基于数值模拟验证的中药原生药粉制备微丸成型规律研究

周 扬，邱庆欢，钟其新，曾 峰，洪燕龙

1.苏州卫生职业技术学院药学院，苏州检验医学生物技术重点实验室，江苏 苏州 215009

2.上海中医药大学，上海中医健康服务协同创新中心，上海 201203

3.广东省第二人民医院，广东 广州 510317

4.广州中医药大学 青蒿研究中心，广东 广州 510445

5.广州中医药大学深圳医院 老年病科，广东 深圳 518034

6.广州中医药大学第一附属医院/广州中医药大学第一临床医学院，广东 广州 510405

中药原生药粉是由中药材或中药饮片粉碎后所得的粉体，是中药制剂的一种重要使用形式[1]，芳香类中药原生药粉直接入药可避免主要活性成分的挥发，人参、西洋参等贵重药材可减少药物在提取过程中的损失，对于含有蛋白水解产物或主要活性成分不溶于水的动物药，直接制成制剂疗效更优。大部分丸剂可由部分中药原生药粉加入适宜辅料制成[2]。

微丸是药物粉末和辅料构成的直径小于2.5 mm 的圆球状实体，属于多剂量剂型，具有生物利用度高、肠道刺激小等优点[3]。中药制剂的原料药一般较易吸潮、流动性差，不利于后续制剂成型[4]，将其制成流动性好、物理性质较为稳定的微丸，可改善原料易吸湿和流动性差等问题。

目前中药微丸的研究主要集中在中药提取物微丸处方或工艺的优化研究[5-6]，对于中药原生药粉制备微丸的相关研究报道较少。挤出滚圆法是目前最常用的制备微丸方法之一，罗云等[7]进行了三七总皂苷微丸的成型性研究，发现挤出滚圆法制得微丸的成型性与原料物性存在相关性。Gao 等[8]采用中药提取物挤出滚圆考察软材物理性质与微丸成型性的关系，发现两者存在一定相关性。基于这些实验结果，本实验以分别来源于根、茎、叶、花、果实、种子6 类药用部位的8 种中药饮片（陈皮、枳壳、白芍、牡丹皮、木瓜、干姜、菊花、山药）制得的原生药粉作为模型药物，以微晶纤维素（microcrystalline cellulose，ΜCC）为载体，在30%载药量分别以4 种含水量进行挤出滚圆制备微丸，对微丸的外观形态进行分类，测定软材的物理性质参数，探寻软材物理性质与微丸形态之间的相关性，并与计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）结合，采用CFD 模拟验证微丸形态分类结果，为后续进行软材的物理改性和制备高载药量中药微丸奠定实验基础，也提供一种新的微丸处方前研究途径。

1 仪器与材料

1.1 仪器

E50/S250 型挤出滚圆机，重庆艾伯特机电有限公司；TA-XT Plus 型物性测试仪，英国Stable Μicro Systems 公司；BSA2245-CW 型电子分析天平，德国赛多利斯公司；GeminiSEΜ 500 型场发射扫描电子显微镜（SEΜ），德国Zeiss 公司。

1.2 试药

ΜCC SH-101（批号190702）、ΜCC SH-102B（批号190101）、ΜCC SH-CG1（批号190829），均为安徽山河药用辅料股份有限公司生产。陈皮（产地浙江）、枳壳（产地江西，批号190513）、白芍（产地安徽，批号190105）、牡丹皮（产地安徽，批号190621）、木瓜（产地四川，批号191216）、干姜（产地四川，批号190510）、菊花（产地浙江，批号190312）、山药（产地河北，批号190709），均为苏州市天灵中药饮片有限公司生产，经苏州卫生职业技术学院中药学教研室朱缨教授鉴定，陈皮为芸香科柑橘属植物橘Citrus reticulataBlanco 的干燥成熟果皮，枳壳为芸香科酸橙植物酸橙C.aurantiumL.的干燥未成熟果实，白芍为毛茛科芍药属植物芍药Paeonia lactifloraPall.的干燥根，牡丹皮为毛茛科芍药属植物牡丹P.suffruticosaAndr.的干燥根皮，木瓜为蔷薇科木瓜属植物贴梗海棠Chaenomeles speciosa(Sweet) Nakai 的干燥近成熟果实，干姜为姜科姜属植物姜Zingiber officinaleRosc.的干燥根茎，菊花为菊科菊属植物菊Chrysanthemum morifoliumRamat.的干燥头状花序，山药为薯蓣科薯蓣属植物薯蓣Dioscorea oppositaThunb.的干燥根茎。

