＊仇實 嚴珅 張盛宇 吳鐸

（蘇州大學材料與化學化工學部化工與環(huán)境工程學院 江蘇 215123）

甘露醇吸入粉霧劑可應用于成人肺部囊性纖維化的補充性維持療法，也可作為哮喘引發(fā)劑為哮喘患者的診斷提供依據(jù)[1-2]。

為實現(xiàn)甘露醇吸入粉霧劑微粒的肺部高效遞送，要求微粒的空氣動力學直徑（dae）小于5μm，而dae由幾何尺寸、密度和動態(tài)形狀因子所決定。目前，甘露醇微粒制備工藝大多為噴霧干燥技術[3]，但該技術制得的微粒密度通常較大，導致體外氣溶膠性能較差。有學者開發(fā)了噴霧冷凍干燥技術[4]，該技術結合了噴霧干燥和傳統(tǒng)真空冷凍干燥技術的優(yōu)勢，可制備具有多孔、低密度特性的脆性微粒[5]。因此，通過噴霧冷凍干燥制備的微粒具有更佳的體外氣溶膠性能，有望用于制備高性能甘露醇吸入粉霧劑[6-8]。

基于此，本研究采用團隊自主研發(fā)設計的微流控噴霧冷凍干燥技術制備了一系列甘露醇吸入粉霧劑，重點考察前驅液溶劑組成與噴霧冷凍溫度對甘露醇吸入粉霧劑的形貌、尺寸和晶型等結構屬性的影響規(guī)律和調控機制，并揭示決定其體外氣溶膠性能的主要因素。

1.實驗材料與方法

(1)主要原材料與儀器

甘露醇，純度≥99%，Sigma-Aldrich；乙醇，純度≥99%，國藥集團化學試劑有限公司；聚氧乙烯月桂醚，梯希愛（上海）化成工業(yè)發(fā)展有限公司。

微流控噴霧冷凍塔（自主設計搭建）；雙流體霧化器（LBGA02）；差示掃描量熱儀（DSC 3+）；掃描電子顯微鏡（SU1510）；激光衍射粒度分析儀（Sympatec）；X-射線粉末衍射儀（BRUKER）；新一代級聯(lián)撞擊器（NGI）。

(2)實驗方法

①干粉制備

將按表1 配置的前驅液裝至70 mL 注射器中，經(jīng)注射泵以5 mL/min 的流速將前驅液注入雙流體霧化器中，進氣流速為16 L/min，將前驅液霧化成細小液滴，液滴進入的微流控噴霧冷凍塔中，凍結得到冰球顆粒，在塔底用配套的專用收集盤收集冰球。待噴霧冷凍操作結束后，將冰球轉移至不銹鋼罐中，然后將其放入凍干機中進行真空冷凍干燥60 h，得到樣品。

表1 前驅液配方組成和噴霧冷凍工藝參數(shù)匯總表

樣品配方及工藝參數(shù)如表1 所示，樣品統(tǒng)一命名形式為SF(a)D-M5-EbWc，a 代表噴霧冷凍溫度，M5代表前驅液中為甘露醇的質量分數(shù)為5 %，E 和W 分別代表乙醇和水溶劑，b 和c 分別代表乙醇和水在前驅液中的質量分數(shù)。

②表征測試

掃描電子顯微鏡：將樣品依次通過雙面導電膠粘至固定樣品盤上，將樣品盤在20 mA 電流下噴金處理60 s 后放入樣品艙中，調節(jié)加速電壓為15 kV，最后調焦距對樣品進行拍攝。

粒度儀：將干粉灌裝于3 號羥丙基甲基纖維素膠囊中，用Breezhaler?吸入器在60 L/min 流速下進行測試可得到相應數(shù)據(jù)，每份樣品重復3 次。

X- 射線粉末衍射儀：取一定量樣品放置在單晶硅樣品臺上并用載玻片壓平，設置掃描角度為5°～90°，步長為0.05°，每步停留時間為0.3 s 條件下進行測試。

新一代級聯(lián)撞擊器：精密稱取干粉約50 mg，將其均勻地裝載到3 號膠囊中，待裝填完畢后，將膠囊放入Breezhaler?吸入器中，按壓吸入器兩側將膠囊扎破，并將吸入器與適配器相連，設定吸入時間為4 s。吸入完成后，準確稱取各盤級與膠囊的質量，并使用分析軟件計算出被測樣品的細顆粒分數(shù)（Fine Particle Fraction）與質量中值空氣動力學直徑（Mass Median Aerodynamic Diameter），每份樣品重復3 次。

2.結果與討論

(1)形貌分析

圖1 展示了樣品的形貌圖。純水溶劑的樣品均呈現(xiàn)為團聚的細小晶體碎片，破碎程度較高（圖1A），隨著噴霧冷凍溫度的降低，樣品的形貌無顯著變化。可能是由于溶質骨架不足以支撐微粒的宏觀結構，因此凍干過程中冰晶升華，微粒的骨架發(fā)生坍塌，最終呈現(xiàn)為細小晶體的聚集體。

