超臨界流體技術(shù)制備生物可降解聚合物/藥物納米微粒研究進(jìn)展

詹世平，丁仕強(qiáng)，王衛(wèi)京，李鳴明，趙啟成

（1 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院，甘肅蘭州730050； 2 大連大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧大連116622）

引 言

隨著納米科學(xué)技術(shù)研究的不斷發(fā)展，生物可降解聚合物/藥物納米材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，為疾病的診斷和治療帶來(lái)了重大進(jìn)步，其中包括體外和體內(nèi)醫(yī)療診斷、生物相容醫(yī)用材料的制備、營(yíng)養(yǎng)品和藥物的靶向遞送等。醫(yī)用納米聚合物材料能夠獲得廣泛應(yīng)用的原因是由于其具有獨(dú)特的性能，如大的比表面積、量子效應(yīng)、好的吸附和用作載體材料的性能[1]。聚合物科學(xué)與納米技術(shù)結(jié)合為藥物制劑、食品儲(chǔ)存、包裝、組織工程、納米植入物以及生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域開(kāi)辟了新的途徑。盡管納米粒子是指粒徑小于100 nm 的顆粒，但在制藥和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，固體顆粒的納米尺寸定義通常可以擴(kuò)展到小于5 μm，而對(duì)于粒徑介于1～200 μm 之間的顆粒，其尺寸是處于亞微米和近亞微米區(qū)域[2]。這主要是因?yàn)樵摷{米粒子常常包括兩種成分：一種是藥物成分，另一種是載體材料。聚合物/藥物納米粒子(PNP)可用于靶向藥物的遞送，它能夠改善各種親水和疏水藥物的溶解性，以及各種生物活性化合物的藥用價(jià)值，提高其生物利用度、安全性和生物相容性，降低在治療期間的毒性，提高滲透吸收性和調(diào)節(jié)藥物滯留的時(shí)間。與傳統(tǒng)藥物劑型相比，納米聚合物/藥物遞送系統(tǒng)在控制藥物釋放和克服藥物遞送屏障方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)[3-4]。納米聚合物/藥物遞送系統(tǒng)的性能與作為載體材料的可生物降解聚合物密切相關(guān)。

傳統(tǒng)制備PNP 的方法使用的溶劑大多為有機(jī)溶劑，這對(duì)環(huán)境和產(chǎn)品均造成一定的污染，因此開(kāi)發(fā)更加綠色和環(huán)保的制備方法是非常重要的。作為環(huán)保溶劑的超臨界流體，特別是超臨界二氧化碳，具有溫和的臨界條件(Tc=31.1℃，Pc=7.38 MPa)、廉價(jià)、無(wú)毒、惰性和可回收等特點(diǎn)，將其用于制備PNP 是一種綠色和高效的微粒制備方法，該方法可以解決傳統(tǒng)工藝中存在的問(wèn)題，并且可使后續(xù)的分離更容易，產(chǎn)品的純度更高。超臨界流體在臨界點(diǎn)附近，其密度和黏度隨著溫度和壓力的微小改變會(huì)急劇變化，從而改變其溶解和擴(kuò)散等性能。利用這個(gè)性質(zhì)，可以方便地調(diào)節(jié)聚合物、藥物和超臨界流體之間的相互作用，控制形成聚合物/藥物納米微粒的大小[5]。為了合理設(shè)計(jì)聚合物/藥物納米微粒制備工藝，必須全面了解系統(tǒng)的相平衡、溶質(zhì)擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)、納米材料與流體的相互作用以及在超臨界流體中的輸運(yùn)現(xiàn)象[6]。

超臨界CO2在生物可降解聚合物/藥物納米材料制備領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，常用的工藝方法有：超臨界溶液快速膨脹法(RESS)、超臨界反溶劑法(SAS)或超臨界熔體微粉化法(SCMM)、共沉淀法(RESS、SAS、超臨界噴霧干燥等)微膠囊化和活性成分涂層(噴涂涂層、超臨界CO2流化床涂層等)。關(guān)于使用超臨界流體技術(shù)開(kāi)發(fā)聚合物/藥物納米微粒，用于醫(yī)學(xué)診斷、藥物制劑和食品封裝等方面的研究已取得了一定的成果[7-10]。超臨界流體可以根據(jù)藥物成分、載體材料和溶劑的性質(zhì)，以多種不同的方式制備納米微粒產(chǎn)品。

超臨界CO2制備聚合物/藥物納米微粒加工工藝的選擇，在很大程度上取決于超臨界CO2與藥物成分、載體材料和溶劑的相互作用。在生物聚合物給藥系統(tǒng)中，聚合物與超臨界CO2的相互作用對(duì)超臨界工藝過(guò)程的選擇起著重要的作用。例如，聚丙交酯(PLA)不易溶于超臨界CO2[11]，適合采用SAS 工藝過(guò)程，不適宜應(yīng)用RESS 過(guò)程。另外，聚丙乙交酯(PLGA)具有較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)，在超臨界CO2氛圍中，其Tg進(jìn)一步降低，很難通過(guò)SAS 工藝制備分散的自由流動(dòng)粉末。然而，PLGA 的這一特性使其適合于生產(chǎn)殘留有機(jī)溶劑含量極低的微孔聚合物泡沫材料，從而得到可用作植入體和支架材料的微孔釋藥聚合物泡沫材料[12]。

超臨界流體制備超細(xì)微粒具有突出的優(yōu)勢(shì)，已得到了研究者的廣泛關(guān)注，研究成果也層出不窮。為了加快該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，還需要較全面地了解超臨界流體所表現(xiàn)出的優(yōu)良特性，各種超臨界流體制粒技術(shù)特征，并掌握各種技術(shù)的機(jī)理、流程和實(shí)際應(yīng)用方法，合理選擇適宜流程制備滿足使用要求的納米微粒，促進(jìn)聚合物/藥物納米微粒的工業(yè)化發(fā)展[13]。