1.3 软件

Uncrambler9.7 软件，挪威Camo 公司；SPSS21.0软件，美国IBΜ 公司；Weka3.7 软件，新西兰怀卡托大学；UGNX10.0 软件，德国西门子公司；ICEΜ CFD 软件，美国ANSYS 公司；Fluent 软件，美国ANSYS 公司。

2 方法与结果

2.1 微丸制备中挤出滚圆参数的确定

2.1.1 ΜCC 型号的确定 取3 种型号ΜCC 各称取30 g，固定挤出和滚圆速度分别为60 r/min 和1000 r/min，分别在水和辅料的比例0.7∶1、0.8∶1、0.9∶1、1.0∶1、1.1∶1 含水量下制得15 份空白软材，经挤出滚圆制得微丸，置于红外线快速干燥箱中，以40 ℃恒温烘干3 h 以上。通过比较所得微丸的成型情况确定合适的ΜCC。将各型号ΜCC 制得的微丸形态进行比较，结果见表1，与型号SH-101 和型号SH-CG1 在5 种含水量下制得的微丸形态相比，型号SH-102B 的ΜCC 在5 种含水量下制得的微丸细粉相对较少、不易黏壁，形态较为圆整。因此，选择型号SH-102B 的ΜCC 作为制备微丸的辅料。

表1 3 种型号MCC 在不同加水量下制得的微丸形态Table 1 Morphology of pellets prepared under different amount of water content using three types of MCC

2.1.2 挤出速度的确定 取6 份型号SH-102B 的ΜCC，每份30 g，在1.0∶1 含水量下制得6 份空白软材，分别以10、20、30、40、50、60 r/min 进行挤出，以1000 r/min 进行滚圆。因软材挤出形成的短圆柱状挤出物过短会导致滚圆过程中细粉过多，从而使微丸的得率下降，因此，对比各挤出速度下挤出所得短圆柱挤出物的长度，并结合最终得到的微丸得率情况，确定挤出速度。

微丸得率的计算方法如下：取40 ℃恒温烘干3 h 以上的微丸，称定其质量为m1，再将此微丸过筛，回收通过60 目筛且不过80 目筛的微丸，称定其质量为m2，则得率为m2/m1。

挤出机的挤出速度范围为0～72 r/min，软材在挤出过程中机器会产生热量，随着挤出速度的提高，挤出过程中软材的失水率也相应提高，从而使挤出物的物理性质发生一定变化，为避免机器产热过高对挤出过程产生影响从而影响挤出物的物理性质，因此，选择10、20、30、40、50、60 r/min 共6 种转速进行挤出速度的确定。图1为软材在不同挤出速度所得挤出物形态对比图，随着挤出速度的增加，得到的挤出物长度相应增加。结合表2数据，在60 r/min 所得挤出物在滚圆时得到的微丸得率较高，因此确定挤出速度为60 r/min。

