載藥明膠微球劑的制備及應(yīng)用研究進(jìn)展

張奇珍, 尹明明, 余曼麗, 陳福良

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植物保護(hù)研究所，北京 100193)

0 引言

傳統(tǒng)劑型農(nóng)藥存在持效期短、有效利用率低以及因過(guò)量使用或重復(fù)使用而引發(fā)一系列環(huán)境污染及對(duì)非靶標(biāo)生物危害等問(wèn)題[1]，由此推動(dòng)了微囊劑(microcapsules)[2]、微球劑(microspheres)[3]、緩釋顆粒劑(granules)[4]等農(nóng)藥緩控劑型的研發(fā)，其中微球劑具有靶向給藥、控制釋放、抵抗環(huán)境因素 (紫外線、水分、微生物、酶等) 干擾、減少環(huán)境污染等特點(diǎn)[5]。微球劑的研究始于美國(guó)，于1985年首次報(bào)道[6]，此后陸續(xù)研究開(kāi)發(fā)了部分農(nóng)藥微球劑[7-8]。微球劑過(guò)去統(tǒng)稱為微囊劑，隨著科技的進(jìn)步及電鏡掃描技術(shù)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)微球劑與微囊劑之間有明顯區(qū)別。《中國(guó)藥典》對(duì)微球劑的定義為活性成分溶解或均勻分散在輔料中形成的微小球狀實(shí)體 (一般規(guī)定其粒徑范圍為1～250 μm)，而微囊劑定義為固態(tài)或液態(tài)活性成分被輔料包封而形成的微小膠囊[9]。國(guó)際純化學(xué)與應(yīng)用聯(lián)合會(huì)(IUPAC) 及《中國(guó)藥典》(2010年版) 已把微球劑從微囊劑中區(qū)分開(kāi)來(lái)，單獨(dú)歸為一種新的劑型—微球劑[9]。美國(guó)食品藥品安全管理局 (FDA) 已批準(zhǔn)上市了多個(gè)醫(yī)藥微球劑品種[10-11]。相比于國(guó)外，中國(guó)對(duì)微球劑的研究起步較晚，研究較淺。雖然微球劑在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用已成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)[12-13]，但在農(nóng)藥領(lǐng)域仍處于探索階段。

調(diào)控微球劑中藥劑的釋放最重要的因素在于載體材料的選擇和制備工藝的優(yōu)化。明膠 (gelatin)是由18種氨基酸與多肽交聯(lián)形成的直鏈聚合物(圖式1) ，無(wú)毒、無(wú)抗原性，是目前應(yīng)用較多且具有緩釋作用的一種天然高分子載體材料[14]。以明膠為載體的載藥體系已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥微球劑的制備，不僅提高了藥物的穩(wěn)定性，而且通過(guò)緩釋作用，提高了藥物療效，降低了毒副作用[15-16]，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)于明膠微球劑在醫(yī)藥領(lǐng)域的研究進(jìn)展前人已進(jìn)行過(guò)相關(guān)綜述[17]，其中對(duì)明膠-醫(yī)藥微球劑的性質(zhì)及制備方法進(jìn)行了概述，重點(diǎn)論述了乳化法制備時(shí)乳液的形成機(jī)理等，目前尚未見(jiàn)以明膠為載體或明膠與其他材料一起形成的復(fù)合材料為載體的農(nóng)藥微球劑的制備及應(yīng)用的相關(guān)綜述。鑒于此，本文介紹了明膠微球劑的制備方法，論述了近年來(lái)在農(nóng)藥、醫(yī)藥等領(lǐng)域明膠微球劑及其復(fù)合載體微球劑的研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用，旨在為利用明膠微球劑作為農(nóng)藥緩釋劑進(jìn)行綠色防控提供新思路，以期促進(jìn)明膠微球劑在農(nóng)藥領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。

1 明膠微球劑的制備方法

明膠微球劑的制備主要有噴霧干燥法、乳化-溶劑揮發(fā)法、交聯(lián)法和相分離法等。實(shí)際制備過(guò)程中，根據(jù)所包埋藥物的性質(zhì)，如化學(xué)結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性等，選擇匹配的制備方法以達(dá)到良好效果(表1) 。

