摘要

本工作的目的是合成和表征生物相容性和生物降解的聚乳酸微球含有甲基橙;一種親水物質。采用水-油-水雙乳液(W1/O/ W2)法製備了聚乳酸微球。為了優化合成工藝，使用相同的材料，進行了超過10次的重複實驗。用掃描電子顯微鏡和傅立葉變換紅外光譜分別測定了材料的形貌和尺寸以及結構。通過對聚合物基質中活性物質在刺激血液和胃pH值的緩衝溶液中的釋放特性的研究，證明了上述合成工藝可以用於生產用於藥物遞送和釋放係統的材料。

關鍵字

納米技術;納米;乳劑;聚(乳酸);三維打印

簡介

當前工作的重要性

藥物給藥和釋放係統的進展主要集中在控製藥物的藥理作用上，最終目標是優化治療。藥物的釋放速率以及藥物的具體作用機製和藥物藥效學影響藥代動力學譜，從而影響患者的治療。最佳的給藥係統確保藥物在作用部位的分配具有精確的持續時間和效果，從而實現有效、安全和可靠的應用[1,2]。

就個性化醫療而言，三維打印(3DP)技術的使用被認為是最重要的，與傳統的製造技術不同，因為它適用於製造藥物複合物和創新劑型，如顆粒和載藥微/納米球。這種製造技術可以通過使用適當的數字模型，一層一層地構建三維物體，因此可以根據個別患者的需求定製藥物。

使用該技術的好處，在個性化醫療，特別是在製備即食片劑，包括a)控製活性物質的時間和空間分布，b)實現極低的藥物成分沉積的選擇;C)控製孔隙率，d)硬度，e)填充百分比和許多其他配方參數[3]。就工業化和商業化而言，其好處包括減少浪費，消除昂貴和龐大的供應鏈，並通過實現對製造過程的高度控製來優化產品質量。

納米技術包括納米材料、結構、器件和係統的規模化、可靠性和成本效益。它導致了改進材料和新產品的生產，並允許控製、操作、研究和製造“納米”尺寸範圍內的結構和設備，可以與3D打印技術的新特性相結合，擴展個性化醫療的能力。高分子生物相容性和生物可降解微納米顆粒因其穩定性和易於表麵修飾而備受關注。研究表明，納米顆粒優於微粒[4]，因為它們影響藥物載藥效率、給藥和釋放。此外，納米球可以越過血腦屏障(BBB)，可以很容易被細胞吸收，可以在聚合物中提供等效的藥物分布，也可以提高患者的依從性[5]。

微粒在受控條件下生產，使用最先進的製造工藝，如噴霧幹燥，靜電紡絲，溶液吹紡絲，乳液交聯，沉澱聚合[6]。就本工作所使用的乳液技術而言，采用了不同類型的配方，如水-油-水雙乳液(W/O/W)，而傳統的小分子表麵活性劑一直被用作穩定劑。乳劑交聯法製備穩定載藥微球，結合三維打印技術，可提高藥物片劑的釋放度、生物利用度和載藥效率。

以前的工作-聚乳酸(PLA)的使用和3D打印控製釋放係統

在過去的幾十年裏，為了提高藥物治療的有效性，根據活性物質的藥理特性來控製藥物的釋放已經引起了越來越多的興趣。這種係統通常使用聚合物作為藥物載體，而這一想法可以追溯到20世紀60年代，通過使用矽膠[7]。控製釋放係統的目的是在係統或指定的時期內，以預定的速率將適當數量的活性物質分配到感興趣的區域。這種給藥和釋放係統比傳統劑型更有效，安全性更高，藥效更均勻，毒性更低，患者依從性更好，使用更方便。