1 生物可降解聚合物材料

生物可降解聚合物材料因其優(yōu)異的性能獲得了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，研究者對(duì)生物可降解聚合物材料進(jìn)行了大量的研究，闡述了其獨(dú)特的性能和應(yīng)用情況[14-15]，按其生物可降解聚合物材料的來(lái)源可分為兩大類(lèi)：合成材料與天然材料。

合成生物可降解聚合物材料主要包括聚乳酸、聚己內(nèi)酯、聚原酸酯、聚磷酸酯、聚酸酐等，其中脂肪族聚酯是應(yīng)用最為廣泛的合成生物可降解材料。如來(lái)源于可再生自然資源聚合物聚乳酸(PLA)，雖然它們的來(lái)源是如玉米淀粉和木薯根，但大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，它們也是經(jīng)過(guò)化學(xué)或酶聚合而成的，也可以歸屬于合成生物可降解聚合物材料這個(gè)類(lèi)別。實(shí)際上，許多生物降解和生物相容性聚合物都是通過(guò)化學(xué)方法合成的。合成聚合物常常含有酯類(lèi)、酸酐、二酸和酰胺這樣少量的化學(xué)基團(tuán)，合成的生物聚合物骨架中的弱水解鏈?zhǔn)沁@類(lèi)材料具有生物可降解性的主要根源，這些基團(tuán)可以通過(guò)化學(xué)或酶分解成水溶性的小分子，容易被生物體所代謝。該性能使得它們?cè)谒幬锟蒯?、人工器官、組織工程等領(lǐng)域的應(yīng)用中具有重要意義。這類(lèi)聚合物的聚合方法可以分為三種類(lèi)型，加成聚合、縮合聚合和開(kāi)環(huán)聚合，合成可降解聚合物的典型代表是脂肪族聚酯，常用的有聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸(PGA)、聚己內(nèi)酯(PCL)，以及它們的共聚物[16-17]。

天然生物可降解聚合物因其生物降解性、生物相容性、低毒性和豐富的來(lái)源，而被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)用領(lǐng)域。這些聚合物包括白蛋白、明膠、大豆、膠原和多糖，如殼聚糖、瓊脂糖、葡聚糖、透明質(zhì)酸、海藻酸鈉、卡拉膠和環(huán)糊精等。殼聚糖是天然聚合物常用的材料之一，因?yàn)樗哂信c各種聚合物共混的特性，而且易于表面改性，且毒性低，無(wú)免疫原性，與組織和細(xì)胞具有顯著的相容性等[18]，常用作藥物載體的基體材料。殼聚糖與葉酸結(jié)合，可用于治療大腸癌藥物的載體材料，因?yàn)槿~酸是一種優(yōu)良的靶向劑[19]。通過(guò)將其與1,3-二氨基丙烷交聯(lián)，使其成為靶向性大腸癌治療的有效藥物載體[20]。殼聚糖與合成聚合物PLGA 的共混效果也非常好，用作載體材料可提高對(duì)癌細(xì)胞的親和力[21]。另一種常用的天然聚合物是海藻酸鈉。它是一種無(wú)毒，具有黏著性能和生物相容性的抗酸聚合物，在鈣、鋅或鋇等二價(jià)陽(yáng)離子存在下具有獨(dú)特的生成凝膠的性能。有研究表明，由于殼聚糖的多功能性和海藻酸鈉的耐酸性能，殼聚糖-海藻酸鈉聯(lián)合用于靶向給藥取得了良好的治療效果[22]。除此之外，其他使用的天然聚合物還有淀粉、白蛋白、半乳甘露聚糖、葡聚糖、瓊脂糖、明膠和木質(zhì)素等，這些天然聚合物可直接或改性用作藥物載體材料[23-25]。

盡管有幾種生物可降解聚合物納米載體在臨床試驗(yàn)中取得了成功，但被動(dòng)靶向納米載體用于臨床還是很少，而主動(dòng)靶向的納米載體在臨床試驗(yàn)后進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)也很不夠[26]。因此，生物可降解聚合物在用于特定的靶點(diǎn)和持續(xù)的藥物釋放方面還需要進(jìn)行深入的研究，以推動(dòng)其應(yīng)用的發(fā)展。

2 超臨界流體及特性

超臨界流體(SCF)是指處于高于臨界點(diǎn)的壓力和溫度條件下的任何流體。這類(lèi)流體的主要特點(diǎn)在于它們具有特殊的物理特性，特別是類(lèi)似液體的密度、氣體的擴(kuò)散速率和黏度，以及零表面張力。這些特性使SCFs在一些應(yīng)用中具有吸引力，例如萃取、色譜、顆粒形成、分離提純過(guò)程和生物燃料制備等。超臨界二氧化碳(ScCO2)是一種最常用的SCF，因?yàn)樗呐R界條件溫和(304.15 K 和7.38 MPa)，而且它是一種不易燃、無(wú)腐蝕性和無(wú)毒的化合物。