表2 各挤出速度下制得的微丸得率Table 2 Pellets yield at different extrusion speeds

图1 各挤出速度下所得挤出物形态Fig.1 Morphology of extrudates at different extrusion speeds

2.1.3 滚圆速度的确定 取6 份型号SH-102B 的ΜCC，每份30 g，在1.0∶1 含水量下制得6 份空白软材，经60 r/min 的挤出速度挤出后，分别以1000、1100、1200、1300、1400、1500 r/min 的速度进行滚圆，由于滚圆机速度将直接影响微丸的圆整度，因此可比较滚圆后微丸的形态来确定适宜的滚圆速度。由于滚圆机的速度范围为0～2830 r/min，速度太低，得到的微丸圆整度较差，速度太高，机器发热严重，会导致滚圆过程中失水较多，因此，选择从1000～1500 r/min 进行滚圆速度的确定。图2为不同滚圆速度所得微丸形态比较图，当滚圆速度越慢时，微丸越不易成型，圆整度低，速度越快滚圆过程中产生的粉末越多，结合表3微丸得率情况，确定滚圆速度为1200 r/min。

表3 各滚圆速度下制得的微丸得率Table 3 Pellets yield at different spheronization speeds

2.1.4 微丸制备 将实验所用到的8 种中药饮片粉碎通过80 目筛，得到中药原生药粉备用。分别称取中药原生药粉和ΜCC，载药量30%，置于金属容器中充分搅拌混匀，每种中药原生药粉与ΜCC 混匀后加入4 个处方量的蒸馏水制得4 份含水量的软材，达到手握成团、触之即散的状态，置于挤出机和滚圆机中制备微丸。挤出机筛网孔径0.6 mm，先以60 r/min 的速度挤出得到挤出物，然后将挤出物以1200 r/min 的转速滚圆3 min 制得微丸，最后将制得的微丸置于红外线快速干燥箱中40 ℃恒温烘干3 h，即得最终成型的微丸。

2.1.5 微丸外观形态分类标准 随机选取烘干后的微丸50 粒，根据各形态微丸颗粒所占的比例可将其分为3 类，并在SEΜ 下进行观察，得到图3，形态1 为棒状、双球形或哑铃形颗粒，形态2 为较为规整的圆球形颗粒，形态3 为较为规整的大球形颗粒。若某一形态的微丸颗粒数超过25 粒，则将其划分为该形态。

图3 微丸形态分类图 (I) 和SEM 图 (II)Fig.3 Morphology classification (I) and SEM of pellets (II)

2.2 软材物理性质参数表征和微丸形态分类研究

2.2.1 软材物理性质参数表征 采用物性测试仪测定软材挤出物，即得软材的物理性质参数。采用物性测试仪测得的物理性质参数主要有硬度（hardness，Ha）、黏附性（adhesiveness，Ad）、弹性（springness，Sp）、内聚性（cohesiveness，Co）、咀嚼性（chewiness，Ch）和回复性（resilience，Re）。设定参数为测前速度2 mm/s，测试速度5 mm/s，测后速度5 mm/s，压缩百分比为40%，时间5.0 s，触发力为“自动5.0×g”（这个是仪器自带的参数，触发力自动为5.0×g）。将样品杯置于载物盘上，对压缩圆盘进行高度校正，使其感受到5.0×g力时返回到距样品杯80 mm 高度的地方。称取30 g 软材平行测定3 次，取测定结果的平均值。

8 种中药所得32 个处方软材物理性质参数和微丸形态数据见表4，当含水量不同时，软材物理性质参数和所得微丸的形态也有所差别。将软材物理性质参数原始数据采用SPSS 21.0 软件标准化处理后，求其平均值后做雷达图，见图4，可直观看到3种形态微丸的物理性质参数范围，形态1 的Ha、Ad、Co、Ch 值相对较大，Sp 值相对较小，形态3的Ha、Ad、Co、Ch 值相对较小，Sp 和Re 值相对较大，如果要获得形状较好的微丸，软材则应具有较为平均的物理性质参数，如形态2。

表4 32 个处方的软材物理性质参数和微丸形态数据 (n=3)Table 4 Physical property parameters of soft materials and pellet morphology data of 32 prescriptions (n=3)

