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技術(shù)中心

使用納米粒度儀表征納米乳液的粒度分布--歐美克儀器應(yīng)用經(jīng)理 吳瑾
2024-07-09     來源:珠海歐美克儀器有限公司   >>進(jìn)入該公司展臺 

概述

納米乳液(簡稱納米乳)作為一種新型的給藥遞送系統(tǒng)受到廣泛的關(guān)注。其制備工藝簡單,制劑質(zhì)量穩(wěn)定,具有一定的動力學(xué)和熱力學(xué)穩(wěn)定性,且所載藥物經(jīng)乳液包裹后一方面能有效提高藥物的穩(wěn)定性,另一方面也能降低給藥的刺激性。納米乳可以增加難溶性藥物的溶解度,并且能實現(xiàn)同時對脂溶性藥物和水溶性藥物的增溶,尤其適用于成分復(fù)雜的中藥提取物復(fù)方制劑的開發(fā)。


此外,納米乳作為經(jīng)皮給藥制劑的給藥載體,由于其粒徑小的特點,能增強(qiáng)藥物活性成分的經(jīng)皮擴(kuò)散速率,吸收明顯加快。在實踐中,高能乳化方法(如高壓均質(zhì)化)已被證明是獲得具有小而非常均勻液滴的納米乳劑的有效方法。


納米乳的粒徑大小及分布(即粒度分布)是實現(xiàn)其藥理學(xué)活性、藥物的生物利用度等以上優(yōu)越性能的重要質(zhì)量控制指標(biāo)。本文將探討動態(tài)光散射技術(shù)(DLS)在表征納米乳粒度方面的應(yīng)用。


DLS技術(shù)是用于樣品粒度檢測的技術(shù),該技術(shù)檢測進(jìn)行隨機(jī)布朗運動的顆粒發(fā)出的散射光強(qiáng)度隨著時間推移發(fā)生的波動。分析這些強(qiáng)度波動可得到擴(kuò)散系數(shù),從而可通過Stokes-Einstein方程得到粒度。

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其中,D為擴(kuò)散系數(shù),KB為玻爾茲曼常數(shù),T為環(huán)境絕對溫度,η為介質(zhì)粘度,DH為顆粒的流體力學(xué)直徑。


NS-90納米粒度儀是一款經(jīng)典的DLS儀器,可以快速、準(zhǔn)確測量從納米到亞微米級的顆粒尺寸。分析軟件易于使用,提供有關(guān)數(shù)據(jù)質(zhì)量的可靠實時反饋,以及如何改進(jìn)結(jié)果的指導(dǎo)。


實驗

本應(yīng)用報告使用納米粒度儀表征了3個高壓均質(zhì)納米乳液樣品的粒度。測量結(jié)果分別采用歐美克儀器的NS-90和馬爾文帕納科的Zetasizer nano ZS在25oC下完成, 其中,NS-90采用傳統(tǒng)90度角測量原理,Zetasizer nano ZS采用非侵入背散射(NIBS)技術(shù)。


結(jié)果

測樣方法開發(fā)



觀察樣品狀態(tài),發(fā)現(xiàn)多個樣品中均有極少量纖維狀雜質(zhì),因此所有樣品用1μm濾膜過濾進(jìn)行預(yù)處理以去除雜質(zhì)。


以3#樣品為例,觀察原液可見其濁度較高,透光性不佳。分別用Zetasizer nano ZS與NS-90測試該樣品原液。

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A  后向角度Zetasizer nano ZS



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B側(cè)向角度 NS-90


▲ 圖1:    不同角度納米儀檢測3#樣品原液的粒度結(jié)果


其中,Z-Average是指定強(qiáng)度加權(quán)平均流體動力學(xué)直徑。流體動力學(xué)直徑(DH)定義為與被測顆粒或分子有相同擴(kuò)散速度的剛性球體直徑。PdI(Polydispersity index)多分散指數(shù),是對數(shù)據(jù)累積分析得出的顆粒尺寸分布寬度的無量綱數(shù)值。PdI 值范圍為 0 到 1,值越高表示多分散性越強(qiáng),數(shù)值越小表示粒度越均勻。這些參數(shù)均根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO13321,采用動態(tài)光散射DLS技術(shù)計算。


對比圖1A、1B可見,NS-90的PdI較大,且粒度分布曲線(即PSD curve,基于光強(qiáng)分布)在40~50nm附近有肩峰;結(jié)合Zetasizer nano ZS測量位置在接近池壁的0.65mm等信息(這表明發(fā)生了多重散射),可知該樣品原液濃度過高,側(cè)向角度測量時發(fā)生了重復(fù)散射,結(jié)果出現(xiàn)了小顆粒部分的“假峰”。