如果純物質(zhì)的壓力和溫度高于其臨界壓力(Pc)和臨界溫度(Tc)，則為超臨界流體[圖1(a)]。同樣，當(dāng)壓力、溫度和組成超過(guò)混合物的臨界點(diǎn)時(shí)，該混合物被認(rèn)為處于超臨界狀態(tài)。例如，對(duì)于一個(gè)在恒定溫度下的二元混合物，其超臨界狀態(tài)是所有組成區(qū)域的壓力都要高于二元混合物臨界壓力，該臨界壓力總是對(duì)應(yīng)于該二元系統(tǒng)的兩相區(qū)上限壓力[圖1(b)]，也就是說(shuō)，處于兩相區(qū)的壓力總是小于臨界壓力。與此相反，在恒定壓力下，兩相區(qū)的溫度沒(méi)有限制在臨界溫度以下，即超過(guò)臨界溫度值時(shí)也會(huì)存在有兩相區(qū)[圖1(c)]，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)與壓力有關(guān)。此外，在三元體系中，在恒定溫度和壓力下[圖1(d)]，臨界點(diǎn)通常不在兩相區(qū)某組分濃度最大值處，而是在最大值的某一側(cè)。應(yīng)該注意的是，因?yàn)樯婕敖M分的數(shù)量和它們之間的物理化學(xué)相互作用，高壓下多元系統(tǒng)的相平衡可能是相當(dāng)復(fù)雜的，在特定壓力、溫度和組成條件下，會(huì)出現(xiàn)多相液-液-氣、固-液-氣和液-液區(qū)域[27]。

除了臨界點(diǎn)本身外，當(dāng)液體或氣體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界狀態(tài)(反之亦然)時(shí)，流體物質(zhì)或流體混合物的一些最相關(guān)的熱力學(xué)和物理化學(xué)性質(zhì)(如焓、熵、密度、介電常數(shù)、擴(kuò)散率和動(dòng)態(tài)黏度)的值沒(méi)有突然或間斷的變化。事實(shí)上，對(duì)于大多數(shù)簡(jiǎn)單的高壓系統(tǒng)，這些性質(zhì)通常是以連續(xù)的方式隨溫度和壓力而變化，從類(lèi)似液體性質(zhì)到類(lèi)似氣體性質(zhì)(反之亦然)。然而，這些變化的程度可能相當(dāng)大，特別是在接近臨界點(diǎn)的壓力、溫度和組成區(qū)域，或在進(jìn)入(或脫離)超臨界區(qū)域的附近[27]。

在最小均方誤差原則下，利用給定的試驗(yàn)數(shù)據(jù){(x1,y1),,(xn,yn)}，未試驗(yàn)點(diǎn)x處仿真響應(yīng)的Kriging預(yù)測(cè)均值和預(yù)測(cè)方差可由下式給出：

圖1 超臨界狀態(tài)和臨界點(diǎn)純物質(zhì)(a)，恒溫二元混合物(b)，恒壓二元混合物(c)，恒溫恒壓三元混合物(d)Fig.1 Supercritical states and critical points pure substance(a)，binary mixture at constant temperature(b),binary mixture at constant pressure(c)and ternary mixture at constant temperature and pressure(d)

這種物理化學(xué)性質(zhì)可調(diào)行為是超臨界流體獲得廣泛應(yīng)用的主要原因。在超臨界流體中，ScCO2(Tc=304.15 K 和Pc=7.38 MPa)和含有大量ScCO2的混合物是最常用的超臨界流體。還有某些其他的超臨界流體，如乙醇、甲醇、異丙醇、丙酮、氨、碳?xì)浠衔?如乙烷、丙烷、異丁烷、乙烯、丙烯、戊烷、正己烷、環(huán)己烷)、含氯/氟碳?xì)浠衔?如二氯甲烷、二氟甲烷、三氟甲烷、氯二氟甲烷、五氟乙烷、1,1,1,2-四氟乙烷和1,1,1,3,3-六氟丙烷)和水。因?yàn)樗鼈兊呐R界條件不理想且穩(wěn)定性差，某些具有毒性和易燃性，對(duì)環(huán)境也有危害，這些液體僅在非常特別的情況下才使用[28-29]。

以ScCO2為基礎(chǔ)的液體密度及其對(duì)特定溶質(zhì)和共溶劑的溶劑化能力介于氣體和液體之間(分別為0.8～1.3 kg/m3和800～1200 kg/m3)，操作溫度和壓力的微小變化可以很容易地對(duì)其進(jìn)行改變和調(diào)整[30-31]。然而，ScCO2并不是能溶解所有物質(zhì)的溶劑。事實(shí)上，ScCO2是一種具有低介電常數(shù)的非極性溶劑，有利于氟碳化合物和碳?xì)浠衔锏娜芙?，不能溶解高濃度的?qiáng)極性物質(zhì)。但是，由于它具有構(gòu)建特定位置溶質(zhì)-溶劑的酸/堿、分散、誘導(dǎo)偶極和四極相互作用的能力，也可以溶解一些低極性物質(zhì)，但溶解程度較低。此外，由于其相對(duì)較低的分子量(44.01)，它只能溶解較小分子量的非極性和低極性物質(zhì)，例如在溶解聚合物以及蛋白質(zhì)或高分子量藥物(分子量通常超過(guò)500)時(shí)，溶解能力會(huì)比較差。除了改變操作溫度和壓力調(diào)節(jié)溶解度外，常用的增溶措施還可以采用添加少量的極性物質(zhì)(如丙酮、甲醇或乙醇等共溶劑)，或使用具有足夠分散能力的分散劑和表面活性劑，使得具有ScCO2的連續(xù)相生成CO2/水或油的微乳液[32-33]。另外，ScCO2基流體可能在某些有機(jī)液體/固體物質(zhì)(如有機(jī)溶劑、離子液體、脂類(lèi)、藥物和聚合物)中具有很大的溶解度，從而能夠作為萃取劑、液體膨脹劑、臨時(shí)增塑劑，以及溶脹、吹氣、發(fā)泡和霧化劑，在一些實(shí)際應(yīng)用中(如萃取、分離、浸漬)發(fā)泡、混合、擠出和造粒[34-37]。

3 超臨界流體制備聚合物納米微粒技術(shù)

