亲水性小分子药物缓释微球制备方法的研究进展

亲水性小分子药物缓释微球制备方法的研究进展
李静涵，魏振平（天津大学化工学院，天津300072）
【摘要】摘要：缓释微球可以延长药物的作用时间，从而能够解决亲水性小分子药物由于半衰期较短需要长期频繁给药的问题。

本文综述了亲水性小分子药物缓释微球制备方法的研究现状和发展方向，分别从使用非水溶性载体材料和水溶性载体材料两个方面介绍了亲水性小分子微球制备方法的优缺点。

使用非水溶性载体材料方面，重点阐述了乳化溶剂挥发法和相分离法；使用水溶性载体材料方面，重点阐述了乳化交联法和喷雾干燥法。

并着重分析了层层自组装法以及结合磁性粒子的溶剂挥发法的技术原理和制备过程。

最后指出亲水性小分子药物缓释微球的制备方法将朝着操作简单、安全有效和智能靶向的方向发展。

【期刊名称】化工进展
【年(卷),期】2016(000)001
【总页数】6
【关键词】药物；制备；载体；缓释微球；亲水性小分子；智能靶向
第一作者：李静涵（1990—），女，硕士研究生。

联系人：魏振平，副教授。

E-mail zpwei2000@。

微球（microspheres，MS）是一种将药物分子包裹于高分子聚合物中以实现药物长时间平稳释放的缓释药物传递系统[1]，具有控制药物释放、提高药物稳定性、掩盖药物不良味道、使药物浓集于靶器官等特点[2]，是近年来医药工业和生物化工领域的研究热点。

目前包封于微球中的药物多为大分子亲水性药物或小分子疏水性药物，制备出的微球形态圆整，包封良好，能够达到缓释的目
的。

不同于大分子亲水性和小分子疏水性药物微球，将亲水性小分子药物制备成微球存在两方面的挑战：一方面是包封率低，由于微球表面和内部会存在细小的孔隙或通道，因此在制备过程中小分子物质极易穿过通道逃出[3]；另一方面是突释，分子量过小的药物在释放过程中经常出现初期大剂量释放的现象[4]。

事实上，大部分的临床用药是小分子化合物，而相对分子质量小于500的分子大都是水溶性的[5]，因此制备亲水性小分子药物的缓释微球是一项具有意义的工作。

经过近二十年的发展，目前亲水性小分子药物微球制备过程中的问题逐步被解决，其生产技术在制药领域的应用也日渐广泛并展现出良好的势头。

本文综述了现有的一些亲水性小分子药物缓释微球的制备方法，分析了各方法的优缺点及改进措施，为完善制备方法提供了思路，并提出亲水性小分子药物微球制备将朝着操作简单、安全有效和智能靶向的方向发展。

1 传统亲水性小分子药物缓释微球的制备方法
微球的制备方法有很多种，这些方法各有特点，它们大多是从乳化溶剂挥发法（emulsion solvent evaporation method）、相分离法（phase separation method，PS）和喷雾干燥法（spray drying method）3种方法上改进得来[6]。

载体材料是影响微球性质的重要因素，制备微球所用的载体材料多为高分子化合物，按其溶解性可分为非水溶性高分子和水溶性高分子。

亲水性小分子物质微球的制备常根据载体材料的溶解性不同而选择不同的制备方法。

1.1 非水溶性高分子载体材料包裹亲水性小分子药物的技术
常见的非水溶性高分子载体材料有乙基纤维素（ethyl cellulose，EC）、丙烯酸树脂（Eudragit）、聚乳酸（poly lactic acid，PLA）和聚乳酸-羟基乙酸共聚物[poly(lactic-co-glycolic acid)，PLGA]等。

EC的化学稳定性高，适用于多
种药物的包封，但是遇强酸易水解，故不适用于强酸性药物。

Eudragit包括甲基丙烯酸共聚物和甲丙烯酸共聚物，在水中不溶但能溶胀。

PLA是生物可降解性高分子材料，不溶于水而溶于二氯甲烷、氯仿、乙酸乙酯等有机溶剂。

PLGA 是无毒的生物降解型聚合物，由乳酸（lactic acid）及羟基乙酸（glycolic acid）聚合而成。

PLGA在人体内无积聚问题，被降解为乳酸和羟基乙酸，后者经过三羧酸循环最终被完全降解为CO2和H2O。

采用EC和Eudragit为载体材料所得微球的药物释放时间普遍较短，约为数小时至1天。

而采用合成高分子PLA和PLGA为载体材料所得微球的释放时间较长，一般为数周至数月。

使用非水溶性高分子材料制备亲水性小分子药物微球的方法主要是乳化溶剂挥发法和相分离法，而乳化溶剂挥发法根据其成乳系统不同又可分为单乳溶剂挥发法和复乳溶剂挥发法，见表1。