表1 藥劑性質(zhì)與明膠微球劑制備方法的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 1 Correspondence between the properties of the compound and the preparation method of gelatin microspheres

1.1 噴霧干燥法

噴霧干燥法 (spray-drying method) 是最易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的微球劑制備方法，其原理是通過(guò)霧化器將所制備的溶液或乳狀液分散成極小的液滴 (粒徑一般小于50 μm) ，通過(guò)壓縮機(jī)產(chǎn)生的熱空氣使液滴迅速干燥，將粉末與水蒸氣分離，最后收集粉末即得微球劑 (分散成很細(xì)的微粒)[24]。在不同的制備條件下 (料液組成、載體濃度、交聯(lián)劑濃度、交聯(lián)時(shí)間、蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速及進(jìn)風(fēng)溫度等) ，微球劑的粒徑、形貌和載藥量等也不同。陳福良等[3]采用噴霧干燥法制備了呋蟲(chóng)胺 (dinotefuran) 明膠微球劑 (圖1) ，為中空微球劑，載藥量為20%，包埋率達(dá)98%，粒徑 (D50) 為12 μm。

Tran等[29]利用噴霧干燥法制備了更昔洛韋(ganciclovir，GCV) 明膠微球劑，并對(duì)制備參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明，通過(guò)調(diào)節(jié)交聯(lián)時(shí)間 (0～60 min)、交聯(lián)濃度及明膠/GCV的比例，構(gòu)建出粒徑可控 (5～10 μm) 且高負(fù)載 (載藥量68%) 的微球劑，其釋放動(dòng)力學(xué)與明膠/GCV比之間存在線性關(guān)系，呈現(xiàn)出不同的釋放性能，實(shí)現(xiàn)了藥物釋放的可控性。

與其他方法相比，噴霧干燥法具有有效成分利用率高、制備過(guò)程簡(jiǎn)單、成球速度快、生產(chǎn)效率高和適合規(guī)模放大等優(yōu)勢(shì)，對(duì)親水性及疏水性化合物均適用[18]，宜于連續(xù)化工業(yè)生產(chǎn)。通過(guò)調(diào)節(jié)壓力、蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速及噴嘴口直徑等，實(shí)現(xiàn)粒徑可控。但制備過(guò)程中需要較高溫度 (>100 ℃) ，而在此條件下明膠很容易水解變性，進(jìn)而影響微球劑的機(jī)械強(qiáng)度，即不適宜對(duì)溫度敏感型化合物 (熱敏型物料) 進(jìn)行包埋[30]。

1.2 乳化溶劑揮發(fā)法

乳化-溶劑揮發(fā)法 (emulsion solvent evaporation method) 是制備微球劑常用的方法之一。根據(jù)分散相與連續(xù)相的不同，可分為單乳法和復(fù)乳法 ，其中聚合物載體、有效成分、乳化劑、水相組成、液滴分散方式和溶劑揮發(fā)速率等都會(huì)對(duì)微球劑的性能產(chǎn)生影響[5]。

1.2.1 單乳化-溶劑揮發(fā)法 單乳化-溶劑揮發(fā)法(single emulsion solvent evaporation method) ，根據(jù)制備過(guò)程中的乳液類型體系可分為水包油(O/W)型和油包油(O/O)型乳化-溶劑揮發(fā)法。O/W型乳化-溶劑揮發(fā)法是將有效成分和載體溶解在有機(jī)溶劑 (如丙酮或二氯甲烷) 中，并將其分散到含有乳化劑的水相中，通過(guò)機(jī)械攪拌或超聲分散成O/W型乳液，除去內(nèi)相溶劑后固化成球[31]。Huda等[32]采用O/W型乳化-溶劑揮發(fā)法制備了明膠-聚己內(nèi)酯微球劑，粒徑為5～20 μm，通過(guò)調(diào)整明膠與聚己內(nèi)酯的比例，構(gòu)建了不同的載藥體系。

