷凍干燥的優(yōu)缺點分析 由于噴霧干燥、真空冷凍干燥和噴霧冷凍干燥常用于天然植物提取物、醫(yī)藥產(chǎn)品、生化產(chǎn)品等高附加值的粉狀產(chǎn)品的加工，因此，將這3種不同干燥方法獲得的產(chǎn)品性能以及適應性列表分析，表1給出了3種不同干燥方式的特性比較6。 由表1可見：噴霧干燥雖然干燥時間短，但對于熱敏性物料的產(chǎn)品質(zhì)量有較大的影響。對于真空冷凍干燥和噴霧冷凍干燥，同樣可以獲得較高的產(chǎn)品質(zhì)量，但是，噴霧冷凍干燥的干燥時間較短。從能耗的角度看，在產(chǎn)品質(zhì)量不受溫度影響的前提下，噴霧干燥應

7、該是首選的干燥制粉的方式9。因此，噴霧冷凍干燥技術(shù)作為一種新型的干燥方式，可以替代部分的真空冷凍干燥，特別適用于干燥對溫度敏感的高附加值產(chǎn)品，例如，含活性物質(zhì)的天然植物提取物、醫(yī)藥產(chǎn)品、生化產(chǎn)品等。此外，由于噴霧冷凍干燥所需干燥時間較長，耗能高，其產(chǎn)品成本較高，而且產(chǎn)量較低，目前該技術(shù)還不完善，需要進一步研究。2 噴霧冷凍干燥技術(shù)的研究進展21 噴霧冷凍干燥技術(shù)工藝優(yōu)化研究 (1)噴霧冷凍+真空冷凍干燥。噴霧冷凍結(jié)合真空冷凍干燥是最早被采用的噴霧冷凍干燥工藝，其基本的工藝流程圖如圖2所示。我國目前實驗室水平所用的這種工藝居多，如江榮高等10利用噴霧冷凍干燥法制備供吸入的超輕干擾素粉末，就是應用

8、這種工藝。這種工藝中，噴霧制粉和冷凍干燥兩個工藝是分開進行的，噴霧冷凍干燥技術(shù)只是兩者的簡單組合。 (2)噴霧冷凍+流化床干燥。為了縮短真空冷凍干燥的時間，Leuenberger等11采用了流化床干燥的方式來完成第二步的產(chǎn)品干燥。這種工藝一定程度上可以改善噴霧冷凍干燥時間較長的問題，但仍沒有將噴霧冷凍和流化床干燥很好的結(jié)合到一起。 (3)一體化噴霧冷凍干燥。黃立新等12建議采用圖3所示的一體化噴霧冷凍干燥流程，解決了噴霧制粉和冷凍干燥兩個工藝被分開而造成操作復雜、能耗高等問題。Leuenberger等11曾采用一體化噴霧冷凍干燥做實驗研究，存在的不足主要是產(chǎn)量低，難于控制等問題，因此，這方面的

9、研究有待于進一步的探索。關(guān)于一體化噴霧冷凍干燥，國外研究較多。圖4給出的是瑞士Glatt AG的工藝學實驗工廠的實驗室所應用的設備4，圖5是其流程圖。這是目前較完善的一體化噴霧冷凍干燥設備，但我們不難發(fā)現(xiàn)，該設備對于制備藥物微球來說，體積較龐大，所以還有待于進一步的研究改善。22 噴霧冷凍干燥發(fā)展趨勢 噴霧冷凍干燥作為一種新型的干燥方式，可以替代部分的真空冷凍干燥，特別適用于干燥對溫度敏感的高附加值產(chǎn)品，噴霧冷凍干燥適合制備的產(chǎn)品特性如下4 ： (1)需要高表面積而多孔的物質(zhì)，例如，速溶產(chǎn)品、催化劑復合物和藥品之類。 (2)制備蛋白質(zhì)類粉霧劑等流動性好的中間或最終產(chǎn)品(一般相對分子質(zhì)量要小于5

10、00)，例如，應用于鼻腔和肺部的可吸入粉末、填充膠囊和生產(chǎn)藥片。 (3)提高極難溶于水的藥物的生物利用度。(4)生產(chǎn)低水溶性藥物的固態(tài)形式。 3 噴霧冷凍干燥技術(shù)在制備蛋白、多肽藥物中的應用 Maal5 等1998年首次提出應用噴霧冷凍干燥技術(shù)制備蛋白質(zhì)微球，并與噴霧干燥技術(shù)比較，以重組一誘導人免疫球蛋白單克隆抗體和重組人脫氧核糖核酸酶(rhDNase)作為模型藥，進行了噴霧干燥與噴霧冷凍干燥研究。噴霧干燥技術(shù)參數(shù)：噴嘴口徑為05ram，加料速率為15 mlmin，進風量為1050 1h，人口和出口溫度分別為(100105)和(50 55) ；噴霧冷凍干燥技術(shù)參數(shù)：噴嘴口徑、加料速率和進風量同