1.1.1 单乳溶剂挥发法
单乳溶剂挥发法包括水包油（O/W）型和油包油（O/O）型等。

O/W型乳化溶剂挥发法是将药物和聚合物载体材料都溶于二氯甲烷、氯仿等有机溶剂中，加入到含有乳化剂的水相中乳化形成O/W型乳剂，再在常压、减压或加压条件下除去有机溶剂，聚合物与药物沉积形成微球的过程[20]。

这种方法制备微球存在的一个主要问题是水溶性药物的包封率低，这是由于溶剂挥发过程中药物逐渐扩散进入水相所致[21]。

所以O/W型乳化溶剂挥发法不经常应用于亲水性药物微球的制备，
相比于O/W法，O/O型乳化溶剂挥发法制备微球不存在包封率低的问题。

BHASKAR等[7]运用O/O法将盐酸异丙嗪（promethazine hydrochloride）包裹于丙烯酸树脂中来掩盖药物的不良口味，采用丙酮为内油相，按1∶1的比
例将溶解有药物和聚合物的内油相加入到含有span80的液体石蜡和石油醚混合物中乳化，所得微球的包封率能达到86%。

但是采用O/O型乳化溶剂挥发法制备微球时常需适当加热才能除去溶剂，干燥时间一般也较长，并且固化后的微球由于外表面沾有油必须用如环己烷等有机溶剂洗涤干净。

另外，O/O法的缺陷还在于部分微球有聚集现象，微球表面会出现裂隙等不规则形状[22]。

1.1.2 复乳溶剂挥发法
复乳溶剂挥发法又称为液中干燥法，是在单乳法的基础上改进得到的方法，其中具有代表性的是水包油包水（W/O/W）乳化法。

该法操作简单、控制工艺参数方便、无需调节pH值和大幅变温[23]，常被用来制备亲水性药物微球。

研究表明：虽然W/O/W乳化法包裹亲水性药物能够获得高包封率，但是W/O/W乳化法包裹亲水性小分子药物大多存在包封率低的问题[8-9]。

因为药物分子过小，很容易通过聚合物载体的缝隙孔道“逃逸”至外水相。

对于解离性药物，如可乐定（clonidine）和伊马替尼（imatinib），调节水相的pH值，降低药物的解离度，可减少药物向外水相中扩散，提高包封率[11-13]。

以药物饱和水溶液作为水相制备微球，也可减少油相中药物向外水相中扩散[14]，这种方法适用于所有药物，但是浪费药物现象严重。

另外，内外水相间的渗透压也会影响微球的大小、形状和包封率，在外水相中加入一定浓度的电解质盐类来减小内外水相间的渗透压同样可以减少药物向外水相的“逃逸量”[15]。

近年来生物可降解嵌段共聚物发展迅速。

PLGA具有疏水性，在制备小分子亲水性药物微球时不利于药物的包封，但是其疏水性可以通过减小乳酸/羟基乙酸的比率或链接亲水性物质聚乙二醇（PEG）来进行改进，PLGA亲水性越强，包封率就越高。

CHAISRI等[17]采用PEG修饰的PLGA （PLHMGA）与未被
PEG修饰的PLGA混合作为载体材料包封硫酸庆大霉素（gentamicin sulphate），调节二者比例可使包封率从17%增加至68%。

解决包封率低的问题，增加内水相的黏度阻拦药物逃出是一种简单却安全有效的方法[16]。

作者所在实验室将原位凝胶的形成机理用在了复乳化法制备盐酸利多卡因（lidocaine hydrochloride）PLGA缓释微球的研究中，在内水相加入适量的pH敏感材料壳聚糖（chitosan）和温敏材料泊洛沙姆（poloxamer）后，通过调节外水相的温度和pH值使原位凝胶由液态转变为凝胶状态可以使盐酸利多卡因的包封率从6%上升至20%，无明显突释现象且至少稳定释放两周。

在内水相中加入各种高聚物相当于用复合材料制备微球，既可以增加微球的包封率，还能延长药物的释放，是一种方便有效可行的方法。

1.1.3 相分离法
相分离法又称溶剂-非溶剂法，是在药物与载体聚合物混合物（乳状或混悬状）中加入另一种无机盐或非溶剂物质用以降低药物和聚合物的溶解度，使聚合物从溶液中凝聚出来而沉淀在药物的表面形成保护层，保护层固化后完成得到微球[24]。

SAMPATH等[18]采用相分离法制备硫酸庆大霉素微球，药物悬浮于溶解有PLA的二氯甲烷溶液中，PLA不溶于正己烷，所以向溶液中加入过量的正己烷使PLA析出凝聚在药物周围形成微球，得到微球的包封率大于95%，释放时间随载药量的改变而变化。