续表4

图4 32 个处方的软材物理性质参数雷达图 (n=3)Fig.4 Radar chart of physical properties of 32 prescriptions(n=3)

2.2.2 主成分分析（principal component analysis，PCA）和相关性分析 采用Uncrambler 9.7 软件对各处方软材物理性质参数和微丸形态数据进行PCA，优选与主成分贡献较大的物理性质参数，结果见图5、6。主成分得分Z值表示主成分最终的权重结果，采用SPSS 21.0 软件将各处方软材物理性质参数数据与主成分得分Z值进行相关性分析，可得到表征软材物理性质的最优参数，结果见表5和图7。图5表明前2 种主成分可以将这32 个处方分成3 部分，分别为三角形、正方形和圆形所示，分别解释71%和16%的软材物理性质。λ是PCA 分析中的特征值，代表PCA 得分的方差，当λ值大于1时，可保留相应的主成分。表5结果表明，前2 个主成分对应的λ值占总λ值的86.90%，所对应的λ值分别为4.263 和0.952。因此，主成分1（PC1）比主成分2（PC2）更重要。在图6中，Ha、Ad、Co、Ch、Re 与Sp 所在的象限距离较远。如果综合考虑PC1 和PC2 的结果，Ha、Ad、Co、Ch 和Sp可能是更有价值的物理性质参数。由于Ch 是复合参数，Ha、Co、Ad 与Sp 距离较远，故分别用Ha×Co、Ha/Co、Ha/Sp、Ad/Co、Ad/Sp 和Co/Sp 作为新参数与主成分得分Z值进行线性相关分析，得到相关系数值，其中Ha×Co、Ha/Sp 和Ad/Co 的相关系数值较高，分别为0.994、0.963 和0.968，故可用Ha×Co、Ha/Sp 和Ad/Co 来表征软材的物理性质。因此，采用Ha×Co、Ha/Sp 和Ad/Co 分别对微丸形态进行分类，得到图7，采用这3 个参数分别得到的3 种微丸形态分类结果基本可以将3 种形态的微丸区分，但仍有少数类型出现重叠。

图5 PCA 得分图Fig.5 PCA score chart

图6 PCA 载荷图Fig.6 PCA loading chart

图7 基于相关性分析的微丸分类结果Fig.7 Classification result of pellets based on correlation analysis

表5 PCA 结果Table 5 PCA result

2.2.3 微丸成型性预测分析 为了提高微丸形态分类结果的准确性，采用Weka 3.7 软件以微丸形态为分类标准对软材物理性质进行随机森林（Random Forest）分析，筛选软材物理性质参数，进行微丸成型规律预测研究。

以软材的物理性质参数数据作为输入变量，以表4中的微丸形态分类数据作为输出变量，采用随机森林进行分析，得到微丸成型性预测结果，见图8。以Ad/Co 为1 级分类指标，Ha/Sp 为2 级分类指标，Ha×Co 为3 级分类指标，Ad 为4 级分类指标，含水量为5 级分类指标，可将微丸分为3 类，所得的方法分类正确率为96.87%，其中有1 个处方分类不正确。当挤出物的Ad/Co 值＜-47.96 时，得到的微丸为形态3；当Ad/Co 值≥-47.96 时，以Ha/Sp 为2 级分类指标，当Ha/Sp 值≥33 638.14 时，得到的微丸为形态1；当Ha/Sp 值＜33 638.14 时，以Ha×Co 为3 级分类指标，当Ha×Co 值＜4 521.92 时，得到的微丸为形态2；当Ha×Co 值≥4 521.92 时，以Ad 为4 级分类指标，当Ad 值＜-10.29 时，得到的微丸为形态1；当Ad 值≥-10.29 时，以含水量为5 级分类指标，当含水量≥90%时，得到的微丸为形态2，当含水量＜90%时，得到的微丸为形态1。