單乳化-溶劑揮發(fā)法操作簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備要求不高，尤其適合于實(shí)驗(yàn)室等場(chǎng)所。其中，O/W型乳化-溶劑揮發(fā)法適用于包埋脂溶性化合物[33-34]，對(duì)于親水性化合物，由于在溶劑揮發(fā)過(guò)程中有效成分會(huì)逐漸擴(kuò)散進(jìn)入水相，導(dǎo)致有效成分流失，很難獲得較理想的包埋率[35]。對(duì)于水溶性有效成分微球劑的制備，O/O型乳化-溶劑揮發(fā)法則更為適合，但此法制備的微球劑干燥時(shí)間普遍較長(zhǎng)，且固化后的微球劑因外表面沾有油珠，需用有機(jī)溶劑 (如環(huán)己烷等) 清洗，存在部分安全隱患[26]。此外，O/O法制備的微球劑與O/W法相比，部分有聚集現(xiàn)象，微球劑中活性成分多以結(jié)晶形式存在，表面可能會(huì)出現(xiàn)裂隙等不規(guī)則形狀[24]。

1.2.2 復(fù)乳化-溶劑揮發(fā)法 復(fù)乳化-溶劑揮發(fā)法(double emulsion solvent evaporation method) 是在單乳化-溶劑揮發(fā)法的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的，包括O/W/O和W/O/W 兩種乳液體系。首先，制成O/W或W/O型初乳乳化體系；然后，將初乳乳化體系分散到水或揮發(fā)性溶劑中形成O/W/O或W/O/W型復(fù)乳乳化體系；之后以超聲、減壓、加熱等方法除去體系中的溶劑，固化干燥后制成微球劑[24]。

復(fù)乳化-溶劑揮發(fā)法是制備多肽蛋白類藥物微球劑最常用的方法。劉海峰等[36]采用復(fù)乳化-溶劑揮發(fā)法制備了5-氟尿嘧啶明膠-聚乳酸微球劑，以混合型乳化劑V(Tween-80) :V(Span-80) = 5 : 1作為初乳乳化體系，引入O-羧甲基殼聚糖作為復(fù)乳乳化體系，經(jīng)優(yōu)化乳化劑種類及用量、5-氟尿嘧啶濃度和聚乳酸分子質(zhì)量等參數(shù)，構(gòu)建出表面形貌規(guī)整且體外釋放性能良好的載藥微球劑。

該法可實(shí)現(xiàn)親水性及脂溶性化合物的包埋，且宜于包埋活性大分子化合物 (蛋白質(zhì)、多肽等)，但其制備參數(shù)較多，工藝比較復(fù)雜，放大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)較為困難[20-21]。

1.3 交聯(lián)法

交聯(lián)法 (crosslinking method) 是以有效成分與高分子材料的混合水溶液為水相，以含乳化劑的有機(jī)溶劑為油相，經(jīng)混合攪拌乳化后先形成穩(wěn)定的W/O型乳液，再采用加熱或者乳化交聯(lián)的方法使之固化，最終得到載藥微球劑。

1.3.1 乳化交聯(lián)法 應(yīng)用乳化交聯(lián)法 (emulsification crosslinking method) 制備微球劑時(shí)，其制備參數(shù)如藥劑濃度、攪拌轉(zhuǎn)速以及交聯(lián)劑用量等均可影響微球劑的粒徑及包埋率等，進(jìn)而影響藥劑的釋放速率。Yu等[37]采用乳化交聯(lián)法制備了對(duì)乙酰氨基酚明膠微球劑，分析了交聯(lián)劑用量、藥物含量和轉(zhuǎn)速對(duì)載藥量和包埋率的影響，以及藥物含量和轉(zhuǎn)速對(duì)微球劑粒徑的影響，構(gòu)建出載藥量高且粒徑合適的對(duì)乙酰氨基酚明膠微球劑，釋藥率可達(dá)60%～89%，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了藥物緩釋性。傳統(tǒng)的土壤調(diào)節(jié)劑可以調(diào)節(jié)過(guò)度使用或污染的土壤，但在使用中存在著效率低、難降解、對(duì)環(huán)境有害等問(wèn)題。Wu等[38]通過(guò)乳化交聯(lián)法構(gòu)建了磷酸銨鎂明膠-殼聚糖微球劑，可提高土壤保水性，是一種能夠沉淀游離重金屬離子、促進(jìn)作物生長(zhǎng)，且易被環(huán)境中的微生物降解的環(huán)保型土壤調(diào)節(jié)劑。