目前有大量基于ScCO2制備聚合物納米微粒的方法，這些方法大多數(shù)還處在實(shí)驗(yàn)室研究階段。這些方法按照ScCO2所起到的作用可以分為三類(lèi)：(1)作為溶劑，單獨(dú)或與共溶劑一起，溶解藥物、溶劑、共溶劑、表面活性劑/穩(wěn)定劑、輔料或特定工藝體系所需的其他添加劑；(2)作為抗溶劑或共抗溶劑，先將溶質(zhì)溶解在溶劑(有機(jī)物或水)中，制備聚合物或藥物粒子、聚合物載藥粒子或與特定體系所需的其他添加劑共沉淀；(3)作為添加劑，即高流動(dòng)性溶質(zhì)、共溶質(zhì)或共溶劑，使得固體、熔體、液體在液體溶液/乳劑/懸浮液中溶解時(shí)產(chǎn)生高的飽和度、低的熔點(diǎn)和大的體積膨脹率，以及在降至大氣壓過(guò)程中促進(jìn)其體積膨脹和冷卻效應(yīng)。常用的制粒方法包括：超臨界溶液快速膨脹(RESS)，超臨界流體氣體抗溶劑法(GAS)，氣溶膠溶劑萃取系統(tǒng)(ASES)，超臨界抗溶劑沉淀(SAS)，溶液增強(qiáng)固體分散(SEDS)，霧化和抗溶劑結(jié)晶(AAS)，超臨界流體乳液萃取(SFEE)，氣體飽和溶液沉淀(PGSS)，超臨界CO2輔助霧化(SAA)和超臨界增強(qiáng)抗溶劑(SEA)。以下對(duì)幾種典型的方法及其進(jìn)展情況進(jìn)行介紹。

3.1 超臨界溶液快速膨脹

超臨界溶液快速膨脹(RESS)屬于第一類(lèi)方法，ScCO2用作溶劑，溶解聚合物和藥物，制備聚合物/藥物納米微粒，該方法最初是由Smith等[38-39]在20世紀(jì)80 年代開(kāi)發(fā)的。最初的研究主要集中在無(wú)機(jī)物質(zhì)和聚合物，且重點(diǎn)是研究粒子形成的基本原理和機(jī)制，以及藥物、激素、抗氧化劑、聚合物和蛋白質(zhì)等具有生物活性的物質(zhì)[40-41]。

RESS 過(guò)程基于ScCO2流體在一定程度上溶解溶質(zhì)的能力，通常是在飽和或接近飽和的條件下，通過(guò)控制過(guò)程溫度和壓力，調(diào)節(jié)流體密度，以獲得對(duì)溶質(zhì)一定的溶解能力。在溶解以后，均相混合物通過(guò)噴嘴進(jìn)行快速地減壓膨脹(通常降為常壓)，這會(huì)導(dǎo)致溶質(zhì)過(guò)飽和而均勻析出，并快速沉淀而得到固體粉末。圖2給出了RESS過(guò)程的示意圖[42]。

圖2 RESS過(guò)程的示意圖[42]Fig.2 Schematic diagram of RESS process[42]

在混合操作時(shí)，可以通過(guò)將ScCO2注入到含有要溶解溶質(zhì)的飽和容器中，根據(jù)預(yù)先確定的條件調(diào)整操作壓力和溫度得到溶有溶質(zhì)的ScCO2均相溶液。通過(guò)使用特定的共溶劑和/或表面活性劑/穩(wěn)定劑、玻璃/不銹鋼珠(改善流體流動(dòng)和緩沖湍流流動(dòng))或超聲波可提高溶解效率。然后，這種飽和(或接近飽和)的混合溶液由飽和容器流向沉淀器，通過(guò)毛細(xì)管?chē)娮煸诔恋砥髦袦p壓膨脹，固體粒子在沉淀器底部沉淀，沉淀器底部安裝有微孔燒結(jié)板，ScCO2和共溶劑通過(guò)微孔燒結(jié)板排出。根據(jù)待加工溶質(zhì)的含量，可以進(jìn)行多次萃取/溶解循環(huán)，提高其收率，過(guò)程結(jié)束后，在沉淀器底部收集固體微粒。

RESS 制粒過(guò)程在很大程度上取決于溶質(zhì)與ScCO2混合物的相行為，其涉及到物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)(如界面張力)，以及固體顆粒成核和生長(zhǎng)的具體機(jī)制。圖3 示出了RESS 過(guò)程中溶解度行為和膨脹路徑的示意圖[43]。

固體溶質(zhì)在預(yù)定溫度(T)時(shí)溶解在ScCO2(或以ScCO2為基礎(chǔ)的混合流體)中，溶質(zhì)在超臨界流體相的平衡(飽和)溶解度(y2，溶質(zhì)摩爾分?jǐn)?shù))是與流體相(ρ1)的密度有關(guān)，在一定溫度時(shí)，ρ1取決于壓力的大小。飽和度(S)是根據(jù)Debenedetti[44]定義的。當(dāng)通過(guò)加熱的噴嘴進(jìn)行快速減壓膨脹時(shí)，流體相從一個(gè)均勻的高密度區(qū)，溶解的溶質(zhì)量低于飽和量(S＜1)，變換為流體相的密度急劇降低，快速穿越飽和線(S=1)，并達(dá)到高度過(guò)飽和狀態(tài)(S?1)。膨脹過(guò)程中，以聲速傳播的快速機(jī)械擾動(dòng)(常在10-6～10-4s 的時(shí)間尺度內(nèi))，在流體相迅速產(chǎn)生均勻過(guò)飽和狀態(tài)，使得溶質(zhì)均勻快速析出為細(xì)小的微粒。

圖3 RESS過(guò)程中溶解度行為和膨脹路徑[43]Fig.3 Solubility behavior and expansion path in RESS process[43]

