应用超临界流体技术制备药物微粒

倪敏 徐琴琴 王雅琼 银建中

（大连理工大学化工机械学院）

应用研究

应用超临界流体技术制备药物微粒

倪敏*徐琴琴 王雅琼 银建中

（大连理工大学化工机械学院）

超临界流体技术在药物制备中的应用，尤其在药物微粒化方面的应用成效显著。分析了超临界流体技术在国内外的研究进展，并进行归纳总结。其内容包括：超临界流体溶液快速膨胀、超临界流体浸渍、超临界流体抗溶剂以及超临界流体过饱和溶液等技术。着重就实际应用中所关心的实验原理、工艺流程、容器设备等内容进行分析对比，以此讨论其优缺点。此外，还就深入研发过程中应该注意解决的关键问题及其应用前景提出了初步建议。

超临界流体 药物微粒 溶液 浸渍 抗溶剂 饱和溶液

0 前言

药物微粒化是药物制剂领域一项重要技术，主要包括药物微粉化和药物包埋。就药理学而言，药物微粉化后的主要优势在于：（1）提高药效，减少药物用量；（2）变换给药方式，方便临床应用，减轻患者接受治疗带来的痛苦；（3）可实现缓/控释给药，提高生物利用度。药物包埋是指用可降解生物材料将药物制备成微球或微囊，从而起到缓释作用。通过控制药物粒径还可实现靶向给药，降低药物毒副作用[1]。就药剂学而言，药物经超细化处理后比表面积显著提高，表面性质将发生变化，并表现出一些特殊的物理化学性质，如增加药物吸收、改变药物体内分布特征、改变药物的膜转运机制以及控制药物释放等。

目前，制备药物微粒方法主要包括：固相法、气相法、液相法和微乳液法等。但这些方法均存在不同程度的缺点，例如：（1）粒子尺寸和尺寸分布难以控制，尺寸分布宽；（2）溶剂残留和环境影响；（3）因极端的操作条件可能致使药物活性被破坏。因此，科学家和工程师们均在致力于开发新的制药技术，以满足剂型改革的需要。近年来，超临界流体技术（supercritical fluid technology，SCFT）在制备药物微粒方面取得了令人感兴趣的结果。用该技术制备药物微粒具有粒径小、尺寸分布窄、纯度高、无溶剂残留以及操作条件温和易控等突出优点，故倍受青睐，成为制药领域的研究热点之一。

1 超临界流体及超临界流体药物微粒化技术

超临界流体（supercritical fluids，SCF）是指温度、压力均处于物质临界点以上状态的流体。研究表明，物质进入超临界状态后常表现出许多特殊的物理化学性质。例如：似液（liquid like）般密度，提高了对物质的溶解度；似气（gas like）般扩散系数，提高了输运能力；零表面张力，促使其可以将物质输送至任何尺寸大于SCF分子的空间。此外，溶剂强度和热力学性质随温度压力变化可调，也是SCF的独特优势。最常用的SCF为超临界二氧化碳（supercritical carbon dioxide，scCO2），原因在于CO2无毒、不易燃、廉价易得，且临界条件较为温和（Tc=304.2 K，Pc=7.37 MPa）。scCO2属于亲油性溶剂，尤其适合于中草药、天然产物、生物活性成分的分离纯化，较低的操作温度还有利于处理热敏性物质。经scCO2处理后的产品，经过简单降压分离可以直接回收，无溶剂残留隐患。因此，高效、清洁的优点是基于scCO2的超临界流体技术最具吸引力所在。

超临界流体技术在药物领域的应用已有近三十年的历史，最初用超临界萃取提纯植物、中药以及天然产物中的药用成分，且已经实现工业化。近十年来，随着超临界流体技术本身的进步，加之科学认识的深入，在药物提纯特别是制剂方面发展了很多创新性工艺过程，如果按照超临界流体所起作用来划分，可将超临界流体药物微粒化技术分为下述几种。（1）SCF作溶剂：超临界流体溶液快速膨胀（rapid expansion of supercritical solutions，RESS）技术、超临界流体浸渍（supercritical solvent impregnation，SSI）技术；（2）SCF作反溶剂：超临界流体抗溶剂（supercritical anti-solvent，SAS）技术；（3）SCF作溶质：超临界流体过饱和溶液（particles from gas saturated solutions，PGSS）技术[2]。