采用乳化交聯(lián)法制備親水性小分子微球劑操作簡(jiǎn)便[22-23]，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和工業(yè)化生產(chǎn)，可以將微球劑的粒徑控制在納米級(jí)范圍內(nèi)，有利于保持藥物完整結(jié)構(gòu)和生物活性的穩(wěn)定，但在制備過(guò)程中涉及到毒性較大的交聯(lián)劑，存在安全隱患[39]。

1.3.2 熱交聯(lián)法 熱交聯(lián)法 (thermal crosslinking method) 是將明膠水溶液加熱至50℃左右后倒入植物油中，在高溫下乳化一定時(shí)間后冷卻至40℃左右，經(jīng)離心、洗滌、干燥，得到未交聯(lián)的明膠微球劑；再將其加入到已預(yù)熱至180℃的植物油中，通過(guò)加熱交聯(lián)、過(guò)濾、洗滌、干燥制得[24]；或?qū)⑽唇宦?lián)的明膠微球劑置于預(yù)熱至180℃的烘箱中加熱交聯(lián)直接獲得[24]。吳姝雯等[40]采用熱交聯(lián)法制備了作為栓塞劑的明膠微球劑，粒徑為50～1 400 μm，溶脹率達(dá)150%～400%，表面光滑且分散性良好，通過(guò)正交試驗(yàn)證明，明膠濃度對(duì)微球劑的平均粒徑及溶脹率均具有響應(yīng)行為，但該方法制備時(shí)間過(guò)長(zhǎng) (超過(guò)1 d)，因此在實(shí)際開(kāi)發(fā)應(yīng)用中受限。

1.4 相分離法(凝聚法)

相分離過(guò)程 (phase separation method) 就是凝聚過(guò)程，故也稱為凝聚法，可分為單凝聚法和復(fù)凝聚法[41]。

1.4.1 單凝聚法 單凝聚法 (single coacervation method) 是指在有效成分與聚合物共存的有機(jī)溶液中，加入另一種能與溶解聚合物的溶劑任意混溶、但不能溶解有效成分和聚合物的有機(jī)溶劑，通過(guò)物理或化學(xué)等方法降低高分子聚合物的溶解度，最后凝聚、固化成球[24]。El-Samaligy等[42]將明膠-吐溫20混合溶液在pH值5.5～6.5條件下進(jìn)行反應(yīng)，經(jīng)過(guò)一系列處理后得到粒徑為180～300 nm(平均粒徑 (232 ± 58) nm) 的作為阿霉素和放線菌素D吸附劑的明膠微球劑，球體光滑且無(wú)聚集現(xiàn)象。但該方法制備的微球劑粒徑分布較寬，且操作繁瑣，不適合工業(yè)化生產(chǎn)，因而未得到大范圍推廣。

1.4.2 復(fù)凝聚法 復(fù)凝聚法 (complex coacervation method) 是指使用帶相反電荷的兩種高分子聚合物作為復(fù)合載體，將有效成分分散在復(fù)合載體中，在適當(dāng)條件下 (如改變pH值、溫度、濃度、電解質(zhì)等) ，使得帶相反電荷的高分子聚合物通過(guò)靜電作用形成絡(luò)合物，導(dǎo)致溶解度降低而凝聚成微球劑[24]。