在RESS 過(guò)程中，有許多因素影響其進(jìn)程，例如萃取/溶解特性、溶質(zhì)濃度、流體流速和停留時(shí)間、預(yù)膨脹溫度/壓力，以及沉淀室尺寸和噴嘴直徑等[47]。在ScCO2基流體中，預(yù)膨脹溶質(zhì)濃度越低獲得的顆粒粒徑會(huì)越小，而提高預(yù)膨脹的溫度會(huì)導(dǎo)致形成較大的顆粒，但這一規(guī)律還需考慮溶質(zhì)的熔化溫度，當(dāng)預(yù)膨脹溫度低于溶質(zhì)的熔化溫度時(shí)，通常獲得較小的顆粒，在高于這個(gè)值的情況下，通常形成較大的顆粒。在不同的壓力和溫度下，準(zhǔn)確掌握所有相關(guān)物質(zhì)的熔化溫度、相互溶解度和相平衡關(guān)系，對(duì)于RESS 過(guò)程的結(jié)果是非常重要的。在恒定溫度下，增加預(yù)膨脹壓力，通常產(chǎn)生較小的顆粒。這是因?yàn)檩^高的壓力將在降壓過(guò)程中產(chǎn)生較高的流速，較短的停留時(shí)間，因此粒子生長(zhǎng)時(shí)間短[43]。預(yù)膨脹溫度是控制顆粒尺寸的另一個(gè)重要因素，膨脹后較低的溫度通常有利于生成較小的顆粒[48]。RESS 工藝的另一個(gè)關(guān)鍵因素是沉淀室和噴嘴的設(shè)計(jì)，即膨脹條件的變化，這與過(guò)程流體力學(xué)(即水動(dòng)力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué))以及發(fā)生降壓/膨脹路徑的時(shí)間尺度有關(guān)。RESS噴嘴通常是毛細(xì)型的二維噴嘴，其初始入口直徑常為100～1200 μm，毛細(xì)管和出口區(qū)域直徑為2～50 μm，內(nèi)部具有不同直徑的區(qū)域，由于用于高壓和高速環(huán)境，具有較大的摩損，很容易損壞[49]。噴嘴應(yīng)保持在預(yù)設(shè)的溫度(預(yù)膨脹溫度)下運(yùn)行，以防止溶質(zhì)在噴嘴中提前沉淀[45]。噴管膨脹的過(guò)程，大多涉及相平衡與動(dòng)量、質(zhì)量和能量守恒關(guān)系。當(dāng)沉淀室尺寸和噴嘴直徑改變時(shí)，會(huì)影響產(chǎn)品的收率、粒度和形貌[50]。

3.2 超臨界抗溶劑沉淀

基于ScCO2制備聚合物/藥物納米粒子最常用的方法是超臨界抗溶劑方法(SAS)，這里ScCO2作為抗溶劑。ScCO2的抗溶劑效應(yīng)為誘導(dǎo)和控制聚合物/藥物在納米范圍內(nèi)以非晶態(tài)或晶態(tài)超細(xì)粒子的沉淀提供了獨(dú)特的機(jī)制。超臨界抗溶劑法引起的奇異高過(guò)飽和度和快速過(guò)飽和度也促使了新的多態(tài)的產(chǎn)生，這可能是其他ScCO2制粒技術(shù)難以獲得的，甚至是不可能得到的。抗溶劑-溶質(zhì)混合物臨界點(diǎn)在三元相圖中的位置對(duì)最終顆粒的尺寸和形狀有很大的影響，因?yàn)樗淖兞肆Ｗ拥男纬蓹C(jī)制和不同的微粉化途徑[51]。

SAS 方法的標(biāo)準(zhǔn)操作模式是擴(kuò)展方法(SASEM、ELAS、AAS 等)的基礎(chǔ)，包括：(1) 使用超聲振蕩通過(guò)噴嘴將聚合物藥物溶液噴灑到高壓室(SASEM)[52]；(2)ScCO2與共溶劑一起注入溶液液滴(ELAS)，加速原溶劑進(jìn)入超臨界流體相，析出溶質(zhì)[53]；(3) 在沉淀室內(nèi)，聚合物/藥物粒子成核、生長(zhǎng)和沉淀，在沉淀室底部收集沉淀的粒子；(4)溶劑和ScCO2在噴嘴前混合后連續(xù)從噴嘴處噴射出來(lái)(AAS)[54]。SAS 方法中使用的典型溶劑通常是公認(rèn)安全溶劑(generally recognized as safe，GRAS)和/或 屬 于Q3C(雜質(zhì)：殘留溶劑指南)中的3 和2 類(lèi)溶劑(乙醇、甲醇、丙酮、二甲基亞砜、四氫呋喃和二氯甲烷)[55-56]。Duta Lestari 等[57]采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)包封姜黃(C.mangga)提取物活性物質(zhì)，生物聚合物包封生物活性化合物的微粒化通過(guò)保護(hù)生物活性化合物不被快速降解、提高溶出速率和控制體內(nèi)釋放而改善藥物的穩(wěn)定性和藥物的釋放性能。PVP由于其在水和各種有機(jī)溶劑中的溶解性好，能與藥物形成良好的復(fù)合物，是一種優(yōu)良的用于制備藥物微膠囊的載體材料，其制備過(guò)程如圖4所示。ScCO2與姜黃素溶液在沉淀管中接觸60 min，原溶劑進(jìn)入到ScCO2相中，使其溶解度下降，溶質(zhì)析出，制備得到粒徑為110～210 nm 的納米粒。PVP 的加入促進(jìn)了聚合物羰基與酚類(lèi)化合物羥基之間氫鍵的形成，通過(guò)形成分子配合物可減少藥物分子的結(jié)晶性，從而提高疏水性藥物的溶解度和生物利用度[58]。