2 超临界流体技术制备药物微粒的应用

2.1 RESS技术

RESS过程是SCF经过微细喷嘴的快速膨胀过程。该法是将溶质直接溶于SCF中形成超临界溶液体系，在膨胀过程中，压力、温度的突然降低使溶质溶解度降低，形成过饱和溶液，析出大量微粒[1]。由于此过程在瞬间完成，因此整个流体均匀成核，形成平均粒径小而均匀的微粒[1]。RESS流程装置如图1所示。RESS技术制备的一些药物粉体见表1。

图1 RESS流程装置[3]

表1 RESS技术制备的药物粉体

Su等[5]利用RESS技术对非甾抗炎药（nonsteroidal anti-inflammatory drug，NSAID）萘丁美酮（nabumetone）进行了微粉化，并研究出实验的最佳条件为：萃取温度（Text）308 K、萃取压力（Pext）20 MPa、膨胀前温度（Tpre）353 K、膨胀后温度（Tpost）283 K、喷雾距离（Ls）2.5 cm、喷嘴直径（Dn）25μm。通过SEM、XRD及DSC分析可以看出，粒子经过RESS过程，粒子尺寸降低很多而且晶形未被破坏，与未处理的药物相比，微粉化后的粒子释放速率提高了3.5倍。而Hezave等[8]利用RESS技术微粉化酮洛芬，在萃取温度为313 K、萃取压力为22 MPa、收集距离为1 cm、喷嘴长度为5 mm、喷嘴直径为450μm下制备的粒子尺寸最小为0.35μm。

Sonnda等[6]为防止粒子发生聚集现象，加入赋形剂乳糖，发现氟比洛芬粒子很好地分布在乳糖粒子上，而且经过DSC分析，样品的结晶度有一定的降低。增加乳糖的比例，释放速率会加快（如图2所示）。这可能是由于粒子的结晶度降低及分散度增加引起的。Wen等[7]为提高溶解度，使用乙醇作为共溶剂,制备的脂质体粒子尺寸小并且尺寸分布窄，在最优实验条件下制备的药物的担载率为5.18%，粒子的平均尺寸为173 nm。

图2 粒子的释放曲线[6]

RESS技术自提出至今，已经成功应用到化工、材料等领域。近年来，RESS技术在药物微粉化方面的应用逐渐增多，本文中只罗列近几年的一部分成果。RESS技术能够将原始微粒的尺寸降低很多，比面积增大，这会提高药物的释放速率，增大生物利用度。RESS法制备微粒过程中的影响因素较多，主要为聚合物、药物自身的性质（如结晶性、相对分子质量、浓度等）和外界因素（如预膨胀温度、萃取温度及压力、制粒釜内温度、喷射距离、喷嘴直径等）。通过调节这些因素可改变微粒粒径、分布、形态、载药量、包封率等。此外，为防止粒子聚集在一起，还有一些学者在实验中加入赋形剂，药物粒子可以很好地分散在赋形剂表面。RESS法操作简单，但由于scCO2极性低，对大多数药物和聚合物的溶解度较低，因而限制了其应用。可在体系中加入共溶剂（如乙醇、乙二醇等）来提高药物在scCO2中的溶解度。

2.2 SSI技术

SSI过程是将药物及聚合物或介孔基材直接放在溶剂SCF之中（溶解度较小时，可以加入乙醇、乙二醇等共溶剂来提高大分子药物在SCF中的溶解度），具体方法可描述如下：（1）超临界流体将药物溶解并携带其进入多孔载体孔道内部；（2）超临界流体和药物吸附到孔壁上；（3）给系统减压，超临界流体变成气体并从载体上脱附，药物则沉积在载体的孔道上[9]（见图3）。

图3 SSI方法实验装置[10]

