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      應用方案

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      激光衍射技術在吸入制劑研究中的應用
      發布時間:2014-08-08   點擊次數:1848次

      ????? 現在吸入制劑越來越受到大家重視,不論是氣霧、液霧還是粉霧,不論何種形式,粒度檢測毫無疑問都是體外檢測中不可或缺的一環。激光衍射技術具有快速無損的特性,其結果比對性非常強,能快速提供大量粒徑檢測相關數據.

      1.引言

      通過吸入方式將藥物直接輸送到人體肺部,已是世界公認的治療哮喘和慢性阻塞性肺病的最好方法,同時肺部及呼吸道也可作為一個通道,遞送的藥物通過氣道表面進入人體血液系統,然后再進入到身體其他器官,達到全身作用的目的。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量最經典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能,從而具有不同的動力學特征而將其分離,不但能夠得到霧滴中不同大小的活性成分的絕對含量,而且也是美國藥典和歐洲藥典評價吸入制劑體外粒度分布推薦使用的方法。但慣性撞擊器法本身也存在不足,比如測試比較麻煩,尤其是其洗滌干燥以及色譜分析過程,往往測試一個樣品需要較長的時間,這在現代醫藥研發過程中就顯得‘節奏’偏慢,同時隨著吸入制劑研究的發展,大家不但對撳次之間的穩定性有更高的要求,而且希望對于每一撳次的吸入或者噴射過程能夠獲得更多的信息,而在這些方面,慣性撞擊器法都略顯不足,而激光衍射技術恰恰可以彌補。激光衍射技術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算而獲得顆粒體系的粒度分布,其本身快速無損的測試方式、對于噴霧細節的展現、以及快速比對的特點,使其在吸入制劑研究和篩選過程中大大提高研究效率,尤其是其本身可以跟慣性撞擊器以及USP人工喉聯合使用,大大拓展了其應用范圍。本文將根據其特點選取一些劑型和領域就激光衍射技術的應用研究跟大家做一些溝通和介紹。

      2. 鼻噴劑

        近年來,通過鼻粘膜給藥已被認為是一種藥物能被快速高效吸收的給藥方式,鼻粘膜細胞上有很多微細絨毛,因此大大增加了藥物吸收的有效面積,粘膜細胞下有著豐富的血管和淋巴管,藥物通過粘膜吸收后可直接進入體循環,此外,鼻腔內酶的代謝作用遠遠小于胃腸道,因此,鼻腔給藥系統正日益受到人們的重視,比如,在肽類和蛋白質類藥物的劑型研究領域。


      圖1. 馬爾文噴霧粒度儀測試鼻噴劑粒度分布

        在眾多給藥劑型中,噴霧劑是比較常見的劑型,僅通過霧化裝置借助壓縮空氣產生的動力使藥液霧化并噴出,由于其不含拋射劑,不使用耐壓容器,目前應用越來越廣泛。在鼻噴劑研究過程中,對于鼻噴劑粒度分布大小有兩個因素影響至關重要,即藥物配方和噴射裝置,下面我們就通過一些模擬實驗來看看激光衍射技術如何來體現這些影響因素。

        首先簡單介紹一下激光衍射技術測量鼻噴劑的一個過程。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射端和接收端,其可以自由移動以調整空間位置,中間的裝置為鼻噴的觸發裝置,通過該裝置我們可以按需求設置不同的觸發壓力或者觸發速度(也有用觸發時間的),同時可以調整噴射角度,這樣我們就可以靈活快速地調整測試參數。

        測試完成后,激光粒度儀將會實時給出整個噴射過程的狀態。圖2為鼻噴劑一個撳次的數據。其中橫坐標為時間,縱坐標為粒徑大小,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間的變化。在整個0.16秒的噴射過程,可以被被分為三個階段,0-0.02秒為觸發階段,此時顆粒噴出還不穩定,粒度迅速變小,濃度也迅速變低;0.02-0.09秒為穩定階段,此時粒度分布數據趨于穩定;0.09-0.16秒為消散階段,此時粒度分布變得極其不穩定,有大量大顆粒出現。激光衍射技術不但可以給出清晰的變化過程,而且可以給出整個測試過程或者每個階段的平均粒徑,圖3給出每個階段的平均粒度分布及粒徑數據。


      圖2. 鼻噴劑一個撳次整個過程



      圖3. 鼻噴劑一個撳次三個階段的分別的粒度分布及累計數據

        從這也可以看出,初始階段平均粒徑在68微米左右,而穩定后粒徑變小達到37微米,而消散階段粒徑進一步變大達到45微米左右。而圖4則給出了連續4個撳次的噴射數據,這樣我們不僅可以看到每個撳次的粒徑變化、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據變化及穩定性。


      圖4. 鼻噴劑4個撳次的噴射數據

        圖5為一款設計為50撳次的噴霧劑配方整個噴射周期內的粒徑數據,從該數據可以看出,除第一撳次粒徑偏大外,一直到60撳次數據都還是比較穩定,其中41撳次可能是由于操作失敗造成噴射粒徑明顯變大,這樣對于鼻噴劑以及罐體設計的噴射周期及穩定性提供了良好的數據基礎。