图8 基于随机森林的微丸成型性预测结果Fig.8 Prediction result of pellets forming based on random forest

2.3 CFD 数值模拟验证实验[9]

随着计算机计算能力的大大提高，数值分析已逐步成为与实验同等重要的研究手段[10]，本实验采用CFD 数值分析方法，在“2.2.3”项实验参数的基础上，对微丸的成型性结果进行仿真分析，将数值分析结果与实验结果进行对比验证，从计算精度的角度验证了采用数值分析方法研究微丸成型性预测结果的可行性，为后续深入采用数值分析研究微丸的成型规律提供可行性基础。

根据本实验所选的滚圆装置的实际尺寸，采用三维作图软件建立装置的三维模型并进行网格的划分，采用六面体结构化网格对计算域进行划分，网格大小满足网格无关性要求，采用ANSYS 对问题进行数值分析求解，简化挤出滚圆步骤，基于EDEΜ离散元和ANSYS 耦合求解，采用组分输运模型考虑不同成分的成粒原材料，采用ΜESH ΜOTION 考虑底盘转动，SIΜPLE 迭代进行计算并得到收敛结果。图9为滚圆装置三维模型的网格分布规律图，网格质量合格，网格单元数为83.8 万，从精度和计算速度的角度可满足计算要求。

图9 滚圆装置网格分布规律Fig.9 Grid distribution law in the spheronization device

根据表4中药枳壳在0.7∶1、0.8∶1、0.9∶1 和1.0∶1 含水量下的物理性质参数数值，选取Ad、Ad/Co、Ha/Sp、Ha×Co 和含水量这5 种参数，进行CFD 模拟实验验证，枳壳的参数数据在CFD 模拟时进行简化，采用组分输入模型，Ad 为组分1（占10%），Ad/Co 为组分2（占50%），Ha/Sp 为组分3（占20%），Ha×Co 为组分4（占10%），含水量为组分5（占10%），通过设置这5 种组分的比例来进行数值模拟，这5 种组分的数值见表6。图10为滚圆装置中的气流速度图，气体围绕装置进行圆周螺旋运动，在装置底部气流速度较快。图11、12为枳壳在4 种含水量下滚圆时得到的微丸颗粒运行轨迹，可以看到3 种形态微丸颗粒在滚圆装置底部的运行轨迹有一定区别。按照第1、2 组的组分数值，得到的微丸形态见图13中浅绿色、深绿色和蓝色颗粒，按照第3 组的组分数值，得到的微丸形态见图13中橘色和黄色颗粒，按照第4 组的组分数值，得到的微丸形态见图13中红色颗粒，该模拟验证结果与图8中微丸成型性预测结果相一致，表明采用CFD 模拟验证实验对微丸进行成型预测具有一定的可行性。

表6 CFD 模拟实验5 种组分数值Table 6 Numerical value of five components in CFD simulation experiment

图10 滚圆装置中气流速度图Fig.10 Air velocity chart in the spheronization device

图11 滚圆装置中微丸颗粒运行轨迹Fig.11 Trajectory of pellets in spheronization device

图12 3 种形态微丸在滚圆装置中运行轨迹Fig.12 Trajectory of three kinds of pellets in spheronization device

图13 微丸形态分类CFD 模拟图Fig.13 CFD simulation chart of pellet morphology classification

3 讨论

本实验探讨8 种中药原生药粉制得的软材物理性质与微丸成型性的关系，挤出滚圆过程中设置挤出机速度60 r/min、滚圆机速度1200 r/min，在30%载药量和4 种加水量下制得32 个处方的挤出物和微丸，测定软材物理性质和微丸形态并进行数据分析后得到微丸形态分类结果，采用CFD 进行模拟验证，为该微丸形态分类结果是否准确提供了实验依据，为提高所得微丸的质量提供了有用的信息。但由于本次实验的数据量较少，无法反映全部中药的物理性质，在后续研究中会加大样本量，基于中药的药用部位来源，对微丸的成型规律进行更深入的研究。