SSI过程多选用高分子聚合物作为基材，因其能在生物体内经水解、酶解等过程逐渐降解成低分子量化合物或单体进而被排出体外或参加体内正常代谢而消耗掉。此外，使用SSI技术以聚合物作为基材的一个重要的优势是：聚合物基材在scCO2中会发生溶胀现象[11]，即聚合物基材内部出现孔道或空腔，小分子药物在聚合物出现溶胀现象以后再担载到聚合物基材内。在同样的操作条件下，不同的聚合物基材会产生不同的溶胀效果（见图4）。对于同样的基材，操作条件如SCF的温度、压力、浸渍时间等都会影响溶胀效果（见图5）。这样，调节操作条件或更改聚合物基材就可以控制药物的担载量和释放速率。有关文献中用SSI技术制备的药物微粒见表2。

Yoganathan等[11]分别在四种操作条件下制备了布洛芬/PCL复合药物，实验证明在15 MPa、313 K操作条件下制备的药物担载量最大。药物的担载量与药物在scCO2中的溶解度、scCO2对聚合物的溶胀作用、药物在scCO2及聚合物基材间的分配系数有关。在该实验中，药物的担载量与其在scCO2中的溶解度并没有直接的关系（见表3），而scCO2对聚合物的溶胀作用却是主导因素。

图4 不同的溶胀效果

表2 文献中用SSI技术制备的药物微粒

图5 经scCO2处理的聚己内酯SEM图[11]

表3 药物在scCO2中的溶解度及担载量[11]

Bush等[13]以β-雌二醇为前驱物，PVPP为基材进行实验，为提高药物的担载量，选择乙醇为共溶剂。作者研究了操作条件对担载量的影响。在17.2MPa、313～323 K条件下，药物担载量为28～36 mg/g PVPP。其中温度对担载量的影响很明显，随着温度的升高，担载量增加；而溶胀时间的长短对担载量基本无影响。Darr等[14]在303 K、17.2 MPa条件下制备的HPMC-吲哚美辛复合材料，通过DSC（见图6）和XRD（见图7）分析可知，吲哚美辛在聚合物基材内呈现非晶态，而分子在孔道内形成晶体的理论条件是孔径为分子大小的20倍左右，这与实验结果一致。制备的药物复合材料的释放速率遵循n-幂次定律（n=0.54）。

图6 样品的DSC图[14]

Braga等[10]以scCO2为溶剂，用两种药物氟比洛芬和马来酸噻吗洛尔在三种壳聚糖衍生物上进行了担载实验，马来酸噻吗洛尔在scCO2中的溶解度比氟比洛芬的低很多，故选择乙醇作为共溶剂增加担载量。实验操作条件为9～14 MPa，303K、313K、323 K，并在常温常压下进行了对比试验。通过药物释放量可得，用scCO2制备的氟比洛芬最大的担载量为14.7 mg/g，普通方法的最大担载量为7.4mg/g；而马来酸噻吗洛尔的最大担载量分别为84.9 mg/g和67.4 mg/g。分析实验结果发现，与普通浸渍法相比，SSI方法能够提高药物的担载量。Duarte等[12]进行了间歇性实验与半连续性实验的对比，由于溶质与溶剂的接触时间很短，因此半连续性的溶解度比间歇性的溶解度低很多，最后得到的药物的担载量也比间歇性的低很多，且药物复合材料的缓释时间可达三个月之久。

图7 样品的XRD图[14]

除制备担载型药物微粒以外，SSI技术还应用到聚合物基材的改良上。可降解聚合物的化学结构是不稳定的，这类聚合物可能过早降解而使缓释药物提前释放，进而带来安全问题。Temtem等[16]在20 MPa、313 K下成功地将HP-β-CDs担载到PMMA上，之后将布洛芬担载到制备好的膜上，发现布洛芬并没有忽然释放的现象，而且药物的释放是可控制的（见图8）。除使用聚合物基材外，近年来，还有一些学者使用无机介孔材料作为基材[17]。无机介孔材料化学稳定性及热稳定性好，孔道结构有序，孔径可控，与其他材料的相容性也很好，在制备担载型药物微粒上具有很重要的优势。