用純凈水稀釋樣品,逐漸增加稀釋倍數(shù),在NS-90上做平行對比測試。發(fā)現(xiàn)隨著樣品稀釋倍數(shù)的增加,Z-Average微幅減小;當(dāng)稀釋倍數(shù)達(dá)到5倍之后,Z-Average趨于穩(wěn)定。這是因為,在濃度較高的原液中,顆粒之間的作用力以吸引力為主,檢測到的粒徑為表觀粒徑,結(jié)果偏大;隨著樣品濃度的降低,顆粒之間的吸引力和排斥力達(dá)到平衡,粒徑不再依賴于濃度的變化,測得可靠的粒徑。另外,隨著樣品稀釋倍數(shù)的增加,PdI也隨之降低直至穩(wěn)定(圖2)。

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▲ 圖2:3#樣品稀釋濃度滴定曲線


觀察光強(qiáng)分布曲線,可以看到小顆粒假峰消失,PdI降低到0.164(圖3)。

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▲  圖3:3#樣品稀釋5倍后在NS-90上的檢測結(jié)果


這與采用背散射技術(shù)的Zetasizer nano ZS的檢測結(jié)果相符。


不同散射角度光強(qiáng)分布結(jié)果的差異


將NS-90與Zetasizer nano ZS的結(jié)果做比對(見表1),可以發(fā)現(xiàn)不同樣品之間Z-Average的大小順序在兩臺儀器上均一致;但對于同一樣品, Zetasizer nano ZS較NS-90, Z-Average普遍偏小4~7%不等。

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▲ 表1:NS-90與Zetasizer nano ZS的結(jié)果比對


到底哪個結(jié)果更準(zhǔn)確呢?

根據(jù)瑞利散射理論(Rayleigh Scattering Theory)和米氏散射理論(Mie Scattering Theory),當(dāng)顆粒小于激光波長λ的1/10時,其散射光強(qiáng)在所有散射方向上等同,即各向同性散射;當(dāng)顆粒尺寸大于λ/10時,前向散射發(fā)生散射扭曲,信號更往前傾。因此,大顆粒是各向異性散射的,即在不同角度的散射信號有區(qū)別。這通常意味著對于相同的大顆粒樣品,選擇不同的檢測角度,可以得到不同的粒度結(jié)果。


本文使用的納米粒度儀光源都采用紅光He-Ne激光器,波長λ為633nm。根據(jù)上述原理,當(dāng)顆粒直徑大于λ/10即60nm左右時,DLS法的檢測結(jié)果會依賴于信號收集角度。

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▲ 圖3:不同粒徑球形顆粒的散射光強(qiáng)的矢極圖


圖3展示了不同粒徑的球形顆粒在633nm入射光的照射下,散射光在二維空間上的強(qiáng)度分布對比情況。50nm顆粒的散射光強(qiáng)在各個方向上都是一致的,從100nm顆粒開始散射光強(qiáng)就有前傾發(fā)生;隨著粒徑的逐漸增大,散射光前傾情況愈加顯著。

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▲ 圖4:不同角度散射光強(qiáng)與顆粒直徑的函數(shù)圖



當(dāng)顆粒物的折射率為1.45,吸收率為0.001時,單個顆粒和單位體積的散射光強(qiáng)與顆粒直徑的函數(shù)關(guān)系如圖4。其中,紅色代表側(cè)向散射,藍(lán)色代表后向散射。可見,當(dāng)顆粒大于60nm后,側(cè)向散射的散射光強(qiáng)度隨著尺寸的增加呈指數(shù)增長,而對于后向散射這種影響并不明顯。這表明在大顆粒區(qū)間對于適當(dāng)分布寬度的同一樣品,側(cè)向散射的結(jié)果中大顆粒的權(quán)重會更大;而后向散射結(jié)果相較而言將略微偏小。(如表1)

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▲ 圖5:AAV病毒在不同檢測角度納米儀中的表現(xiàn)



在極端情況下,對于寬分布樣品,后向散射結(jié)果會更小。圖5的AAV病毒樣品因為團(tuán)聚體的在173°的光強(qiáng)貢獻(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于90°,在后向散射中,第二個亞微米級團(tuán)聚體的峰的占比更低,Z-Average也更小。


現(xiàn)在可以回答前面的問題了,到底側(cè)向散射和后向散射的結(jié)果哪個更準(zhǔn)確呢?答案是兩個結(jié)果都對,都具有參考性!因為納米粒度儀直接測得的是基于光強(qiáng)加權(quán)的粒度結(jié)果,而散射光強(qiáng)度依賴于散射角度。


