聚合物納米微球制備實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

徐菊美, 岑　蓮, 胡江林, 張昊舟

(華東理工大學(xué) 化學(xué)工程系, 上海　200237)

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聚合物納米微球制備實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

徐菊美, 岑蓮, 胡江林, 張昊舟

(華東理工大學(xué) 化學(xué)工程系, 上海200237)

介紹并比較了乳化-溶劑揮發(fā)法和微流控技術(shù)制備聚合物載藥納米粒的工藝特點(diǎn),以形貌和粒度為評(píng)價(jià)指標(biāo),在一定優(yōu)化工藝條件下制備得到光滑圓整、平均粒徑為200 nm的SB-3CT-PLGA納米粒。該研究項(xiàng)目用于教學(xué)實(shí)驗(yàn),有利于學(xué)生綜合能力的培養(yǎng),比如:掌握不同實(shí)驗(yàn)技術(shù)解決問(wèn)題的能力,設(shè)計(jì)并組織實(shí)驗(yàn)、分析數(shù)據(jù)的能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

聚合物納米粒； 乳化-溶劑揮發(fā)法； 微流； 教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)； 能力培養(yǎng)

高等工程教育改革的目標(biāo)是培養(yǎng)“寬專業(yè)、厚基礎(chǔ)”創(chuàng)新型工程技術(shù)人才[1]。實(shí)驗(yàn)教育在人才培養(yǎng)中具有獨(dú)特、不可取代的優(yōu)勢(shì)與作用。加大實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革力度,加強(qiáng)學(xué)生工程意識(shí)、創(chuàng)造思維、設(shè)計(jì)能力培養(yǎng),對(duì)創(chuàng)新型實(shí)踐人才建設(shè)具有重要意義。華東理工大學(xué)化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)室擁有一支高水平的師資隊(duì)伍和優(yōu)良的硬件資源,近年來(lái)積極開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革,推進(jìn)研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)。本文以“聚合物納米微球制備實(shí)驗(yàn)”為例,一方面,通過(guò)引進(jìn)交叉學(xué)科項(xiàng)目、引進(jìn)新的實(shí)驗(yàn)與分析技術(shù),提高學(xué)生的知識(shí)水平；另一方面,通過(guò)開(kāi)設(shè)“一題多解”、“多參數(shù)優(yōu)化”的研究性實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生自行選擇技術(shù)路線、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、多組協(xié)作完成任務(wù),提高學(xué)生的綜合能力[2]。

1　聚合物納米粒與聚合物載藥納米微球

聚合物納米粒是指至少有一相尺度達(dá)到納米級(jí)尺寸的聚合物材料,通過(guò)選擇聚合方式和聚合單體,可從分子水平上設(shè)計(jì)合成和制備聚合物納米粒,使之具有穩(wěn)定的形態(tài)結(jié)構(gòu),具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和量子隧道效應(yīng),同時(shí)具有溫度、pH、電場(chǎng)和磁場(chǎng)響應(yīng)性等特定功能。聚合物納米粒制備技術(shù)廣泛應(yīng)用于化學(xué)、生物學(xué)、光學(xué)、電子學(xué)、機(jī)械學(xué)、功能材料科學(xué)等研究領(lǐng)域[3]。聚合物載藥納米微球是一種典型的納米醫(yī)藥材料,是指藥物溶解或分散于高分子材料中形成的微小球狀實(shí)體。大量研究表明,當(dāng)粒徑在10～1 000 nm之間時(shí),藥物的理化性質(zhì)、物理響應(yīng)性質(zhì)、生物學(xué)特性將發(fā)生改變,因而在人體內(nèi)的吸收、分布、代謝和排泄發(fā)生改變,納米藥物可增強(qiáng)療效、降低不良反應(yīng)[4]。

本實(shí)驗(yàn)以一種腦部疾病新藥SB-3CT(C15H14O3S2)為模型藥物[5],以聚乳酸-羥基乙酸共聚物(Poly(1actic-co-glycolic acid),PLGA)為載體進(jìn)行開(kāi)發(fā)。PLGA是一種生物相容性極好、可生物降解、無(wú)毒副作用的聚酯類高分子[6-7]。實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生制備粒度均一、表面光滑圓整的SB-3CT-PLGA納米微球,粒徑越小越好。粒徑是納米粒的決定性特征,以粒度、形貌為考察指標(biāo)設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)驗(yàn),將有助于學(xué)生深入了解納米技術(shù)的原理及應(yīng)用。

2　PLGA載藥納米微球的典型制備方法

2.1乳化-溶劑揮發(fā)法

乳化-溶劑揮發(fā)法是一種最常用的納米粒制備工藝[8]。其制備納米粒示意圖見(jiàn)圖1,將模型藥物SB-3CT和PLGA先溶解于有機(jī)溶劑中,然后滴加到含有表面活性劑的水相中,在均質(zhì)機(jī)的高速剪切下形成油相/水相(O/W)型乳液,再通過(guò)常壓或減壓方式除去乳液分散相中的揮發(fā)性有機(jī)溶劑,使納米粒硬化,最后通過(guò)冷凍干燥從水性混懸液中收集產(chǎn)品——納米粒。乳液中,由有機(jī)溶劑、PLGA及SB-3CT形成的液滴狀液體稱為分散相,含有表面活性劑的水相稱為連續(xù)相。