SSI方法制备的药物微囊中，药物一般能比较均匀地分布在聚合物基材或无机介孔材料内，药物释放比较容易实现控制，进而可以控制进药量，降低药物的毒副作用。同RESS方法一样，实验中一般加入共溶剂来增大药物在scCO2中的溶解度。一些研究者选用两个反应釜或不将药物与有机溶剂直接接触，这样可以解决溶剂、剩余药物与载体的分离问题，也可以免除溶剂污染。

2.3 SAS技术

SAS技术的原理是将要制成超细粉体的固体溶质溶于某一溶剂（通常为有机溶剂）形成溶液，选择一种超临界流体作为反溶剂。这种反溶剂一般不能溶解溶液中的溶质，但能与溶剂互溶，当反溶剂与溶液接触时，反溶剂迅速扩散至该溶液，使其体积迅速膨胀，溶质在溶剂中溶解度大大下降，在极短的时间内形成很大的过饱和度，促使溶质结晶析出[2]。SAS装置如图9所示。SAS方法制备的药物微粒如表4所示。

图8 药物的体外释放图（缓冲溶液pH=7.4）[16]

图9 SAS装置[21]

表4 SAS方法制备的药物微粒

Wang等[20]在305.5 K、8.27 MPa下用SAS技术成功地将16～20 nm的硅纳米粒子外表面包裹上聚丙烯树脂。增加聚合物与囊心物的比例，可以将较大的粒子包裹起来。Sanganwar等[21]开始未加赋形剂，直接用SAS技术处理了原始药物，制备的药物粒子结块很严重，释放速率也并未提高。加入赋形剂后，药物粒子均匀地分布在赋形剂粒子的表面，经过XRD、FTIR、DSC分析，药物的结晶度并未发生变化。赋形剂的种类、药物与赋形剂的比例等都是影响药物释放速率的因素。Lim等[22]通过改变药物与聚合物的比例得到了不同形态及结晶度的药物粒子。在湿度75%、温度303 K下放置样品7个月，可以发现：直接喷雾干燥得到的药物粒子出现再结晶的现象，而经过SAS过程的药物粒子还是呈现非晶态，而且不同比例的药物聚合物制备的粒子的释放速率也不同，但相比未处理的粒子都有提高。Park等[23]分别用喷雾干燥（spraydrying，SD）法及SAS过程微粉化头孢地尼，并进行了对比，发现处理后的粒子均变小，且呈现非晶态。SAS过程处理的样品的释放速率比其他的样品都快（见图10）。

图10 头孢地尼的释放曲线[23]

SAS技术是RESS过程上的改进，将SCF的溶剂作用改为反溶剂来使用。二者的共同特点是：操作过程在接近常温的条件下进行，影响因素相似。但RESS过程要求析出的超细粉体必须能溶于超临界流体中，对于难溶的药物其应用则受到限制。在这种情况下，SAS过程能弥补RESS过程的不足，因为它只需要选择一种能溶于scCO2的溶剂即可。这样，SAS技术可以处理一些难溶的大分子药物，但有机溶剂的使用会污染药物粒子，还需要使用scCO2萃取或其他方式进一步去除有机溶剂。

2.4 PGSS技术

PGSS技术是先将物质加热液化，接着将scCO2注入，溶入熔化的物质，然后喷洒进入收集室，形成微粒[24]。过程不要求物质能溶解在scCO2中，但scCO2必须溶解在熔化的物质中。它不需要溶剂，另外还可以通过在收集室中引入N2来调节颗粒尺寸。PGSS装置如图11所示。

图11 PGSS装置[24]

Vezzù等[25]用PGSS技术将蛋白质与聚乙二醇（PEG）制备成固体微粒，实验发现，在323 K＜Tmix＜333 K，323 K＜Tnozzle＜328 K范围内升温，粒子尺寸增大，而在13～14 MPa范围内升压，粒子尺寸减小，若使用二甲基亚砜作为有机溶剂，粒子尺寸也会减小。在室温下800 h内，聚乙二醇/核糖核酸酶可以释放完全，而相同条件下，未处理的核糖核酸酶只能释放50%。