有多種這樣的表述，其發布模式可分為兩類。第一種包括那些以慢零或一階速率釋放持續成分的成分，第二種是那些釋放少量(爆發效應)，然後是慢零或一階釋放[8]的成分。

藥物釋放的主要原理是將活性物質包裹在可溶膜中，膜逐漸溶解並形成微束，允許水介質進入膜，藥物繼續溶解。最後，溶解的藥物被擴散出係統。影響藥物釋放速率的因素包括所含藥物的基質結構，與聚合物相關的化學和物理性質，如溶解度、溫度和pH敏感性，以及活性物質[9]。在文獻中，控釋智能係統的優勢已經被證明，如微型製造領域的小型可編程裝置[10]，基於羥丙基甲基纖維素(HPMC)[11]的給藥係統的藥物釋放，具有互穿聚合物網絡結構的熱敏聚(異丙基丙烯酰胺)(PNIPAAm)水凝膠[12]等。

在生物可降解聚合物中，聚乳酸是這方麵研究最廣泛的材料之一。它在體內被分解成乳酸單體，乳酸是碳水化合物代謝的天然中間體。因此PLA適合進一步使用，如可吸收縫合線，整形外科植入物或血管，這些最終可以被身體組織所取代。在緩釋方麵，PLA已用於抗分枝杆菌藥物[14]、喹諾酮類藥物[15]、抗瘧和抗炎藥物[16]、抗腫瘤藥物[17]、激素[18]和含氟口服片[19]的釋藥。

利用3DP技術開發和製造劑型的能力為控釋層提供了新的機會。製藥產品的製造可以通過許多技術來實現，如熔合沉積建模、基於噴墨的製造和熱噴墨打印，同時提供了許多優勢。其中一些是指需要極少量藥物或小劑量藥物使用的患者，治療慢性疾病的患者，給藥頻率高，有副作用，易接受種類廣泛的藥物活性成分，以及治療窗口狹窄的藥物。

三維打印片劑有許多優點，包括由於操作係統快，生產率高，減少使用的材料，可以降低生產成本，從而獲得附加值。這一原理已在含有熒光素4-氨基水楊酸鹽和5-氨基水楊酸鹽[20]和潑尼鬆龍[21]的片劑中得到證實。這些技術在給藥係統領域的應用已經通過開發和FDA批準的Levetiracetam (SPIRTAM®)片劑建立起來，這是第一個三維打印或分散片劑[17]。關於3D打印和影響藥物釋放的另一個潛在好處是，該技術可以用於製造任何幾何形狀的片劑[22]。Moodley等[23]創造了甜甜圈形狀的聚合物矩陣，以獲得零級藥物釋放，而Bayomi等[24]使用拋物線形狀實現了同樣的效果。

此外，也有不同片劑形狀的藥物釋放研究，從三角形，圓柱形和半球形的片劑相同的配方。不同形狀打印片劑的釋藥動力學與表麵積無關，而與表麵體積比有關，表明幾何形狀和體積對藥物釋放曲線[19]有重要影響。

在這項工作中，為了製作由生物相容性聚合物聚乳酸(PLA)預先修飾成含有活性物質的微球組成的片劑，我們使用了片劑壓縮機。

材料

4-{[4-(二甲氨基)苯基]二氮基}苯-1-磺酸鈉(甲基橙，費雪科學)，聚(乙烯醇)(水解86- 89%，低分子量，Alfa Aesar)和聚(乳酸)(2003D，自然工程)。檸檬酸一水合物(99.5%，Sigma Aldrich)和磷酸二鈉脫水(99%，Sigma Aldrich)是A. r級，未經進一步淨化就使用。

聚乳酸微球作為藥物載體的合成技術研究

聚乳酸具有理想的體內釋放和控釋活性物質的性能。這種生物相容性和生物可降解材料有助於調整其結構特征，如其衍生物的大小和形狀。聚(乳酸)顆粒通常由單乳液或雙乳液製備，這種方法提供了自定義顆粒特征的能力，如尺寸、封裝劑和表麵性能[1]。在微球中包覆親水性活性物質的技術為水-油-水雙乳液(W1/O/W2)。