De Marco 等[59]報(bào)道了幾種有機(jī)溶劑與ScCO2在使用SAS 過(guò)程中的混合行為，并指出不同的混合特性對(duì)沉淀過(guò)程中產(chǎn)生的顆粒形貌有很大的影響。討論了影響SAS 沉淀效率的三個(gè)基本過(guò)程：(1)ScCO2注入溶液的流體力學(xué)；(2)溶質(zhì)、溶劑和抗溶劑(ScCO2)之間的高壓汽相平衡；(3)從溶液到ScCO2和從ScCO2到溶液的傳質(zhì)。指出在溶劑-抗溶劑混合物接近臨界點(diǎn)時(shí)，界面張力降低到零，兩相和一相混合之間沒(méi)有過(guò)渡區(qū)，這意味著在SAS 過(guò)程中沒(méi)有形成液滴，因此不會(huì)出現(xiàn)球形微粒的析出。Cuadra等[60]采用SAS 過(guò)程，以二甲基亞砜為溶劑，通過(guò)調(diào)節(jié)溫度和壓力條件，制備得到了平均粒徑220～670 nm的五氟尿嘧啶(5-Fu)微粒，使用二甲基亞砜和二氯甲烷混合溶劑，制備了聚乳酸包覆5-Fu(平均粒徑10～100 μm)的球形復(fù)合微粒。復(fù)合微粒的藥物釋放性能明顯優(yōu)于純藥物微粒，復(fù)合微?？捎糜诰徔蒯屗幬镞f送系統(tǒng)。

3.3 超臨界CO2輔助霧化法

用ScCO2流體制備聚合物/藥物納米顆粒的第三種類(lèi)型是將ScCO2流體用作添加劑，即作為高流動(dòng)性溶質(zhì)、共溶質(zhì)或共溶劑。超臨界CO2輔助霧化(SAA)過(guò)程就是ScCO2流體制粒的第三種類(lèi)型，如圖5 所示[61]。通過(guò)設(shè)計(jì)飽和器(填料塔)提供足夠的接觸面和停留時(shí)間，使得水溶液和ScCO2流體能夠充分混合達(dá)到飽和狀態(tài)，提高了ScCO2與水溶液的混合效率，使其產(chǎn)生更有效的霧化效果，從飽和水滴釋放的ScCO2會(huì)產(chǎn)生一種二次霧化現(xiàn)象，也被稱為“氣泡霧化”。SAA 方法主要用于微粒化和粒度控制，某些聚合物/藥物已通過(guò)SAA 方法進(jìn)行處理，微粒尺寸在0.1～3.0 μm之間。

圖4 SAS法聚乙烯吡咯烷酮(PVP)包封姜黃素[57]Fig.4 Polyvinylpyrrolidone(PVP)coated curcumin using SAS process[57]

圖5 SAA過(guò)程示意圖[61]Fig.5 Schematic diagram of SAA process[61]

Di Capua 等[62]采用超臨界輔助霧化法(SAA)，進(jìn)行了聚乙烯吡咯烷酮(PVP)包覆β-胡蘿卜素(BC)共沉淀的實(shí)驗(yàn)研究，得到了直徑在0.42～0.84 μm 范圍內(nèi)的非晶態(tài)球形納米粒，提高了BC 的生物利用度，并為其抗氧化提供了保護(hù)。對(duì)比了乙醇和丙酮/乙醇混合物兩種溶劑對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，分析顯示，BC 的包封率高達(dá)94%，清除活性高，確認(rèn)PVP 能夠保護(hù)其免受降解。由于共沉淀制備的微粒是非晶態(tài)的，在磷酸鹽緩沖鹽溶液(PBS)中BC/PVP 微粒溶解速率是普通物理混合物的22 倍。制備微粒的溶解速率不僅取決于BC/PVP 比率，而且還取決于使用的溶劑/溶劑混合物?？赡艿慕忉屖荢AA 微粒由液滴形成，隨后通過(guò)溶劑蒸發(fā)形成微粒，不同的溶劑/溶劑混合物會(huì)具有不同的表面張力(液滴直徑)、溶劑蒸發(fā)速率(丙酮比乙醇更具揮發(fā)性)和溶劑在ScCO2中的溶解度，這些特征可以使顆粒在形成過(guò)程中，具有不同的內(nèi)部組織，這會(huì)使微粒產(chǎn)生不同的釋放速率。

Peng 等[63]通過(guò)使用水動(dòng)力空化混合器(SAAHCM)，強(qiáng)化了SAA 過(guò)程，制備了含化療藥物阿霉素鹽酸鹽(DOX)的殼聚糖pH 敏納米微粒。研究了溶液濃度、CO2/溶液比、混合器壓力、殼聚糖/DOX 比、殼聚糖分子量等因素對(duì)顆粒形貌和粒徑的影響，得到了平均粒徑為120～250 nm 的球形納米粒子，載藥率高達(dá)90%。體外細(xì)胞毒性分析表明，負(fù)載殼聚糖納米粒后DOX 的活性保持良好，SAA-HCM 法是一種適合于從水溶液中一步法制備腫瘤藥物納米粒的新方法。同樣，也可以使用靜態(tài)混合器，如采用超臨界CO2輔助噴霧干燥(SASD)方法制備了殼聚糖包覆功能化納米金的納米制劑，含有生物相容的寡糖(2-唑啉)和層黏連蛋白肽(YIGSR)的熒光涂層，用于靶向肺癌的診斷和治療[64]。

