Plackett-Burman联用Box-Behnken响应面法优化凝胶膏剂基质研究

宋立华， 杜茂波， 刘淑芝， 葛克亚， 沈 硕

（中国中医科学院中药研究所，北京100700）

Plackett-Burman联用Box-Behnken响应面法优化凝胶膏剂基质研究

宋立华， 杜茂波， 刘淑芝*， 葛克亚， 沈 硕

（中国中医科学院中药研究所，北京100700）

目的 通过Plackett-Burman联用Box-Behnken响应面法优化凝胶膏剂的基质处方。方法 以凝胶膏剂的初黏力和拉力为综合得分为评价指标，采用Plackett-Burman设计对凝胶膏剂制备工艺影响因素，用Box-Behnken响应面法对主要因素进行优化，并且进行多元线性回归与二项式方程拟合，预测最佳工艺。结果 聚丙烯酸钠、聚乙烯醇、明胶对凝胶膏剂的性能影响显著，二项式方程复相关系数r为0.971 2，最佳配比为聚丙烯酸钠为5.25 g，聚乙烯醇为6.31 g，明胶为6.23 g。结论 两法可预测凝胶膏剂基质的性能，且工艺上可行。

凝胶膏剂；Plackett-Burman；Box-Behnken；响应面优化；聚丙烯酸钠NP-700；聚乙烯醇；明胶

凝胶膏剂是由水溶性高分子材料或亲水性物质为基质与中药提取物或药物粉末制成的外用贴膏剂，具有载药量大，对皮肤有生物相容性、亲和性、透气性、耐汗性好、生物利用度高、给药恒定、对皮肤的追随行好等优点［1-4］。除了治疗风湿类风湿以化血化瘀、消肿止痛的凝胶膏剂较多外，近些年来在治疗心血管疾病、癌症、肝病、支气管病等的专病专治凝胶膏剂也越来越多，成为研究热门的经皮给药新剂型［5-6］。制备凝胶膏剂其处方组成是影响其质量的重要因素［7-8］，原料包括了黏性剂、保湿剂、交联剂、交联调节剂等多种材料，各原料对基质的性能贡献不同［9-10］，本实验采用Plackett-Burman实验设计选择对基质性质影响的主要因素，在此基础上，结合Box-Behnken响应面法对主要因素的用量进行优化。

1 实验仪器与材料

Z92-BD多功能搅拌器 （天津利华仪器厂）；BSA224S CW型电子分析天平 （德国赛多利斯公司）；凝胶膏剂材料均为药用或食用级；甘油 （保定市金钟制药有限公司）；纯净水。

2 方法与结果

2.1 基质的制备 称取处方量卡波姆、聚乙烯醇（PVA）分别加入适量甘油、水，放置使其充分溶胀，加入处方量明胶至溶解；称取处方量聚丙烯酸钠NP-700及其他填充剂依次加入适量甘油分散，甘羟铝、柠檬酸加入适量水溶解，按顺序混合均匀即得空白基质。

2.2 考察指标 根据 《中国药典》2010年版凝胶膏剂主要考察初黏力，并参考本实验室以往实验及相关文献，确定以初黏力和拉力的综合得分为考察指标［11］。

2.2.1 初黏力 采用滚球法实验装置，取供试品3片5 cm×5 cm凝胶膏剂，在室温下除去保护层，将滚球从倾角30度的斜面上滚下，记录能黏住滚球的质量，重复测量3次，取平均值。以测得最大值为70分，其余的与之相比（测得值/最大值）× 70计算得分。

2.2.2 拉力 取3块2.5 cm×10 cm凝胶膏剂，贴在不锈钢板上，用2 kg橡胶滚轮均匀压紧3次，放置20 min后，采用拉力机进行试验，记录结果，重复3次，取平均值。以测得最大值为30分，其余与之相比 （测得值/最大值） ×30计算得分。

2.3 Plackett-Burman实验方法 本实验旨在筛选出对凝胶膏剂制备工艺影响的因素，为下一步的响应面分析提供指导。

2.3.1 实验因素及水平的规定 选用Plackett-Burman设计对凝胶膏剂制备工艺影响因素的重要性考察，包括卡波姆、PVA、明胶、NP-700、柠檬酸和甘羟铝6个因素做12次试验，根据前期实验基础［12］及预试验，每个因素取高 （+1）、低 （-1）两种水平，具体实验因素及水平见表1。