將活性物質溶解在水中(第一水相，W1)，並在超聲波照射下，按小水滴的順序依次加入到pla -二氯甲烷溶液(有機相，O)中，被待形成的聚合物包圍(圖1)。將得到的乳液加入到水(第二水相，W2)中，其中已溶解穩定劑和表麵活性劑[聚(乙烯醇)，PVP]，在劇烈的攪拌下，促進溶劑蒸發，使球體完全穩定。最後一步是乳化液的離心，微觀結構的收集和洗滌，以及脫水的凍幹。最終產品以粉末的形式聚集，包括甲基橙液滴的球形聚合物結構。

圖1:聚乳酸微粒製造原理圖

接下來的步驟包括對所生產的微結構粉末進行壓片。藥片壓縮機(MINIPRESS MII, 186)被用來製作藥片作為劑型。這種壓片的形成是由兩個衝床和一個模具的聯合擠壓作用，其中的基本原理是液壓。粉末放置在壓縮工具衝孔-染色腔內，該衝孔腔包括衝模和下衝模。在壓片階段，上衝孔與下衝孔相互貼合，兩衝孔之間的距離決定了壓片的厚度和硬度。六個相同的藥片包含0.238克的粉末。用片劑硬度計tbh125在80N ~ 100N範圍內測定碎片力。為了測定片劑的破片力，在硬度計中對10片類似的藥片進行破片試驗。

形狀	直徑(厘米)	高度(毫米)	重量(gr)	打破力(N)
	1.10±0.01	3.00±0.01	0.238±0.001	90±10

表1:片劑的形狀、尺寸及破片力

表征技術

利用掃描電子顯微鏡(SEM)和能量色散x射線能譜(EDS)研究了球的微觀結構和元素分析。使用PHILIPS Quanta Inspect (FEI公司)顯微鏡，149 W燈絲，25 KV，配有EDAX GENESIS (AMETEX工藝和150分析儀器)進行表征。為了確定每個地層的平均直徑，使用Image J軟件直接從掃描電鏡圖像中進行測量。從視野中，從樣本的5個不同區域隨機選擇至少600個顆粒直徑的測量值，以獲得具有代表性的尺寸分布。

考慮到圖2，可以提到，生產的材料的形貌是球形的。然而，所製備的球在尺寸上並不均勻，其直徑從800納米到20微米不等。更具體地說，圖3顯示了PLA微球的尺寸分布，可以注意到，最高的微球種群的直徑從1 μm到5 μm。(圖4)給出了裝載甲基橙的PLA微球的SEM圖像以及EDS分析和相應的N元素EDS映射。EDS分析證實所載微球由PLA和甲基橙引起的碳和氧以及甲基橙引起的N組成。考慮到EDS的映射，可以注意到甲基橙已經被吸附到微球中，這是因為來自甲基橙的N元素的存在覆蓋了整個微球。

圖2:乳狀液離心後收到的PLA微球的SEM圖像

圖3:聚乳酸微球尺寸分布

圖4:載甲基橙聚乳酸微球:(a) SEM圖像，(b) N元素對應的EDS映射，(c) EDS分析

傅裏葉變換紅外光譜(FTIR)方法也用於評估生產的材料的結構(圖5)。峰在574 cm處^－1在693厘米處^－1分配給C-C_l2CH拉伸振動₂C_l2，條帶在816 cm處^－1和846厘米^－1為PVA的C=CH振動。峰頂在1753厘米^－1為PLA的C=O拉伸振動，1607 cm^－1是由於PVA的C=C振動。此外，波段在1088厘米^－1是由於PLA酯基的C-O-C拉伸振動和在1032 cm處的峰值^－1歸結為甲基橙的N-N拉伸振動。此外，峰值在1193厘米^－1是由R-SO引起的₂-OR '結合甲基橙的振動。長1436厘米的波段^－1分配給CH₂二氯甲烷的Cl振動。最後，最高點在2922厘米^－1歸因於CH₂PVA[25]的拉伸。