常用的復(fù)合載體有明膠-阿拉伯膠、明膠-羧甲基纖維素和殼聚糖-阿拉伯膠等。楊愷等[43]采用明膠-阿拉伯膠制備了阿維菌素 (abamectin) 微球劑，平均粒徑約為5.64 μm，平均包埋率為64.48%。紫外光譜分析表明，阿維菌素在微球化前后性質(zhì)未發(fā)生變化；熱穩(wěn)定性試驗(yàn)表明，其可在4～50 ℃范圍內(nèi)保存，具有良好的穩(wěn)定性和實(shí)用價(jià)值。Basu等[44]以殼聚糖和明膠為復(fù)合載體，采用復(fù)凝聚法制備了鹽酸曲馬多微球劑，未使用戊二醛等化學(xué)交聯(lián)劑，利用靜電相互作用的可逆物理交聯(lián)來(lái)取代化學(xué)交聯(lián)，避免了化學(xué)交聯(lián)劑的毒副作用和其他不良影響，是一種理想的給藥體系。

綜上：相分離法適合用于制備親水性小分子化合物的微球劑，其包埋率可達(dá)90%以上，且釋藥效果良好，可滿足低溫操作要求，適宜包埋溫度敏感型化合物[25]；但因其精準(zhǔn)而嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)條件控制要求和成本偏高等因素，且操作較為繁瑣，難以工業(yè)化生產(chǎn)，限制了其應(yīng)用[25]。

1.5 其他方法

除上述制備方法外，還可通過(guò)其他一些制備方法，如噴霧交聯(lián)法[45-46]、冷凍干燥法[47]、反相懸浮交聯(lián)法[48]、反乳液交聯(lián)法[49-50]等得到粒徑可控、表面光滑的明膠微球劑。在實(shí)際的研究和應(yīng)用中，可以根據(jù)藥劑性質(zhì)、施藥對(duì)象、施用部位等因素，調(diào)節(jié)微球劑所需的粒徑尺寸、載藥量、包埋率以及緩釋度、緩釋時(shí)間等，從而選用合適匹配的制備方法。

2 明膠復(fù)合微球劑

明膠兼具蛋白質(zhì)和高分子材料的雙重特性，由于其結(jié)構(gòu)中含有不同種類的活性官能團(tuán)，使其具備多種交聯(lián)及改性的可能，其與殼聚糖、海藻酸鈉等材料構(gòu)建的復(fù)合載體微球劑可以有效改善單一明膠微球劑熱穩(wěn)定性較差及在藥物緩釋等方面的缺陷，采用復(fù)合載體制備的微球劑可延長(zhǎng)藥劑釋放時(shí)間。

2.1 明膠殼聚糖微球劑

殼聚糖 (chitosan) 是由2-氨基-2-脫氧-β-D-葡聚糖與糖苷鍵組合而成的陽(yáng)離子聚合物，具有良好的生物相容性和抗菌性，是自然界唯一的堿性多糖[51]。殼聚糖結(jié)構(gòu)中有易于修飾的羥基和氨基等基團(tuán)，有利于開(kāi)發(fā)為具有優(yōu)良性能的殼聚糖衍生物；而明膠高分子鏈上含有氨基、羥基和羧基等活性基團(tuán)，能與負(fù)載藥劑以離子鍵或氫鍵的方式結(jié)合。

Zhou等[52]以戊二醛 (GA) 為交聯(lián)劑，采用O/W型乳化-溶劑揮發(fā)法制備了以明膠和殼聚糖為復(fù)合載體的5-氟尿嘧啶 (5-FU) 微球劑，其粒徑約為300 μm。在較高含量的戊二醛(0.2 mL/g) 下，由于微空隙的收縮，提高了聚合物的剛性，進(jìn)而降低了5-FU的釋放速率；在聚合物體系的釋放行為研究中發(fā)現(xiàn)，通過(guò)改變復(fù)合載體材料的占比可以調(diào)控5-FU的釋放動(dòng)力學(xué)，明膠占比大的微球劑表現(xiàn)出更長(zhǎng)的持效期，且5-FU的釋放動(dòng)力學(xué)遵循Fick擴(kuò)散規(guī)律。