圖1 不同冷凍溫度下的微粒形貌圖

乙醇/水溶劑下所制備的樣品均為針狀晶體的聚集體（圖1B-E），調節(jié)乙醇與水的質量比和噴霧冷凍溫度均沒有顯著改變樣品的宏觀形貌，但相比于水溶劑，乙醇/水溶劑所得的晶體尺寸相對較大。甘露醇在乙醇/水混合溶劑中的溶解度較低，且甘露醇的溶解度通常隨著溫度下降而降低。在冷凍初期，受溶解度決定的過飽和度控制，甘露醇在液滴中大量地隨機成核，然后快速生長成動力學優(yōu)勢的不穩(wěn)定和亞穩(wěn)態(tài)晶體，因此甘露醇晶體很可能優(yōu)先于溶劑結冰而析出，液滴中出現(xiàn)明顯的相分離現(xiàn)象，故其晶體尺寸相對較大。同時結合其共熔溫度分析，冰球在一次完全干燥結束之前可能已經(jīng)變?yōu)榫哂辛鲃有缘牟ＡB(tài)，從而導致結構的二次坍塌，因此最終呈現(xiàn)為堆積的針狀晶體。

(2)幾何尺寸分析

圖2 展示了不同溶劑組成及噴霧冷凍溫度下制得的微粒在經(jīng)吸入裝置分散后的幾何尺寸，以水作為前驅液溶劑的樣品，隨著噴霧冷凍溫度的下降，制備的樣品幾何尺寸小幅下降。這是因為冷凍溫度越低，過冷度越大，液滴凍結速率越快，甘露醇晶體生長時間越短。而針對以水/乙醇作為前驅液溶劑的樣品，隨著噴霧冷凍溫度的降低，幾何尺寸增大，這是因為在較低的噴霧冷凍溫度下，甘露醇晶體之間堆積致密，容易形成機械互鎖，且流動性較差，吸入時無法解開晶體的團聚。

圖2 不同冷凍溫度下的微粒幾何尺寸圖

(3)晶體學性質分析

從圖3 可以看出，針對以水作為前驅液溶劑的樣品，隨著冷凍溫度降低，穩(wěn)定的β 晶型含量逐漸下降。這是因為冷凍溫度降低，提高了液滴凍結速率，造成甘露醇分子在析出結晶過程中無足夠時間組裝形成穩(wěn)定晶型結構，因此β 晶型含量逐漸下降。

圖3 在不同冷凍溫度下的樣品XRD 譜圖（A、B 和C）及晶型占比圖（D）

針對以水/乙醇作為前驅液溶劑的樣品，樣品中穩(wěn)定的β 晶型含量低于水相前驅液樣品。主要是由于甘露醇分子間形成了穩(wěn)定的氫鍵，而乙醇與甘露醇分子間也可以形成氫鍵，從而影響了僅有甘露醇情況下的有序組裝，不利于形成穩(wěn)定的β 晶型。當噴霧冷凍溫度相對較高時，所得樣品晶體的穩(wěn)定性隨乙醇含量的提高而逐漸降低，這可能是因為前驅液中乙醇的含量較多時，液滴凍結過程中甘露醇受溶解度影響析出較快，不利于形成穩(wěn)定晶型。而在冷凍溫度相對較低時，樣品晶型組成以δ 晶型為主，且前驅液中乙醇占比對樣品晶型無明顯影響，這主要是由于低冷凍溫度下過冷度較大，甘露醇優(yōu)先析出為亞穩(wěn)態(tài)的δ 晶型。

(4)體外氣溶膠性能分析

從圖4 可以看到，在冷凍溫度為-40 ℃和-60 ℃時，樣品的MMAD 較小且FPF 較高。在較高的冷凍溫度下，樣品機械強度較差，通過吸入裝置可以進一步破碎，得到幾何尺寸更小的碎片。而在噴霧冷凍溫度為-80 ℃，甘露醇晶體堆積較緊，有團聚與機械互鎖的現(xiàn)象，導致樣品在吸入時大部分沉積在裝置和喉部。

圖4 不同冷凍溫度下的甘露醇微粒沉積分布圖（A、B、C）及MMAD 與FPF 值匯總圖（D）

對比純水溶劑與乙醇/水混合溶劑下制備的樣品，在噴霧冷凍溫度為-40 ℃與-60 ℃時，純水溶劑樣品MMAD 較高且FPF 低于乙醇/水混合溶劑樣品。兩種溶劑體系下制得微粒的吸入狀態(tài)幾何尺寸相似，但形貌差別較大，乙醇/水溶劑的微粒為針刺狀晶體聚集體（δ 晶型為主），甘露醇晶體間有效接觸面積與范德華力較小，因此在進入撞擊器的過程中還可以被繼續(xù)分散為更小單元。而在噴霧冷凍溫度為-80 ℃時，兩種溶劑體系樣品氣溶膠性能相似，這主要是由晶體間的緊密堆積帶來的團聚與機械互鎖所決定的。

3.結論

本研究利用一種新型微流控噴霧冷凍干燥技術成功制備了一系列甘露醇吸入粉霧劑。結果表明，在純水溶劑下，樣品均呈現(xiàn)為團聚的細小碎片狀晶體；而乙醇/水混合溶劑下制備的樣品為針狀晶體的聚集體，噴霧冷凍溫度和溶劑比例對樣品的宏觀形貌無顯著影響。通過新一代撞擊器對樣品的體外氣溶膠性能進行評價，結果發(fā)現(xiàn)乙醇/水體系下的樣品相較于純水溶劑具有更佳的氣溶膠性能，這是由于針狀晶體間的有效接觸面積與范德華力較小，進入撞擊器的過程中還可以被繼續(xù)分散為更小單元。此外，在冷凍溫度為-80 ℃時，由于晶體間的緊密堆積帶來的團聚與機械互鎖，導致微粒進入撞擊器后無法再分散，樣品細顆粒分數(shù)值均低于-40 ℃和-60 ℃條件下所制備的樣品；由此，得到最佳配方和工藝條件下的樣品FPF 高達64%，優(yōu)于已上市的大部分吸入粉霧劑產(chǎn)品。