PGSS技术是将超临界CO2溶解入物质的熔融液中，压缩气体在液体中的溶解度普遍较高，相比于RESS技术，PGSS中CO2的消耗量小很多；相比于SAS技术，PGSS过程完全不需要或可以少需要有机溶剂，而且PGSS同样具有操作压力低的优点，具有连续化生产的优势[3]。PGSS也有其不足之处，那就是对一些熔点较高以及热敏性和易分解的物质不太适合。

4 总结与展望

药物微粒和给药系统的现有制备技术存在工艺复杂、药物颗粒大、粒径不均匀、重现性差以及难以放大生产等缺点。从已经取得的研究成果看，超临界流体药物微粒化技术绿色无毒，生产条件温和、易控，可方便得到亚微米级、纳米级的均匀颗粒。药物的粒子尺寸、尺寸分布、担载量及释放速率都可以通过改变操作条件或药物自身性质来得到控制，该技术有望成为解决以上现存问题的有效手段，但距离产业化尚有待进一步完善，特别是相关基础研究应予以适当投入和加强。具体包括下述几项：（1）热力学基础数据和关联计算公式；（2）微粒化动力学描述，包括粒子形成机理研究；（3）与特定工艺配套的加工设备和附件研制，特别是喷嘴结构的加工制造技术；（4）过程的技术经济分析。只有将理论基础和应用实践有机结合，这项技术才可能成为真正的药物可控制备方法，并实现产业化。

[1]陈蓓怡，于文利，赵亚平.超临界抗溶剂技术在药物微粒化领域的研究进展[J].现代化工，2005，25（2）：17-20.

[2]Kawashima Y，York P.Drug delivery applications of supercritical fluid technology[J].Advanced Drug Delivery Reviews，2008，60：297-298.

[3]蒋思媛,赵亚平,于文利,等.超临界快速膨胀法制备植物甾醇超细微粒[J].精细化工,2004,21：129-132.

[4]Türk M.Manufacture of submicron drug particles with enhanced dissolution behaviour by rapid expansion processes [J].The Journal of Supercritical Fluids，2009，47：537-545.

[5]Su CS，Tang M，et al.Micronization of nabumetone using the rapid expansion of supercritical solution（RESS）process [J].The Journal of Supercritical Fluids，2009，50：69-76.

[6]Sonnda R，Hara Y,et al.Improvement of dissolution property of poorly water-soluble drug by supercritical freeze granulation[J].Chem Pharm Bull，2009，57：1 040-1 044.

[7]Wen Z，Liu B，Zheng Z，et al.Preparation of liposomes entrapping essential oil from Atractylodes macrocephala Koidz by modified RESS technique[J].Chemical Engineering Research and Design，2010，88：1 102-1 107.

[8]Hezave A Z,Aftab S,Esmaeilzadeh F.Micronization of ketoprofen by the rapid expansion of supercritical solution process[J].Journal of Aerosol Science，2010，41：821-833.

[9]银建中,张宪阵,徐琴琴,等.超临界流体沉积技术在纳米复合材料制备中的应用[J].化学进展,2009,21：606-614.

[10]Braga MEM，Pato MTV，Silva HSRC，et al.Supercriticalsolvent impregnation of ophthalmic drugs on chitosan derivatives[J].The Journal of Supercritical Fluids，2008，44：245-257.

[11]Yoganathan R，Mammucari R，Foster N R.Impregnation of Ibuprofen into Polycaprolactone using supercritical carbon dioxide[J].Journal of Physics：Conference Series，2010，215：012087.

[12]Bush JR，Akgerman A，Hall K R.Synthesis of controlled release device with supercritical CO2and co-solvent[J]. The Journal of Supercritical Fluids，2007，41：311-316.