通過(guò)選擇不同的溶劑，可以調(diào)整藥物給藥的納米顆粒尺寸。使用SAA 過(guò)程制備尺寸可控的四環(huán)素和利福平藥物遞送微粒，通過(guò)選擇溶劑類(lèi)型(水和甲醇)和溶質(zhì)濃度，兩種藥物均獲得粒徑為0.5～3 μm 的球形顆粒，且藥物粉末是無(wú)定形狀態(tài)，當(dāng)選用水為溶劑時(shí)，獲得顆粒粒徑較大，用甲醇作溶劑時(shí)，可以得到較小粒徑的顆粒。這些差異主要取決于溶劑在液滴上的表面張力和黏度。雖然水和甲醇的黏度近似相同，但水的表面張力是甲醇的三倍多，表明SAA 過(guò)程中溶劑的選擇是控制粒徑的關(guān)鍵因素[65]。

SAA 過(guò)程可用于制備功能性復(fù)合微粒，由葡聚糖(DEX)、木犀草素(LUT)和異硫氰酸熒光素(FITC)生成平均粒徑在350 nm 以下的納米微粒，DEX 包覆的熒光材料FITC 其包封率達(dá)80%。SAA 工藝不影響DEX 與FITC 的化學(xué)結(jié)合。在藥物/聚合物配比為1/6 時(shí)，與物理混合物相比，LUT 溶出率提高了18 倍。SAA 過(guò)程制備的載藥熒光納米微粒在細(xì)胞、藥物傳遞和成像載體方面具有良好的發(fā)展前景[66]。

3.4 超臨界流體乳液萃取

圖6 SFEE工藝過(guò)程的示意圖[67]Fig.6 Schematic diagram of SFEE process[67]

超臨界流體乳液萃取(SFEE)技術(shù)是在超臨界流體抗溶劑基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種微粒制備工藝技術(shù)。首先聚合物與藥物混合制備成穩(wěn)定的乳狀液，SFEE 過(guò)程是將乳液與ScCO2混合，乳液中的有機(jī)溶劑會(huì)迅速進(jìn)入到ScCO2相，由于過(guò)程中ScCO2與乳液充分接觸，使得二者易于達(dá)到平衡狀態(tài)，溶解在聚合物中的有機(jī)溶劑相進(jìn)入到二氧化碳中，聚合物包覆藥物過(guò)飽和析出形成納米顆粒，由于乳化液中聚合物相分散為細(xì)小而粒徑均勻液滴，故析出成為粒徑均勻的納米顆粒，其工藝過(guò)程如圖6 所示[67]。這種方法是將乳液技術(shù)與超臨界反溶劑(SAS)沉淀技術(shù)相結(jié)合，具有臨界點(diǎn)適中、無(wú)毒、環(huán)境安全等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)這種組合，可以依據(jù)初始乳化液液滴的大小來(lái)控制納米微粒的大小，并且利用SFEE 過(guò)程，制備了聚合物包覆天然化合物的納米粒子，得到了液滴和顆粒大小分布之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。該技術(shù)還可以縮短溶劑去除和聚合物沉淀的時(shí)間。以二氯甲烷為溶劑，從O/W 乳液中制備β-胡蘿卜素懸浮粒子，紅辣椒中含有辣椒素的顆粒，改性淀粉中包覆的類(lèi)胡蘿卜素(番茄紅素和β-胡蘿卜素)，用作抗氧化劑和染料，以及其他具有醫(yī)藥用途的化合物[68]。

顆粒形貌取決于乳狀液的特性，ScCO2與乳液的混合比例，在SFEE 裝置中的停留之間以及過(guò)程的操作條件，過(guò)程中的相行為被認(rèn)為是影響顆粒形貌的關(guān)鍵因素，其影響可以通過(guò)改變過(guò)程參數(shù)(如乳狀液配制條件、SFEE過(guò)程條件、聚合物溶劑種類(lèi)、溶質(zhì)濃度和溶液與抗溶劑的流量比)進(jìn)行調(diào)節(jié)。SFEE過(guò)程有三個(gè)主要特點(diǎn)：(1)乳液與抗溶劑同時(shí)進(jìn)入混合器；(2)顆粒形成情況與原溶劑與抗溶劑的比例有關(guān)，有一個(gè)適宜的溶劑比；(3)原溶劑在混合器中向抗溶劑中擴(kuò)散，聚合物飽和析出，混合器為顆粒形成提供了均勻和連續(xù)的流場(chǎng)條件[69]。

Guamán-Balcázar 等[70]采用超臨界反溶劑乳液萃取法制備了芒果葉/PVP 抗氧劑亞微米粒子，在不同的壓力(12～18 MPa)、溫度(35～65℃)和質(zhì)量比(1/3～1/9)的條件下，獲得了在0.11～0.59 μm 范圍內(nèi)的球形顆粒；Páulia 等[71]采用SFEE 技術(shù)，由淀粉封裝月桂葉精油，考察精油濃度和超聲時(shí)間對(duì)降低乳化液滴水動(dòng)力尺寸(DG)的影響，以提高SFEE 的包封效率。乳化液中揮發(fā)油濃度為6～12 mg/ml，超聲時(shí)間為2～6 min 時(shí)，可獲得穩(wěn)定的微乳液，制備的微粒包封率可達(dá)75.5%。SFEE 是一種改進(jìn)的SAS 工藝，在用于包封水溶性差的藥物方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。SCF 與乳液液滴相互作用，萃取有機(jī)溶劑/油相，可以導(dǎo)致微?？焖俪恋怼?/p>