表1 Plackett-Burman实验设计Tab.1 Plackett-Burman design

2.3.2 Plackett-Burman实验结果及分析 6个因素12个实验，按照Plackett-Burman设计表进行试验，按“2.2”项进行考察，综合得分。Plackett-Burman实验设计及响应值如表2。

用Design-Expert8.0.6软件设计实验并进行数据处理，从表3中可以看出，该模型回归显著，模型r2=0.949 4，说明回归拟合程度较好，PVA、明胶、NP-700具有显著性，其中PVA的P值小于0.01，极具显著性，其影响凝胶膏剂性能的的显著性排列为PVA＞明胶＞NP-700＞甘羟铝＞卡波姆＞柠檬酸，因此选择PVA、明胶、NP-700这3个因素作为主要因素作进一步响应面分析，以确定这些水平的最优水平。

表2 Plackett-Burman实验结果Tab.2 Experim ental results of Plackett-Bu rman

表3 Plackett-Burman方差分析Tab.3 Variance analysis of Plackett-Burman

2.4 Box-Behnken响应面优化实验 通过Plackett-Burman实验设计确定凝胶膏剂制备工艺的主要因素为NP-700、PVA、明胶，根据预试验结果与最高和最低水平制备基质的可行性，将上述因素设置若干水平，采用单因素考察凝胶膏剂性能的影响，确定各个因素的最高最低水平，为响应面优化的水平提供参考，其结果得出上述因素水平范围为：NP-700为4.3～6.5 g，PVA为4.6～6.8 g，明胶为5.9～10.3 g。

2.4.1 Box-Behnken设计实验 在上述实验结果的基础上，以NP-700、PVA、明胶为因素，以初黏力和拉力综合得分进行Box-Behnken响应面法优化实验，并对实验结果进行拟合分析，具体Box-Behnken设计实验以素水平及结果见表4、5。

表4 Box-Behnken设计实验因素水平Tab.4 Factors and levels of Box-Behnken

表5 Box-Behnken设计实验设计方案与实验结果Tab.5 Experimental results of Box-Behnken

2.4.2 模型的建立及显著性检验

2.4.2.1 模型拟合 根据实验结果，应用Design-Expert 8.0.6软件，以评价指标分别对各因素进行二项式拟合，表5所示为不同制备工艺效应值的相应变化。表6为本实验的方差分析结果，经F检验显示总模型方程显著 （P=0.000 7），r2=0.952 9，r=0.971 2，表明该回归模型的拟合情况良好，回归方程的代表性较好，能准确地预测实际情况。由上表可知B、C、A2、B2、C2有显著性差异，利用Design-Expert 8.0.6软件进行多元回归拟合，得二次多项回归模型：Y=-675.371 79+75.609 17A+ 111.439 44B+14.069 94C-25 111AB+2.236 67AC-0.717 78BC-5.724 11A26.40967B2-2.875 22C2。式中Y为响应值，A，B，C分别为NP-700、PVA、明胶。该方程相关系数r2=0.952 9。由表6可知，整体模型达到显著水平 （P=0.005 4，P＜0.05），表示该二次方程模型比较显著，失拟值没有显著性，该方程对实验拟合较好。

2.4.2.2 响应面优化与预测 根据分析结果 （见表5），分别将NP-700、PVA、明胶固定为5.4 g，5.7 g，8.1 g，绘制另外两个变量对凝胶膏剂性质的响应面图，考察NP-700、PVA、明胶及其交互作用，对凝胶膏剂性质的影响。图1显示NP-700和PVA的用量增加基质性能随之增加，最优点趋近于NP-700用量为5.25 g和PVA的用量为6.31 g，并在这点附近达到最大，再增大用量基质性能下降。图2显示随着NP-700和明胶的用量增加基质性能随之增加，最优点趋近于NP-700用量为5.25 g和明胶的用量为6.23 g，并在这点附近达到最大。图3显示随着PVA和明胶的用量增加基质性能随之增加，最优点趋近于PVA用量为6.31 g和明胶的用量为6.23 g，并在这点附近达到最大。此外，每个响应面都具有其较优区域，在此区域内凝胶膏剂的性能呈增高趋势，可达到最优。