11、上，初始冷凍溫度為一50。結(jié)果表明，由噴霧冷凍干燥和噴霧干燥得到的微球平均粒徑分別為35txm和27txm，前者所得微球表現(xiàn)出更好的空氣動力學性質(zhì)，且比表面積較大，這是由于其多呈球形且疏松多孔粒子，其密度比后者得到的微粒減小了19。江榮高等10利用噴霧冷凍干燥法制備供吸入的超輕干擾素粉末，以檸檬酸一磷酸氫二鈉緩沖體系(pH 704)為溶劑，甘露醇或乳糖為賦形劑，加人少量添加劑(以賴氨酸、羥丙基B一環(huán)糊精、聚山梨酯一 20)作為干擾素的活性保護劑，然后加入適量干擾素制成16×107 ml的溶液進行噴霧冷凍。冷凍干 燥條件為：-45維持4 h后，在15 h內(nèi)逐漸升溫至-25并維持38 h

12、，5 h內(nèi)慢慢升溫至 -10C并維持5 h，再緩慢升溫至20C并維持7 h，即可制得干粉顆粒，并置干燥器中備用。對噴霧冷凍干燥產(chǎn)品的粒徑、形態(tài)、密度和吸濕性等粉體學性質(zhì)進行了考察，并測定了干擾素粉霧劑的體外沉積。結(jié)果表明，噴霧冷凍干燥法制得的產(chǎn)品密度很小；產(chǎn)品顆粒形態(tài)也為多孔性結(jié)構(gòu)。樣品的體外沉積較高，有的高達385。得出結(jié)論，噴霧冷凍干燥法可以制備超低密度的適于吸入給藥的蛋白粉末。Costantino等12 考察了噴霧冷凍干燥中霧化條件對牛血清白蛋白(BsA)微球粒徑和穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，當噴霧流速增加時，BSA易降解；當BSA微球的粒徑減小，也就是比表面積增大時，干燥后所得BSA的單體

13、百分率降低，表明所得微球比表面積對BSA降解的影響很大，這可能是由于在噴霧冷凍干燥過程中BSA與冰一水界面接觸時發(fā)生了變性； 當金屬zn與BSA形成復合物時，會使微球比表面積減小，但對粒徑和蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的影響不大；另外，粒徑的減小也有助于BSA突釋率的降低。4 結(jié)論 (1)噴霧冷凍干燥獲得的產(chǎn)品是球型、表面和內(nèi)部多孔的粉狀或顆粒狀產(chǎn)品，完全區(qū)別于噴霧干燥的中孔的、團聚型的產(chǎn)品和經(jīng)干燥并粉碎而成的片狀、菱狀、針狀的冷凍干燥產(chǎn)品6。此外，噴霧冷凍干燥獲得的產(chǎn)品具有較好的穩(wěn)定性和復水性，特別適用于干燥對溫度敏感的高附加值產(chǎn)品。 (2)在加工天然植物提取物或者藥品等含有高活性成分的產(chǎn)品時，通過噴霧冷

14、凍干燥獲得的產(chǎn)品品質(zhì)和常規(guī)采用的真空冷凍干燥的產(chǎn)品品質(zhì)一樣，但采用流化床的方式干燥，時間將大大縮短。(3)與噴霧干燥和冷凍干燥相比，噴霧冷凍干燥還是一個相對較新的組合干燥方法，很多研究和實踐工作還有待于進一步的探索。所以它本身還存在著一些迫切需要解決的問題：如干燥時間長、干燥產(chǎn)品成本高，產(chǎn)量較低不適合大規(guī)模生產(chǎn)。但我們相信，隨著越來越多的蛋白、多肽類藥物微球的開發(fā)，這項技術(shù)一定會愈加完善，在制藥行業(yè)中的應用是大有前途的。特別適用于高效而低水溶性且對溫度、PH值、鹽濃度敏感的藥物制備。參 考 文 獻1白沽，何應噴霧干燥技術(shù)在蛋白、多肽類藥物微球制備中的應用J藥學進展，2007，31(7)：299

15、3002Pikal MJ，KMDellerman，MLRoy&R，MRigginThe effect of formulation variables on the stability of freezedried human growth hormoneJPharmaceutical Research 1991，8：4274363SONNER C，MAA Y F，LEE GSprayfreezedrying for protein powder preparation：particle characterization and a ease study with trypsinoge

16、n stabilityJPharmaceutical Science，2002，91(10)： 2l2221394HLeuenbergerSpray freezedryingthe process of choice for low Water soluble drugs?JNanopartiele Research，2002，4：ll11195MAA Y F，NGUYEN PA，SWEENEY T，et a1Protein inhalation powder：spray drying VS spray freeze dryingJPharmaceutical Research，1999，16

17、(2)：2492546黃立新，鄭文輝，王成章噴霧冷凍干燥在植物提取和醫(yī)藥中的應用J林產(chǎn)化學與工業(yè)，2007，27(10)：1431467Paul ABurke，Lisa Aumb，John DHerberger，Xichdao CNguyen，Roy AHarrell，and Monica ZordichPoly(LaetideCoGlycolide)Micro sphere Formulations of Darbepoetin Alia：Spray Drying Is an Alternative to Encapsulation by SprayFreeze DryinJPharmace

18、utical Research，March 2004，21(3)：5005068MERYMANN H TSublimation freezedrying without vacuumJ Science，1959，1306286359Xiehdao CNguyen，John DHerbe礓er，and Paul ABurkeProtein Powders for Encapsulation：A Comparison of SprayFreeze Drying and Spmy Drying of Darbepoetin Ah JPharmaceutical Research，March 2004，21(3)：50751410江榮高，劉衡，王立青等噴霧冷凍干燥法制備供吸人的超輕干擾素粉末J中國藥學雜志，2007，42(5)：362364I1LEUENBERGER H，PLITZKO M，PUCHK