圖1　乳化-溶劑揮發(fā)法制備納米粒示意圖

2.2微流控法

微流控(microfluidics)技術(shù)是一種在微米尺度的通道中操控兩種或幾種互不相溶的微小體積液體,連續(xù)、可控地生產(chǎn)具有高度單分散尺寸的單乳液滴和多重乳液液滴的技術(shù)。目前的研究成果表明,微流控技術(shù)可精確調(diào)控乳液液滴結(jié)構(gòu)(如乳液內(nèi)部包含液滴的組分、數(shù)目、尺寸等)[9]。液相流體流動(dòng)方向的不同,產(chǎn)生乳液的形式也不同,據(jù)此可以將微流控裝置分為:同向流動(dòng)型(co-flow)、T形交叉流動(dòng)型(T-junction cross-flow)和流動(dòng)聚焦型(flow-focusing)[10-11]。圖2是同向流動(dòng)型微流控制備納米粒示意圖,作為分散相的內(nèi)相液體和作為連續(xù)相的外相液體分別在內(nèi)、外通道中同向流動(dòng),在微通道錐口處相遇,此時(shí)內(nèi)相液體受到與其互不相溶的外相液體的剪切力作用而在收集管中斷裂成為尺寸均一的單乳液滴[12]。

圖2　同向流動(dòng)型微流控制備納米粒示意圖

3　納米微球表征

3.1形貌分析

采用超高分辨率場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察各工藝條件制備的納米微球,并進(jìn)行拍照。方法如下:取少量冷凍干燥后的樣品牢固粘貼于樣品臺(tái)上,噴金處理,放入樣品槽進(jìn)行觀察,調(diào)節(jié)放大倍數(shù)和電子束強(qiáng)度,得到形貌清晰的掃描電鏡圖片。本實(shí)驗(yàn)采用的電子顯微鏡型號(hào)為NOVA Nano SEM450,電鏡分辨率:高真空時(shí)為1.0 nm@15 kV,4 nm@1 kV；低真空時(shí)為1.5 nm@10 kV,1.8 nm@3 kV。

3.2粒度分析

粒徑及其分布是微球制劑一項(xiàng)重要的考察指標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)中采用Nano measurer軟件進(jìn)行顆粒粒度分析:在掃描電鏡圖片中選取一個(gè)顆粒相對(duì)集中、分布均勻的區(qū)域,用軟件測(cè)量屏幕上的顆粒尺寸,再根據(jù)粒度分布情況求取平均值。

3.3載藥量與包封率測(cè)定

載藥量是指微球中模型藥物的質(zhì)量分?jǐn)?shù),一般采用適宜的有機(jī)溶劑使微球完全溶解后進(jìn)行含量測(cè)定。包封率是指微球中的藥物量占總投入量的比值,可由載藥量進(jìn)一步計(jì)算得到。

模型藥物SB-3CT的紫外吸收特征波長(zhǎng)為245 nm,將納米微球溶解在一定量的二甲基亞砜(DMSO)中,采用高效液相色譜法可測(cè)定SB-3CT濃度:色譜柱Hypersil ODS (5 μm, 200×4.6 mm),檢測(cè)波長(zhǎng)為245 nm,流速為1 mL/min,流動(dòng)相A為0.1%TFA/水、B為0.1%TFA/乙腈,tG=20 min,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%～10%梯度。

4　PLGA載藥納米微球制備實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

4.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)攪拌法和微流控技術(shù)產(chǎn)生的乳液具有相同特征:乳液是一種亞穩(wěn)態(tài)膠體體系,液滴不穩(wěn)定,保持時(shí)間有限,工藝條件的微小改變就能制備出不同的液滴。因此,要獲得符合要求的納米粒,需要系統(tǒng)地考察各種影響因素。在乳化-溶劑揮發(fā)法中,應(yīng)重點(diǎn)考察油水相濃度、油相/水相體積比、攪拌強(qiáng)度等[13]；在微流控技術(shù)中,應(yīng)重點(diǎn)考察微通道尺寸、油水相濃度、油相/水相流速比等。另外,包括聚合物種類、表面活性劑種類、溶劑揮發(fā)方式等影響因素[10-11]。學(xué)生完成這項(xiàng)實(shí)驗(yàn),首先應(yīng)掌握關(guān)鍵變量,由于影響因素多,可采用科學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法制定實(shí)驗(yàn)計(jì)劃,多組協(xié)作完成任務(wù)。