圖5:所製微球的紅外光譜

使用兩種不同的介質緩衝溶液對片劑進行溶出研究;第一組模擬人血pH值(7.4)，第二組模擬人胃環境pH值(5.4)。為了保持37.0±0.2°C的恒定溫度，在甲基橙釋放過程中，使用PT-DT70溶出測試儀器，在20 rpm的穩定低攪拌速率下進行自動取樣。每片浸泡在500ml緩衝溶液中。在UV-IR (Jasco V-630)分光光度計中分析樣品的光譜，以確定在不同時間甲基橙進入溶液的濃度。

應用程序

從發布概要來看，一個雙階段的方式得到了證實，最初的快速發布階段緊隨其後的是較慢的發布階段。最初的快速釋放明顯與“爆發效應”有關，即從地表非常快速地釋放。在第二階段，藥物的釋放可以通過膜的擴散和其水解降解的組合來解釋。最初的快速釋放是由於藥物在片劑表麵或接近片劑表麵的擴散，並且與pH值無關，因為它與聚合物降解無關。第二個釋放階段是兩種機製的結合，分別是通過膜的擴散和PLA的水解降解。

從圖6可以看出，製備的材料符合藥物釋放機製的標準，而甲基橙從PLA基質的釋放曲線符合“冪律”-半經驗方程，描述了聚合物體係[11]的藥物釋放量:

圖6:片劑溶出速率圖，作為釋放剖麵

\[\壓裂{{{M_t}}} {{{M_ \ infty}}} = {\ rm {}} {K_n }\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,( 1 )\,\,\,\,\,\,\ 左({\ rm{}}{方程1}\)\]

其中M_t和M_∞分別表示在時間t和無限時間時活性物質的量，n為釋放指數，其中n=0.5表示受控擴散釋放，n=1.0表示受控膨脹釋放，k是一個常數，取決於器件的幾何特性。

結論和未來展望

采用W/O/W雙乳液法製備了含甲基橙Μicrospheres。聚乳酸作為有機相，聚乙烯醇作為表麵活性劑。最大的球狀層直徑在1 ~ 5 μ m之間，從而使甲基橙均勻分布於聚合物中。

本研究的目的是了解PLA-甲基橙體係的釋放機製和降解行為，以製備由生物相容性聚合物PLA組成的3D打印片，並將其預先修飾成含有活性物質的微球。由於球的表麵密度高，藥物均勻分布到聚合物中。所述改性擠出聚合物將作為打印機燈絲原料材料，其典型直徑為1.75-1.85 mm，因此打印的劑型將已載藥;為此，將完成受控發布。

未來的研究方向包括:製備典型直徑為1.75-1.85 mm的改性聚合物長絲，以及製備不同尺寸和幾何形狀的片劑。最後，片劑溶出度測試將確定活性物質從聚合物基質的釋放曲線和動力學。預計3DP在藥物輸送和藥物釋放中的應用將提供額外的好處，因為它為具有內置靈活性的漸進藥物輸送鋪平了道路，適合於個性化藥物。乳劑交聯法製備穩定載藥微球，結合三維打印技術，可提高藥物片劑的釋放度、生物利用度和載藥效率。

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條信息

文章類型:研究文章

引用:Kalogerini M, Kartsonakis IΑ， Brasinika D, Koumoulos EP, Charitidis CA(2017)用於藥物載體的聚乳酸微粒增強3D打印控釋係統。納米外科3(2):doi http://dx.doi.org/10.16966/2470-3206.123

版權:©2017 Kalogerini M，等人。這是一篇開放獲取的文章，根據創作共用署名許可協議(Creative Commons Attribution License)發布，該協議允許在任何媒體上不受限製地使用、分發和複製，前提是注明原作者和來源。

出版的曆史:

收到日期:2017年5月03

接受日期:2017年5月29日

發表日期:05年6月2017年