      圖5. 一款設計為50撳次的鼻噴劑整個噴射周期內的粒徑數據

        除了看撳次間的穩定性,我們還可以觀察不同配方、不同噴射泵以及不同噴射口徑對于噴射粒徑的影響。圖6為同一鼻噴劑配方采用不同的噴射泵條件下的液滴粒徑大小。


      圖6. 同一種鼻噴配方在兩種不同泵條件下的噴射粒徑影響

        從該圖可以看出,兩種泵隨著觸發壓力增大,液滴粒徑都在顯著減小,但相比之下,B泵對壓力并不敏感,而A泵在壓力比較低的時候,隨著壓力變化粒徑會發生巨大變化,這些在泵體設計和選型時必須考慮的問題。


      圖7. 不同濃度的PVP對噴射粒徑的影響(A泵)

        當然藥物配方對于噴射粒徑也會產生較大的影響,在這里我們通過一個模擬實驗來觀察結果。我們在同樣的裝置、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,而且霧化穩定期越來越短,當PVP濃度達到1.5%時,基本已經無法找到穩定的霧化狀態了。產生這樣的原因可能是隨著PVP濃度的增加導致霧化液粘度增加,從而導致霧化液滴粒徑顯著變大,但對于同樣趨勢的配方,我們更換了噴射泵B,結果見圖8。


      圖8. 不同濃度的PVP對噴射粒徑的影響(B泵)


      圖9. 孔徑更小的噴嘴實驗結果(B泵)

        從該圖可以看到,雖然隨著PVP濃度增加粒度變大的趨勢沒有變,但噴霧穩定性明顯增加,這也說明B泵提供的剪切力完全克服了霧化液粘度增加帶來的波動。為了進一步考察影響噴霧粒徑的影響因素,在保持圖8的實驗條件下,我們更換了更細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,在更細的噴嘴下的霧化粒徑結果,可以發現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

        噴霧劑是指通過壓縮空氣驅動藥液通過噴孔達到分散藥物的給藥劑型,其無需拋射劑、儲罐容器無需加壓、一般采取水性配方輔以固定的輔料等,同時對于吸入劑量較高的藥物(比如諾華公司300mg妥布霉素)其霧化遞送也具有明顯的優勢,再加上可以采取潮式呼吸的方式,因此目前噴霧劑廣泛應用于醫院急救室,特別是患哮喘或慢阻肺的兒童和老年患者。噴霧劑也是一個非常強調配方和霧化方式的劑型,換句話說,只有一個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。當然由于呼吸的模式不同,可能也會對吸入霧滴粒徑產生影響,因此我們在研究過程中,就必須三方都要考慮到,即霧化配方、霧化方式以及呼吸模式等。

        圖10是馬爾文噴霧粒度儀測試噴霧制劑的一個示意圖。其中兩邊是激光的發射和接收端,緊貼中間的是一個吸入式樣品池,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,這樣液霧通過上面人工喉進入激光測試區域,然后通過我們的吸入樣品池被泵抽走。


      圖10. 馬爾文噴霧粒度儀測試液霧示意圖

        圖11是一個持續液霧霧化的粒徑分布結果,圖中橫坐標為時間,縱坐標為粒徑大小,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達10分鐘的霧化時間內相對比較穩定。下面我們就將結合一些實驗來考察影響霧化粒徑的各種因素。我們知道,液霧霧化的方式較多,比如常見的噴射霧化、振動霧化或者超聲霧化等,每種霧化都有各自的優缺點,其中噴射霧化就是比較常見的一種方式,其主要原理是通過一定速度的壓縮空氣攜帶藥液通過狹小噴嘴而霧化,這時候壓縮空氣的流動速率就對霧化效果產生非常大的影響,圖12給出了同一噴嘴在不同空氣流速下的霧化粒徑結果。


      圖11. 持續的nebulizer霧化粒度測試結果


      圖12. 壓縮空氣流動速率對霧化粒徑的影響

        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D10、D50以及D90都呈下降趨勢,當流速達到11L/min時,霧化粒徑達到最小,隨后空氣流速進一步增大,其霧化粒徑反而變大,這可能是流速太大導致部分大的液滴越過擋板造成的。

        同時馬爾文噴霧粒度儀可以跟呼吸模擬機相連使用,從而對霧化進行更加深入的研究。圖13給出了一個霧化系統在正弦呼吸模式下的霧化粒度結果,剛開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定,而霧化液滴粒徑迅速減小然后緩慢增加,而當吸入速率逐漸變小時,霧化液濃度迅速衰減并且霧化液粒徑開始顯著增加并且很不穩定,這個數據也很好地體現了呼吸過程中發生的變化。


      圖13. 某霧化系統在正弦呼吸模式下的霧化粒度結果


      圖14. 不同呼吸頻率下的霧化液滴粒徑結果

        當然我們也可以改變呼吸的方式,比如保持相同的配方和管路結構,增加呼吸頻率,觀察呼吸方式對于霧化粒徑的影響(圖14)。從圖中可以看出,隨著呼吸頻率的增加,吸入時間也相應減少,同時吸入霧滴的流動速率也跟著增加,液滴粒徑顯著減小。