[13]Duarte A R C，Simplicio A L，Vega-González A，et al. Supercritical fluid impregnation of a biocompatible polymer for ophthalmic drug delivery[J].The Journal of Supercritical Fluids，2007，42：373-377.

[14]Gong K，Rehman I，Darr J.Characterization and drug release investigation of amorphous drug-hydroxypropyl methylcellulose composites made via supercritical carbon dioxide assisted impregnation[J].Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis，2008，48：1 112-1 119.

[15]Smirnova I，Suttiruengwong S，ArltW.Feasibility study of hydrophilic and hydrophobic silica aerogels as drug delivery systems[J].Journal of Non-Crystalline Solids，2004，350：54-60.

[16]Temtem M，Pompeu D，Jaraquemada G，et al.Development of PMMA membranes functionalized with hydroxypropyl-β-cyclodextrins for controlled drug delivery using a supercritical CO2-assisted technology[J].International Journal of Pharmaceutics，2009，376：110-115.

[17]Belhadj-Ahmed F，Badens E，Llewellyn P，et al.Impregnation of vitamin E acetate on silicamesoporous phases using supercritical carbon dioxide[J].The Journal of Supercritical Fluids，2009，51：278-286.

[18]Young LM，Subban G H，Taek L K.Controlled drug release applications of the inclusion complex of peracetylated-β-cyclodextrin and water-soluble drugs formed in supercritical carbon dioxide[J].Journal of Physics and Chemistry of Solids，2010，71：630-633.

[19]Kikic I，Alessi P，Cortesi A，et al.An experimental study of supercritical adsorption equilibria of salicylic acid on activated carbon[J].Fluid Phase Equilibria,1996,117：304-311.

[20]Wang Y，Dave R，Pfeffer R.Polymer coating/encapsulation of nanoparticles using a supercritical anti-solvent process [J].The Journal of Supercritical Fluids，2004，28：85-99.

[21]Sanganwar G P，Sathigari S，Babu R J，et al.Simultaneous production and co-mixing ofmicroparticles of nevirapine with excipients by supercritical antisolventmethod for dissolution enhancement[J].European Journal of Pharmaceutical Sciences，2010，39：164-174.

[22]Lim R T Y，Ng W K，Tan R B H.Amorphization of pharmaceutical compound by co-precipitation using supercritical anti-solvent（SAS）process（Part I）[J].The Journal of Supercritical Fluids，2010，53：179-184.

[23]Park J，Park H J，Cho W，et al.Preparation and pharmaceutical characterization of amorphous cefdinir using spray-drying and SAS-process[J].International Journal of Pharmaceutics，2010，396：239-245.

[24]García-González C A，Sousa ARSd，ArgemíA，etal.Production of hybrid lipid-based particles loaded with inorganic nanoparticles and active compounds for prolonged topical release[J].International Journal of Pharmaceutics，2009，382：296-304.

[25]VezzùK，Borin D，Bertucco A，et al.Production of lipid microparticles containing bioactivemolecules functionalized with PEG[J].The Journal of Supercritical Fluids，2010，54（3）：328-334.

Preparing Drug M icro-particlesUsing Supercritical Fluid Technology

NiMin Xu Qinqin Wang Yaqiong Yin Jianzhong

Science and technology progress promoted the development of the drug preparation and the generation of new dosage forms，new formulation and new pharmaceutical technique.As for drug preparation applications，Supercritical fluid technology obtained remarkable achievements，especially in pharmaceutical micronization.This article reviews the research progress on application of supercritical fluid technology in the preparation of drugmicro-particles.Severalmethods including RESS（rapid expansion of supercritical solutions），SSI（supercritical solvent impregnation），SAS（supercritical anti-solvent）and PGSS（particles from gas saturated solutions）are discussed here and the experimental apparatus，preparation process and principle are emphasized. The advantages and disadvantages of these techniques are also discussed and the key problems of a thorough research and the application prospectare proposed.

Supercritical fluid；Drugmicro-particle；Solution；Impregnation；Anti-solvent；Saturated solution

2011-04-10）

*倪敏，女，1987年6月生，硕士研究生。大连市，116024。