隨著從使用基于ScCO2的液體作為溶劑，轉(zhuǎn)向抗溶劑和抗溶劑添加劑，相對(duì)所需的CO2用量和設(shè)備尺寸會(huì)逐漸減少，技術(shù)水平不斷提高。ScCO2作為溶劑：可半連續(xù)制備高純度微粒，加工溫度較溫和，可減少使用有機(jī)共溶劑/表面活性劑，無(wú)須長(zhǎng)時(shí)間的干燥就能容易地回收和再利用二氧化碳。但藥物/輔料/其他物質(zhì)必須溶于CO2，在CO2中的溶解度要相對(duì)較大，得到的微粒粒徑分布較寬，容易發(fā)生噴霧毛細(xì)管/噴嘴堵塞，通常產(chǎn)率較低，設(shè)備體積大，對(duì)二氧化碳的需求量大，投資和加工成本相對(duì)較高。ScCO2作為抗溶劑：可以在較溫和的溫度下得到納米粒子，CO2可以回收，并可重復(fù)使用，可以連續(xù)操作得到較窄的粒徑分布。顆粒的尺寸可以從納米到微米不等?？梢酝ㄟ^(guò)工藝變量來(lái)控制得到所需微粒的形態(tài)(形狀、粒度和粒度分布)，可用于聚合物/藥物制粒，產(chǎn)率高，與傳統(tǒng)溶液制粒的工藝相比，減少了有機(jī)溶劑的使用，超臨界流體可以快速去除有機(jī)溶劑而無(wú)須后續(xù)的干燥步驟，降低了生產(chǎn)成本，能源效率高。SFEE結(jié)合了傳統(tǒng)乳化液技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)(如控制粒度和表面性能)和ScCO2萃取工藝的優(yōu)點(diǎn)(產(chǎn)品純度高，加工時(shí)間短)，也提高了封裝效率，而且?guī)缀鯖](méi)有殘留溶劑，是一種有前途的制粒方法。ScCO2作為添加劑：可以在較溫和的溫度下得到高純度的非晶和晶體/共晶無(wú)溶劑納米粒子，可減少使用有機(jī)共溶劑/表面活性劑，無(wú)須長(zhǎng)時(shí)間的干燥就能容易地回收和再利用二氧化碳，可以得到不溶于ScCO2(如聚合物)的溶質(zhì)微粒，不需要高壓和大體積的沉淀室，SAA 可提高噴霧干燥的效率，并可較好控制粒徑及粒徑分布，提高包封/共沉淀效率，降低膨脹液的表面張力，調(diào)整溶劑和抗溶劑的配比，可得到超細(xì)納米顆粒，其工藝可用于制藥和蛋白質(zhì)等多種用途的批量或連續(xù)工藝，產(chǎn)率高，具有一定的經(jīng)濟(jì)可行性。但粒度和形狀控制需要一定的操作技術(shù)，某些工藝可能需要更高的加工溫度，混合比不適宜會(huì)發(fā)生噴霧毛細(xì)管/噴嘴的堵塞。

4 結(jié)論與展望

癌癥是當(dāng)今世界嚴(yán)重的人類(lèi)健康問(wèn)題之一。因此，全球科學(xué)界正在努力開(kāi)發(fā)新的藥物遞送系統(tǒng)有針對(duì)性地治療這種疾病，減小給病人帶來(lái)副作用。在這方面，超臨界流體技術(shù)具有突出的優(yōu)勢(shì)，這些技術(shù)可以用于任何載體/藥物的微粉化，以及提取活性物質(zhì)。雖然這些技術(shù)還沒(méi)有大范圍用于臨床治療癌癥，但與傳統(tǒng)制劑相比，具有廣泛的優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過(guò)多年的研究，超臨界流體技術(shù)的種類(lèi)有多種多樣，通過(guò)選擇不同的工藝，就可以加工出不同的親水和疏水材料，從低分子量到大分子量，以及加工和獲得不同類(lèi)型的非晶/晶態(tài)的微納米粒子；通過(guò)調(diào)整超臨界流體的工藝參數(shù)，可以優(yōu)化和控制最終產(chǎn)品顆粒大小、粒度分布、形貌和結(jié)晶度；還可以加工和獲得共沉淀藥物和其他活性組分的納米顆粒制劑；在沒(méi)有有機(jī)溶劑殘留的情況下，能夠制備綠色的形態(tài)可控的載藥納米微粒，同時(shí)可以保證一定的藥物封裝率和藥物溶出率；還可以根據(jù)所需的藥物和治療的需求，選用適宜的載體和制備工藝得到納微米藥物制劑。然而，為了制備更高質(zhì)量的納米微粒，并加快其臨床應(yīng)用，超臨界流體技術(shù)還需進(jìn)行一些深入的研究。加強(qiáng)這種給藥系統(tǒng)在體外和體內(nèi)的研究和微粒的細(xì)胞毒性試驗(yàn)，用于評(píng)估和闡明其治療癌癥的潛力；加強(qiáng)藥物載體的功能化研究，以獲得更加完善的給藥系統(tǒng)，增強(qiáng)藥物傳遞系統(tǒng)的靶向性和有效性；制粒過(guò)程如何經(jīng)濟(jì)有效地捕獲和收集納米粒子目前也存在一些問(wèn)題，當(dāng)納米粒子在高速氣體中非常分散時(shí)，這一點(diǎn)尤其具有挑戰(zhàn)性。理論研究還需加強(qiáng)，該過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的流體流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)過(guò)程，還缺乏基本的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，缺乏可靠的模型來(lái)描述和預(yù)測(cè)所有涉及的復(fù)雜多組分高壓相平衡、熱物理性質(zhì)、流體和噴霧動(dòng)力學(xué)、傳質(zhì)和成核/生長(zhǎng)過(guò)程，這將影響和限制操作變量的選取，優(yōu)化和控制最終產(chǎn)品的質(zhì)量，即粒度、粒度分布和結(jié)晶度。因此還需做好長(zhǎng)期艱苦細(xì)致的工作，使超臨界流體制粒技術(shù)日趨完善。