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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

歐美克 2024-07-09 | 閱讀：2087

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,。

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?；蚍肿佑邢嗤瑪U(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?。划?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,。

▲ 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）?？梢娫诠鈴?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?，得到更真實且穩(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. ;

相關(guān)產(chǎn)品