        除了呼吸方式,霧液配方對于霧化粒徑也會有顯著的影響,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,這主要是由于PVP的加入增加了霧化液的粘度造成的。


      圖15. 不同濃度的PVP溶液霧化粒徑結果


      圖16. 不同濃度的PVP溶液霧化吸入濃度的結果

        同時圖16給出了上述三種霧化液在吸入過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,要想達到相同的遞送劑量,對于粘度較高的霧化液可能需要更長的吸入時間。

        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上,結合粉體輸送工藝而發展起來的新劑型。它是將微粉化藥物單獨或與載體混合后,經特殊的給藥裝置,通過患者的主動吸入,使藥物分散成霧狀進入呼吸道,從而達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:比如無需氟利昂拋射劑,不存在大氣污染問題;不含酒精、防腐劑等溶媒溶劑,減少對于喉部的刺激,同時也更加易于保存;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題,但由于粉體顆粒之間容易產生團聚,同時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考量,這就對吸入裝置有著更高的要求,換句話說,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,才能達到穩定安全的劑量輸送。

        為了進一步說明這個問題,我們用了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給出了霧化細顆粒所占的比例。


      表1. 兩種粉體在不同的吸入裝置下的細顆粒比例

        其中可以看出,同一種物料在不同的吸入裝置中分散效果差異非常大,比如布地奈德的細顆粒比例可以從14%變為63%。而如果單從粉體物性角度來說,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,但我們看到最終結果卻恰恰相反,布地奈德粉體分散的細顆粒更多,這也進一步說明粉體吸入分散并不是簡單的按照其物理性質的規律進行的,因此如果要進行干粉吸入制劑的研究開發,就必須將粉體配方和吸入裝置同時相互考量。

        接下來,我們就通過一個小的實驗來看看粉體配方工藝、吸入裝置以及吸入速率是如何影響霧化效果的。我們選了三種配方的粉體(見表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,采取實驗室普通的混合設備加工,第三種同樣是微粉化乳糖添加5%的MgSt,但采用的是高強度的混合設備混合(該技術由Vectura開發)。由于硬脂酸鎂本身作為一個兩性的物質,可以對微粉化的乳糖形成包覆結構,從而減少乳糖的團聚,但同時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,這也就直接導致粉體輸送的復雜性。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,這說明雖然乳糖本身顆粒是比較小的,但由于細顆粒具有較強的團聚作用,因此隨著吸入速率增加,剪切作用力增強,導致顆粒越來越小,但團聚情況依然明顯。


        表2. 三種不同配方及加工工藝的粉體


      圖17. 純微粉化乳糖在不同吸入速率下的粒徑分布


      圖18. 普通混合的乳糖+硬脂酸鎂粉體在不同吸入速率下的粒徑分布


      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

        圖18則給出了普通混合的乳糖+硬脂酸鎂粉體在不同吸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,這說明硬脂酸鎂的包裹從一定程度下減小了乳糖團聚,但隨著吸入速率增大,其粒度變化不明顯,而且團聚依舊非常明顯,這說明硬脂酸鎂的包裹并不均勻,換句話說其并沒有形成單個乳糖顆粒表面的包裹,而是多個乳糖團聚顆粒被包裹,這樣這些大的包裹顆粒并不會隨著吸入速率增加而分散,因此就造成了在高流速下,其粒徑反而要比純乳糖的要大。但如果改善了加工方式,提高了硬脂酸鎂的分散均勻性和包裹效率,實現了單個乳糖顆粒的包裹,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果,從圖中可以發現其分散粒徑大大減少,基本上都在20微米以下,而且其粒度分布對于吸入速率并不敏感,這些都說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


      圖20. 激光衍射粒度儀和安德森撞擊器相連接

        為了能夠使激光衍射的測量條件跟碰撞法的測試條件一致,激光粒度儀還可以跟相關碰撞器相連接。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,其中吸入制劑通過上面的人工喉進入到吸入樣品池中進行粒度檢測,然后通過下部的接口進入到撞擊器中,由于是在同一通路中,大大提高了測試條件的匹配性,同時激光衍射作為一種無損檢測技術,其本身不會對通路中的液滴、霧滴造成任何影響,因而大大擴展了其應用性。

        6. 總結

        現在吸入制劑越來越受到大家的重視,不論是氣霧、液霧還是粉霧,不論何種形式,粒度檢測毫無疑問都是體外檢測中不可或缺的一環。當前醫藥研發的過程實際上就是跟時間賽跑的一個過程,因此在研發期間如何能夠快速對大量配方、噴射裝置以及測試條件進行篩選和甄別就顯得非常關鍵。而激光衍射技術恰恰具有快速無損的特性,同時其結果比對性又非常強,能夠快速提供大量粒徑檢測的相關數據,為吸入制劑的研發和生產提供堅實的保障。

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