SETTERSTROM等[19]同样采用相分离法将氨苄西林包封于PLGA中，得到的微球突释为35%，能稳定释放两周。

相分离法制备的小分子亲水性药物微球包封率往往能够达到90%以上，且释药效果良好，此种方法也不受温度影响，可满足低温操作要求，适合用于包裹温度敏感型药物。

但是此法在制备过程中需要使用多种有机溶剂，安全性还有待
考察。

1.2 水溶性高分子载体材料包裹亲水性小分子药物的技术
常见的水溶性高分子载体材料有壳聚糖、明胶（gelatin）、海藻酸（alginate）及其盐类等。

壳聚糖在酸性条件下为一种线性高分子电解质，溶液具有一定的黏度，因其含有游离氨基，故可称为带正电荷的聚离子。

壳聚糖有良好生物相容性，呈球形，在体内可被溶菌酶等酶解成低聚糖。

明胶是氨基酸与肽交联形成的直链聚合物，为两性化合物，可生物降解，几乎无抗原性。

明胶在酸性溶液中以阳离子存在而带正电荷，在碱性溶液中以阴离子存在而带负电荷，在等电点时的黏度、渗透压、表面活性、溶解度、透明度、膨胀度等均为最小。

海藻酸是从海藻中得到的多聚物，由D-甘露糖醛酸和葡萄糖醛酸组成，常用的盐类为海藻酸钠。

海藻酸钠是一种亲水胶体，为棕色或黄白色粉末，溶于水后形成黏稠性凝胶。

使用水溶性高分子载体材料制备亲水性小分子药物微球多应用乳化交联法（emulsion crosslinking method）和喷雾干燥法，见表2。

1.2.1 乳化交联法
乳化交联法（emulsification crosslinking）是将药物溶解或分散在高分子载体溶液中，将此溶液加入到含有表面活性剂的油相，经搅拌或超声处理得到O/W型乳剂，用戊二醛或甲醛进行化学交联，收集纯化后可制得微球的方法[33]。

已有研究表明采用乳化交联法制备亲水性小分子药物的壳聚糖微球形态良好，包封率较高，但突释现象严重[25-26]。

而明胶微球的缓释效果较好，可以持续释放药物一个月左右，但是明胶微球的包封率较低[27]，所以将壳聚糖和明胶联合应用能够相互弥补，获得更好的效果。

在ILIGER等[28]的研究中对比了单独使用明胶包封盐酸维拉帕米（verapamil hydrochloride）微球和壳
聚糖与明胶联用制得微球的包封情况，结果显示前者的包封率为40%，而后者为64%。

另外，具有聚阳离子特性的壳聚糖与具有聚阴离子特性的海藻酸钠通过静电相互作用可以在微球表面形成一层聚电解质半透膜，半透膜能够提高微球的稳定性和载药量，并调节药物释放速度[34]。

在ZHANG等[29]制备盐酸维拉帕米微球的过程中采用壳聚糖与海藻酸钠混合物为载体材料，所得包封率均在75%以上，无明显突释现象。

乳化交联法制备亲水性小分子微球操作方便，效果良好且可以采用多种载体材料联用制备复合微球，但是在制备的过程中会涉及到毒性很大的交联剂，所以也存在着安全隐患。

此外在制备中必须注意有些药物对交联剂敏感，如用戊二醛进行化学交联，带有氨基的药物会与戊二醛反应而失去抗癌活性[35]。

1.2.2 喷雾干燥法
在喷雾干燥法制备微球时，先将药物分散在载体聚合物溶液中，然后在惰性热气流中喷雾，使溶解在聚合物中的溶液迅速蒸发，聚合物收缩成壳后便将药物包裹形成微球[36]。

在ABDEL MOUE等[30]的研究中采用喷雾干燥法将盐酸维拉帕米包裹于壳聚糖中制备生物黏性微球，研究显示喷雾干燥法不仅能够提高包封率和减少突释，还能获得一个较高的生物利用度。

ILIGER等[33]对乳化交联法和喷雾干燥法制备氨苄西林壳聚糖微球进行了对比，结果表明乳化交联法制备氨苄西林微球的包封率随交联剂硫胺素焦磷酸（thiamine pyrophosphate，TPP）加入量的增加而下降，相反喷雾干燥法制备氨苄西林微球的包封率却随TPP加入量的增加而增加，并且喷雾干燥法制备的微球突释更小且累积释放时间更长。