Wang等[53]采用反相懸浮交聯(lián)法制備了作為酸性染料吸附劑的明膠-殼聚糖微球劑，粒徑約為20 μm。吸附性能研究結(jié)果顯示，其在pH為2～3、接觸時(shí)間為100 min及30 °C條件下，0.5 g/L的明膠-殼聚糖微球劑對(duì)酸性染料的吸附率可達(dá)98%，相關(guān)系數(shù)均在0.94以上，且吸附過(guò)程符合Langmuir模型和Freundlich模型，證明明膠-殼聚糖微球劑對(duì)酸性染料具有很好的吸附性能，這為制備來(lái)源廣泛、高效及可回收的吸附劑提供了基礎(chǔ)。同時(shí)，以明膠、殼聚糖等天然可生物降解聚合物為復(fù)合載體制備的載藥微球劑，有望成為一種新型給藥系統(tǒng)[53]。

2.2 明膠海藻酸鈉微球劑

海藻酸鈉 (sodium alginate) 是從褐海藻中分離得到的一種天然多聚糖，是由β-(1,4)-D-甘露糖醛酸 (M) 和α-(1,4)-L-古羅糖醛酸 (G) 兩種結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的線性共聚物[54]。海藻酸鈉作為輔助載體，具有良好的生物相容性和穩(wěn)定性，但其存在對(duì)疏水性藥物負(fù)載量低、釋藥速度較快且易發(fā)生突釋等問(wèn)題，而將海藻酸鈉與其他載體材料進(jìn)行復(fù)合改性，可達(dá)到互補(bǔ)效果[55]。羅璋[56]報(bào)道了毒死蜱(chlorpyrifos) 明膠-海藻酸鈉微球劑，為解決海藻酸鈉釋藥速度較快的問(wèn)題提供了良好的途徑。以海藻酸鈉和明膠為復(fù)合載體，進(jìn)而形成了更為緊密的復(fù)合載體微球劑，有利于增強(qiáng)小分子藥物的包埋和緩釋效果。

范倩等[57]以明膠和海藻酸鈉為復(fù)合載體，以靜電噴涂的方法構(gòu)建了鹽酸四環(huán)素明膠-海藻酸鈉微球劑，平均粒徑約400 μm。對(duì)該復(fù)合微球劑制備的最佳條件和藥物釋放性能等研究結(jié)果表明，將兩種載藥 (0.25、0.5 mg/L) 微球劑，在pH 1.4的酸性溶液和pH 7.4的磷酸緩沖溶液中進(jìn)行釋藥性能的測(cè)定，證明了通過(guò)載藥量及環(huán)境pH對(duì)調(diào)控釋藥性能具有雙重響應(yīng)性。以海藻酸鈉改善明膠的成球性，以明膠改善海藻酸鈉的力學(xué)性能，這為復(fù)合微球劑的實(shí)際應(yīng)用提供了研究依據(jù)。

Amini等[58]制備的心肌細(xì)胞 (H9C2) 明膠-海藻酸鈉微球劑具有較好的生物降解率和溶脹率，且溶脹率呈指數(shù)增長(zhǎng)，在72 h時(shí)達(dá)到峰值，溶脹比從0.04%增加到1.8%，復(fù)合微球劑的自發(fā)降解特性在第15 d達(dá)到最高水平。Xu等[59]認(rèn)為明膠-海藻酸鈉微球劑對(duì)細(xì)胞的增殖和生存能力的促進(jìn)作用均優(yōu)于海藻酸鈉單一微球劑，因而具有潛在的研究?jī)r(jià)值。

2.3 明膠聚乳酸微球劑

聚乳酸 (poly-lactic acid，PLC) 又稱聚丙交酯，因其具有良好的機(jī)械性能且無(wú)毒無(wú)害，在藥物緩釋、細(xì)胞培養(yǎng)等方面得到了廣泛的研究和應(yīng)用，是一種新型的生物可降解高分子材料[60]。由于聚乳酸表面親水性較差，缺乏天然高分子識(shí)別位點(diǎn)等，因而極大地限制了其作為生物材料方面的應(yīng)用。而結(jié)合明膠分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將二者制備成復(fù)合載體微球劑可產(chǎn)生互補(bǔ)作用。劉海峰等[36]通過(guò)制備條件的優(yōu)化，構(gòu)建了成球性高和體外釋藥性能良好的5-氟尿嘧啶明膠-聚乳酸微球劑。