因此,不同的儀器之間在做數(shù)據(jù)傳遞時,請務(wù)必同時報告儀器所采用的檢測角度。




數(shù)量分布測量結(jié)果評價




首先讓我們來考察不同的統(tǒng)計方式對粒度結(jié)果的影響。假設(shè)有2個球形的顆粒,直徑相差10倍,分別是5nm和50nm,采用不同的統(tǒng)計方法計算得到的平均粒徑如下:

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▲ 圖6:不同統(tǒng)計方式的顆粒粒度分布



從以上例子和圖6可見,數(shù)量統(tǒng)計對小顆粒的存在更敏感,光強(qiáng)統(tǒng)計對大顆粒更敏感。


還是以3#納米乳為例,分別在側(cè)向和后向檢測原液,應(yīng)用米氏理論,輸入顆粒物的折射率和吸收率,從光強(qiáng)分布結(jié)果轉(zhuǎn)換得到數(shù)量分布結(jié)果(圖7A、7B)。可見在光強(qiáng)分布中差異并不大的兩個結(jié)果,數(shù)量分布差異則會很大。側(cè)向散射的光強(qiáng)分布中因為重復(fù)散射在40~50nm附近的小顆粒假峰,在數(shù)量分布中成為了整體粒度分布的主體;因此,在數(shù)量分布中側(cè)向散射結(jié)果較后向偏細(xì)很多。

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 A 光強(qiáng)粒度分布

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B 數(shù)量粒度分布


▲ 圖7:3#納米乳原液不同角度檢測結(jié)果對比  


分別在側(cè)向和后向檢測稀釋5倍后的3#納米乳,樣品濃度降低后沒有重復(fù)散射現(xiàn)象了,側(cè)向散射的小顆粒假峰也消失了。無論是光強(qiáng)分布還是數(shù)量分布,不同角度的檢測結(jié)果都是高度一致的(圖8A、8B)。

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A 光強(qiáng)粒度分布

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B 數(shù)量粒度分布


▲ 圖8:3#納米乳稀釋5倍后不同角度檢測結(jié)果對比 




結(jié)論和討論

本文應(yīng)用DLS技術(shù)表征不同配方的納米乳液的粒徑,當(dāng)樣品濃度較高時,發(fā)生了重復(fù)散射,光強(qiáng)粒度分布出現(xiàn)了樣品里本不存在的小顆粒的肩峰,導(dǎo)致數(shù)量粒度分布異常偏小;將樣品做適當(dāng)?shù)南♂屘幚砗螅玫礁鎸嵡曳€(wěn)定的光強(qiáng)和數(shù)量粒度分布結(jié)果。


納米乳作為藥物遞送系統(tǒng),其優(yōu)勢在于能有效提高生物利用度、增強(qiáng)靶向作用的同時,巧妙地調(diào)控藥物的緩釋效果。然而,這些優(yōu)勢的充分展現(xiàn)依賴于對其粒度分布的工藝調(diào)節(jié)和把控。


顆粒尺寸過大的納米乳除了容易導(dǎo)致藥物在非目標(biāo)部位積累,降低藥物的靶向性,甚至增加不必要的毒副作用外,還會阻礙藥物的有效釋放,降低其生物利用度。這種影響不僅削弱了納米藥物的治療效果,還可能產(chǎn)生反作用,并對治療造成負(fù)面影響。在納米乳的較多應(yīng)用中,更偏好粒徑小且粒度分布窄的產(chǎn)品,這樣的納米乳通常具有更好的藥效并表現(xiàn)出良好的制劑穩(wěn)定性。因此,采用對大顆粒更敏感的側(cè)向角度檢測技術(shù)來分析納米藥物的粒度分布時,可以更靈敏地捕捉到樣品中的大顆粒信息,獲得更準(zhǔn)確的粒度分布結(jié)果,以便于有效地指導(dǎo)工藝參數(shù)的調(diào)整和配方的改進(jìn)。


綜上所述,動態(tài)光散射是對納米乳液粒度進(jìn)行表征的理想技術(shù);無論采用側(cè)向散射還是后向散射技術(shù),都需要找到合適的樣品濃度,開發(fā)科學(xué)、可靠的檢測方法,并根據(jù)具體應(yīng)用中的重點關(guān)注指標(biāo)和質(zhì)控對象,在側(cè)向角度檢測和后向角度檢測中作出合適的平衡和選擇。


參考文獻(xiàn)

1.Zhang R, Cheng L, Luo L, et al. Formation and Characterisation of high-internal-phase emulsions stabilised by high-pressure homogenised quinoa protein isolate.

2.Sadurni N, Solans C, Azemar N, et al. Studies on the formation of O/W nano-emulsions, by low-energy emulsification methods, suitable for pharmaceutical applications.

3.高壓微射流納米均質(zhì)法制備一種難溶藥物納米乳應(yīng)用舉例. ;


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