表6 二次回归方差分析Tab.6 Variance analysis of quadratic regression

图1 NP-700和PVA对凝胶膏剂性能影响的响应面图和等高线图Fig.1 Response surfacemap and contour p lots of multip le effects of NP-700 and PVA on catap lasm ability

根据以上分析，使用Design-Expert8.0.6软件进行处方优化，得出最优处方为：NP-700为5.25 g，PVA为6.31 g，明胶为 6.23 g，预测值为91.65。

2.4.2.3 验证试验 为了确定建立模型预实验结果是否相符，通过进一步试验对模型的可行性进行验证。按照最优处方制备3批凝胶膏剂，测定初黏力与拉力，并计算总分，平均得分为90.45，与预测值相差不大，其3批RSD为0.87%，说明模型是比较可靠的，用效应面法需求凝胶膏剂制备最佳处方是可行的。

3 讨论

凝胶膏剂的基质辅料较多，成分复杂，本实验采用Plackett-Burman试验设计的方法，可以用较少的实验达到分析各因素主效应的效果，快速的从众多影响因素中筛选显著影响因素［13］，即NP-

700、明胶、PVA，NP-700、明胶既为黏性剂也可作为骨架材料，PVA作为增黏剂，使凝胶膏剂保持良好的黏弹性。

图2 NP-700和明胶对凝胶膏剂性能影响的响应面和等高线Fig.2 Response surfacemap and contour p lots ofm ultip le effects of NP-700 and gelatin on catap lasm ability

图3 PVA和明胶对凝胶膏剂性能影响的响应面和等高线Fig.3 Response surfacem ap and contour p lots of multip le effects of PVA and gelatin on catap lasm ability

确定影响凝胶膏剂的主要影响因素，运用Box-Behnken效应面优化实验方法优化凝胶膏剂的处方，Box-Behnken实验可以在因素与响应值之间建立数学模型，通过数学模型的处理得出多变量之间的相互关系与影响因素［14］，从而获得最佳工艺条件为NP-700为5.25 g，PVA为6.31 g，明胶为6.23 g，按此比例制得的凝胶膏剂加入中药提取物，黏性无明显变化，膏体均匀细腻，柔软性好，贴敷舒适，能够满足临床使用要求。

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Optim ization of thematrix formulation for catap lasm by Plackett-Burman combined w ith Box-Behnken response surfacemethodology

SONG Li-hua， DU Mao-bo， LIU Shu-zhi*， GE Ke-ya， SHUO Shen

（Institute of ChineseMedicine，China Academy of ChineseMedical Science，Beijing 1OO7OO，China）

AIM To optimize thematrix formulation for cataplasm by Plackett-Burman combined with Box-Be-

cataplasm；Plackett-Burman；Box-Behnken；response surfacemethodology；NP-700；polyvinyl alcohol（PVA）；gelatin

R944

A

1001-1528（2015）12-2623-05

10.3969/j.issn.1001-1528.2015.12.011

2015-04-20

国家 “重大新药创制”科技重大专项 （2014ZX09301306-009）

宋立华（1987—），男，硕士生，研究方向为中药制剂。Tel：13581800341，E-mail：songlihua4835@163.com

*通信作者：刘淑芝，女，博士生导师，研究方向为中药新剂型及新技术。Tel：01084043227，E-mail：liushuzhi2004@sina.com

hnken response surfacemethodology.METHODS Plackett-Burman design was used to figure out themajor influential factors in the process with a comprehensive scoring on indices of initial adhesion and tensile strength.With Box-Behnken response surfacemethod in optimizing themain factors，the results from themultiple linear regression and the two term equation fitting were applied to forecasting the optimum process.RESULTS With multiple correlation coefficient r of binomial equation being 0.9712，the suitable ratio for keymaterials of NP-700，PVA and gelatin was determined to be 5.25（g）∶6.31（g）∶6.23（g）.CONCLUSION The experimental results demonstrate that the combined method is predictable of a fine and feasible preparation process.