喷雾干燥法的优点在于既适用于疏水性药物，也适用于亲水性药物。

对于多晶
型药物，喷雾干燥法还可改变药物晶型。

与其他方法相比，喷雾干燥法一步到位、操作简单、适合规模放大，同时喷雾干燥法制备的微球一般包封率较高、粒径较小、粒径分布窄且有机溶剂残留量少。

但是有些药物与聚合物之间存在不相容性，在喷雾干燥过程中药物会析出结晶，从而妨碍微球的形成，并且喷雾干燥法不适宜温度敏感的化合物的包囊化。

2 新型亲水性小分子药物缓释微球的制备方法
传统使用的亲水性小分子药物微球的制备方法均存在有机溶剂残留量大的缺点，从安全的角度考虑是有待改进的，因此寻求绿色高效的制备方法是必要的。

另外，随着制备技术的发展，在传统工艺的基础上进行改进，制备出能够减少药物毒副作用，提高药物利用度的靶向微球的方法越来越受到重视。

2.1 层层自组装法
层层自组装（layer-by-layer self-assembly method，LBL）是20世纪90年代发展起来的一种简易、多功能的修饰方法，是基于带相反电荷的聚电解质在液/固界面通过静电作用交替沉积而形成的多层膜[37]。

近年来层层自组装聚电解质多层微球对细胞、药物、染料、催化剂等多种材料表现出强劲的包封能力。

宋艳艳等[39]采用聚二烯丙基二甲基氯化铵[poly(diallyldimethylammonium chloride)，PDADMAC]/聚苯乙烯磺酸钠[poly(styrene sulfonate)，PSS]为聚合物载体对盐酸普鲁卡因胺（procainamide hydrochloride，PrH）进行包封。

PDADMAC具有良好的生物相容性，毒性低、制备简单且成本低。

PSS带有负电荷，与PDADMAC联用能够获得稳定的微球。

二氧化硅（SiO2）粒子被分散于PDADMAC溶液中吸附15min，多余的聚电解质通过离心和洗涤除去。

接着上述分散悬浮液被分散于PSS溶液中吸附15min，多余的聚电解质通过水
洗除去。

重复上述步骤6次，通过溶解包覆颗粒得到空心微球。

将药物与空心微球悬浮分散于水中，高速搅拌30min后加热孵育20min。

最后离心分离载药微球与多余的药物溶液。

此法制得的微球可以通过超声操作指挥药物在特定的靶点按照指定的速度释放，具有定位、定量的智能靶向效果。

另外，层层自组装法制备亲水性小分子药物为先制备中空微球，再将药物固定于微球中，药物溶液可以循环利用且不涉及有机溶剂，具有绿色安全的特点。

2.2 结合磁性粒子的溶剂挥发法
在传统溶剂挥发法制备过程中加入无机磁性粒子能够获得具有靶向性能的磁性微球。

磁性微球是将磁性微粒包入微球，利用体外磁场效应，引导药物在体内定向移动和定位浓集的新型有机-无机复合微球[39]。

HU等[40]采用结合磁性粒子的溶剂挥发法以聚碳酸酯（polycarbonate）为载体材料制备出抗肿瘤药物丝裂霉素C（mitomycin C，MMC）磁性微球。

聚碳酸酯首先溶解于乙腈和四氢呋喃的混合溶液中作为内油相，接着MMC和磁性粒子Fe3O4的超细添加粉被均匀分散于内油相中，将内油相倾入含有1% span-80的液体石蜡（外油相）内，运用超声的方法制备O/O型乳液，最后通过收集，洗涤和干燥得到具有靶向性能的MMC磁性微球。

结果表明这些抗癌磁性聚碳酸酯微球具有较强的磁响应性和包封能力。

该研究的体外药物释放研究表明，这些缓释微球在磷酸缓冲液（phosphate buffer saline，PBS）中稳定释放。

体外细胞毒性试验表明微球对人肝脏癌细胞（bel-7204）有强烈的抑制作用。

在裸鼠体内的特异性治疗表明微球对bel-7204具有明显的抗肿瘤活性。

所以此法制备的微球不仅具有很强的包封能力，同时因为内部含有磁性粒子，更是具有了智能靶向的能力。

3 结语
经过二十多年的发展，药物微球技术在制药领域的应用日渐广泛，它一方面改善了药物的稳定性，另一方面延缓了药物释放，减少了毒副作用，优势显著。

随着微球制备技术的发展，越来越多半衰期短、需要延长释放时间的药物被制备成微球。

亲水性小分子药物微球具有包封率低、释放速率过快的缺点，一方面是因为其分子小，另一方面是因为其亲水性强。

这两个问题可以通过增加药物分子出逃的阻力和减少药物分子的亲水性来解决，即调整亲水性小分子药物微球的制备工艺。

此外，结合无机粒子制得的磁性微球还具有智能靶向的特点，所以随着技术的发展，高效、简便、安全、智能的制备方法是未来亲水性小分子药物微球的发展方向。

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研究开发
基金项目：天津市自然科学基金项目（14JCYBJC29100）。