4.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果

4.2.1乳化-溶劑揮發(fā)制備SB-3CT-PLGA納米微球

在乳化-溶劑揮發(fā)法中,系統(tǒng)地研究了均質(zhì)機(jī)攪拌轉(zhuǎn)速5 000 r/min～14 000 r/min、PLGA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%～1.2%、表面活性劑聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～3%、常壓揮發(fā)(ASE)與減壓揮發(fā)(RSE)條件下納米微球制備情況。確定優(yōu)化工藝條件為:轉(zhuǎn)速大于10 000 r/min、PLGA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%、PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%、常壓揮發(fā)24 h,冷凍干燥。在該工藝條件下,可獲得表面圓整光滑、平均粒徑為240 nm的納米微球(見(jiàn)圖3)。若將上述納米微球懸浮水溶液在5 000 r/min條件下離心分級(jí),可獲得粒度分布更窄、平均粒徑為200 nm的納米微球(見(jiàn)圖4)。經(jīng)高效液相色譜分析,該工藝條件下制備的納米微球載藥量為12.08%±0.82%、包封率為80.56%±4.12%,基本符合腦部用藥的研究要求[4]。

圖3　分級(jí)前PLGA納米粒掃描電鏡圖(左圖標(biāo)尺為2 000 nm)及粒徑統(tǒng)計(jì)

圖4　分級(jí)后PLGA納米粒掃描電鏡圖(左圖標(biāo)尺為2 000 nm)及粒徑統(tǒng)計(jì)

4.2.2微流控制備SB-3CT-PLGA納米微球

在微通道直徑為580 μm、錐口90 μm 的裝置中,系統(tǒng)地研究了PLGA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%～1.2%、表面活性劑透明質(zhì)酸(hyaluronic acid,HA)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%～0.08%、水相流速為2～6 mL/h、油相流速為0.5～1.5 mL/h條件下聚合物納米微球制備情況。確定優(yōu)化工藝條件為:PLGA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%、HA濃度為0.05%、水相流速為2 mL/h、油相流速為1 mL/h。在該工藝條件下,通過(guò)常壓揮發(fā)(ASE)24 h后冷凍干燥,可穩(wěn)定獲得粒度均一、表面圓整、平均粒徑為80.09 μm的納米微球(見(jiàn)圖5)。受實(shí)驗(yàn)條件限制,本實(shí)驗(yàn)研究?jī)H限于微通道直徑為580 μm,若要獲得粒徑更小的納米粒,需進(jìn)一步優(yōu)化微通道結(jié)構(gòu)。

圖5　微流控裝置中液滴形成過(guò)程及未分級(jí)的PLGA納米粒電鏡圖(右圖標(biāo)尺為100 μm)

4.2.3兩種典型工藝比較

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),乳化-溶劑揮發(fā)法操作簡(jiǎn)單、易放大、適宜制備單乳體系,但所得納米粒徑分布較寬,往往需要進(jìn)一步離心分級(jí),收率較低。微流控技術(shù)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作,具有能耗低、粒度分布均一的優(yōu)點(diǎn),但聚合物容易在微通道內(nèi)堵塞、設(shè)備難于清洗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,乳化-溶劑揮發(fā)法制備的納米平均粒徑為240 nm,粒度分布寬；微流控技術(shù)制備的微球平均粒徑為80.09 μm,粒度分布較窄,微流控技術(shù)能更有效地制備單一尺寸的微球,但粒度較大。本實(shí)驗(yàn)中,乳化-溶劑揮發(fā)法制備的納米微球經(jīng)過(guò)離心分級(jí),平均粒徑為200 nm,可達(dá)到腦部用藥的研究要求。

5　結(jié)語(yǔ)

聚合物載藥納米微球制備技術(shù)來(lái)源于與化工相關(guān)的材料和生物領(lǐng)域,將體現(xiàn)前沿性、交叉性、應(yīng)用性的研究項(xiàng)目引入到本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,有利于開(kāi)拓學(xué)生的視野、激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新熱情,也有利于學(xué)生開(kāi)展跨學(xué)科協(xié)作、交流,符合工程實(shí)踐人才培養(yǎng)要求。

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Design of teaching experiment for preparation of polymeric nanospheres

Xu Jumei, Cen Lian, Hu Janglin, Zhang Haozhou

(Department of Chemical Engineering,East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)

The emulsion-solvent evaporation and microfluidics techniques are applied in the current work to prepare SB-3CT loaded poly (1actic-co-glycolic acid) nanoparticles. The advantages and disadvantages of both methods are compared. It was shown that spherical SB-3CT-PLGA nanoparticles with a smooth surface and narrow distribution of a mean diameter of 200 nm could be obtained at an optimal condition. This research project could be further adopted to experimental teaching to promote comprehensive ability training of undergraduates, such as acquisition of alternative experimental techniques or skills to solve engineering problems, ability to conduct experiments and interpret data, and team-work cooperation ability.

polymeric nanoparticles; emulsion-solvent evaporation; microfluidics; design of teaching experiment; ability training

10.16791/j.cnki.sjg.2016.03.016

2015- 08- 24修改日期：2015- 10- 13

上海市高校實(shí)驗(yàn)技術(shù)隊(duì)伍建設(shè)計(jì)劃項(xiàng)目(2013);華東理工大學(xué)本科教育教學(xué)改革項(xiàng)目(2013014)

徐菊美(1978—),女,江蘇啟東,碩士,實(shí)驗(yàn)師,化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)中心副主任,主要從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)室管理.

E-mail:xujumei@ecust.edu.cn

G642.423;R944.2

A

1002-4956(2016)3- 0058- 04