本实验采用中药原生药粉制得的软材进行物理性质的测定，对微丸的形态进行分类预测，随机森林分析中仍有1 个处方未正确分类，这可能与软材的物理性质以及中药本身具有的纤维性、黏性较强等性质有关[11]。在挤出滚圆时，Ha 越大，软材越不容易发生形变；Ad 越大，挤出时越顺畅，若该值过大，得到的软材则易聚集，从而影响滚圆过程；而Sp 越大，就越易产生形变；Co 越大，聚合能力越强，也会影响软材表面的光滑程度。若软材容易聚集，说明软材含水量较多，在滚圆时则会得到大量大球。有的中药如菊花、干姜都为纤维性极强的中药，虽然有ΜCC 作为载体，但在一定的含水量时，挤出仍较为困难，而且挤出时发热严重，得到的软材也会大量失水，在滚圆时会得到较多棒状、双球形或哑铃型的微丸，若加大含水量，挤出时得到的软材较湿，还会挤出少量水，滚圆时会得到大量大球。而对于陈皮、枳壳等含挥发油较多的果实类中药，其纤维较少，在一定含水量时挤出就会相对容易，从而得到的软材状态佳，滚圆后也会得到大量圆球状微丸。中药因药用部位不同，粉体一般会表现出明显的粉性、纤维性、黏性等物理特性[12-14]，这些性质会对软材的物理性质产生很大的影响，从而会对微丸成型性产生一定影响，因此本实验选取分别来自根、茎、叶、花、果实、种子6 种药用部位的8 种中药饮片进行微丸成型性研究，这8 种中药为常用中药，具有很好的代表性，将其制成微丸具有可行性，也为中药微丸制剂的开发和研究奠定了基础。

CFD 是近代流体力学、数值数学和计算机科学相结合的一门科学，近年来已在医药领域中取得了显著进步[15-17]。采用CFD 技术与医药实验研究相结合，对医药研究的发展有重要意义。本实验的CFD模拟过程对相应参数进行了简化，因此，最终的模拟验证结果可能存在一定的误差，模拟验证结果与实验结果相一致，采用该方法进行微丸的形态分类研究具有一定的可行性。在后续会对模拟结果进一步实验验证，以便于后续能运用CFD 方法指导中药微丸的制备和工艺优化。

本实验制备微丸选用的载药量为30%，在一定含水量下能制得形态较好的微丸。目前的研究还不能减少给药总量，但是微丸作为丸剂的现代新剂型，与传统的水丸、浓缩丸等相比，它可以根据需求制成缓、控释、速效微丸或制剂中间体，而且可改善中药原生药粉的吸湿性等，具有广阔的市场前景。

本研究采用物性测定仪进行软材的物理性质表征，物性测定仪是一种具有多功能的可对制剂中间体进行物理性质评价的仪器[18-19]，目前已广泛用于食品和医药行业。郑亚平等[20]采用物性测定仪直观评价中药提取物软材物理特性，王玲等[21]采用物性测试仪表征挤出搓圆塑制法制备中药蜜丸中间体丸条的的硬度等物理特性参数。采用物性测试仪测得的物理性质参数Ha 是固体材料抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力，Ad 是不同分子间产生的引力，Sp 是固体材料受到外力作用形态发生变化后恢复原来状态的性质，Co 是同种分子间产生的引力，Ch 是Ha、Sp 和Co 的乘积，属于复合参数，Re 是固体材料在受到的作用力逐渐减小时的回复能力，这些参数对挤出滚圆制备适宜的微丸起着至关重要的作用。在进行实验研究过程中，尚有一些不够完善的部分，在后续的中药微丸研究过程中，会进一步优化和改进实验方法，紧跟现代科学的步伐，引领中药的发展。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突