明膠微球劑對(duì)含纖維連接蛋白的表面具有親和力，因而，利用明膠與纖維連接蛋白之間的相互作用可對(duì)微球劑進(jìn)行改性[61]。Swami等[62]利用明膠對(duì)聚乳酸微球劑的表面進(jìn)行了修飾，使其能夠識(shí)別纖維連接蛋白，從而制備了酮洛芬明膠-聚乳酸微球劑，平均粒徑在43.02～69.98 μm之間，包埋率最高達(dá)81.11%；控釋試驗(yàn)表明，藥物釋放受多個(gè)過(guò)程控制，其中Higuchi's方程線性度最佳，Korsmeyer-Peppas方程的對(duì)應(yīng)圖同樣顯示出良好的線性關(guān)系 (r= 0.927～0.975) 。

明膠-聚乳酸微球劑可被用于體內(nèi)穩(wěn)定性研究，是一種有前景的位點(diǎn)特異性控釋體系。

2.4 明膠聚己內(nèi)酯微球劑

聚己內(nèi)酯 (polycaprolactone，PCL) 是一種具有生物相容性和生物可降解性的脂肪族聚酯，降解緩慢，可作為良好的藥物傳遞基質(zhì)[63-64]。聚己內(nèi)酯本質(zhì)上是疏水性的，細(xì)胞識(shí)別位點(diǎn)有限，為了提高其細(xì)胞相容性，Huda等[32]采用乳化-溶劑揮發(fā)法構(gòu)建了明膠-聚己內(nèi)酯微球劑，同時(shí)引入少量聚乙烯吡咯烷酮 (PVP) 用以提高微球劑的粒徑分布及表面形貌。研究發(fā)現(xiàn)，隨著聚己內(nèi)酯的濃度升高，限制了PVP在顆粒表面的錨定吸附速率，導(dǎo)致團(tuán)聚；而通過(guò)優(yōu)化明膠-聚己內(nèi)酯的比例，可得到分散性及穩(wěn)定性均良好的微球劑 (圖2) 。

Rao等[65]采用聚合物分散技術(shù)構(gòu)建了含有異硫氰酸熒光素-牛血蛋白 (FITC-BSA) 的明膠微球劑。為了延長(zhǎng)FITC-BSA的釋放時(shí)間，在明膠微球表面添加聚己內(nèi)酯進(jìn)行包裹，得到一種低成本的FITC-BSA明膠-聚己內(nèi)酯微球劑。體外釋放研究顯示，大約有62%的FTTC-BSA被包埋在微球劑內(nèi)部，且其釋放速率隨著聚己內(nèi)酯濃度的增加而降低。

3 明膠微球劑的應(yīng)用

明膠作為微球劑的載體材料，已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)[12-13]、農(nóng)藥[3,52]、化工[53]等領(lǐng)域，如藥物緩釋 (控釋) 、體內(nèi)示蹤、靶向作用等。

3.1 明膠微球劑在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

3.1.1 調(diào)控藥物釋放 在應(yīng)用過(guò)程中，通過(guò)微球劑擴(kuò)散、載體的逐步分解或溶解，最終實(shí)現(xiàn)微球劑可控、穩(wěn)定地釋藥。而在微球劑投入實(shí)際應(yīng)用之前，可先建立數(shù)學(xué)模型以預(yù)測(cè)藥劑釋放動(dòng)力學(xué)[66-67]。常用于研究藥劑釋放動(dòng)力學(xué)的模型方程有4種：零級(jí)釋放動(dòng)力學(xué)方程、一級(jí)釋放動(dòng)力學(xué)方程、Higuchi方程和Korsmeyer-Peppas方程[68]。Tran等[29]制備了更昔洛韋交聯(lián)明膠微球劑，隨著交聯(lián)時(shí)間的變化，粒徑可控，明膠微球劑釋放機(jī)理遵循Fick擴(kuò)散定律，釋放符合Korsmeyer-Peppas方程，被測(cè)配方的n指數(shù)值均 < 0.45，即擴(kuò)散是釋放的主要機(jī)制，證明明膠微球劑是一種合適的給藥系統(tǒng)，并為明膠微球劑未來(lái)在制藥領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

姜黃素具有抗氧化、抗炎、抗微生物、抗腫瘤等藥理作用，但其水溶性極低，同時(shí)在加工儲(chǔ)存過(guò)程中易受外界因素的影響而降解失活，這極大程度地制約了其應(yīng)用。Ratanavaraporn等[69]以明膠和絲素為載體，采用O/W型乳化-溶劑揮發(fā)法制備了姜黃素明膠-絲素微球劑，控釋試驗(yàn)結(jié)果表明，該微球劑可持續(xù)釋放姜黃素并延長(zhǎng)其半衰期，提高了姜黃素的生物利用度，同時(shí)有效改善了姜黃素的水溶性和穩(wěn)定性，為解決姜黃素應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題提供了新思路。Ci等[70]采用乳化凝聚法 (emulsification-coacervation method) 制備了二氧化氯明膠微球劑，緩釋試驗(yàn)結(jié)果證明，該微球劑可穩(wěn)定地持續(xù)釋放低濃度的二氧化氯氣體。

3.1.2 體內(nèi)示蹤 明膠微球劑被放射性元素或熒光物質(zhì)標(biāo)記后，可用于體內(nèi)示蹤研究。以明膠為載體制備的微球劑用于體內(nèi)示蹤具有以下特點(diǎn)：所制備的微球劑有彈性，粒徑小且含多微孔，可供示蹤劑附著的表面積大，即運(yùn)載示蹤劑量多；明膠化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不會(huì)使吸附其中的示蹤劑失效或?qū)κ聚櫮芰Ξa(chǎn)生影響[71]。楊云霞等[72]將用125I標(biāo)記的硫酸鏈霉素明膠微球劑注入小鼠體內(nèi)，通過(guò)示蹤法研究了肺內(nèi)藥物滯留時(shí)間及體內(nèi)分布變化。陳建明等[73]對(duì)99mTc標(biāo)記的褪黑激素明膠微球劑通過(guò)γ射線閃爍顯像技術(shù)考察了其滯留時(shí)間，表明明膠作為示蹤載體具有良好的應(yīng)用前景。

3.1.3 靶向作用 載藥明膠微球劑有如下幾個(gè)主要特點(diǎn)：對(duì)人體、生物體等特定部位具有靶向性，表現(xiàn)為藥物濃集于靶區(qū)；可進(jìn)行特異性輸送，能以預(yù)期的速率釋放藥物，控制給藥速度；可減少藥物用量，降低藥物在其他部位的毒副作用及不良反應(yīng)，達(dá)到高效低毒的治療效果[74]；明膠作為骨架載體易于成型，能與醛類等物質(zhì)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)形成緩釋層且可被酶降解[75]?；谶@些特點(diǎn)，明膠在靶向制劑中被廣泛應(yīng)用。Li等[76]制備了氯膦酸鹽明膠納米微球劑，利用99mTc標(biāo)記微球劑，通過(guò)閃爍顯像技術(shù)評(píng)估了微球劑靶向肝脾的能力，發(fā)現(xiàn)大鼠體內(nèi)有70.6%的微球劑在肝脾積累，顯示出良好的靶向效果。

明膠作為靶向制劑應(yīng)用極為廣泛，具有良好的靶向性和生物降解性，降解后可形成無(wú)毒產(chǎn)物排出體外。Qu等[12]制備了頭孢喹肟 (cefquinome，CEQ) 明膠微球劑，發(fā)現(xiàn)其在靶組織 (肺) 中可持續(xù)釋放36 h，體內(nèi)研究確定肺部為靶組織及最大CEQ釋放區(qū)域，檢查結(jié)果表明，局部炎癥隨微球劑的生物降解而逐漸消失。Yuan等[13]采用明膠作為載體構(gòu)建了負(fù)載替米考星 (tilmicosin，TMS) 的明膠微球劑，通過(guò)MCPKP軟件驗(yàn)證了替米考星明膠微球的肺靶向作用。結(jié)果表明，替米考星被明膠微球劑負(fù)載后顯著增加了其在肺部的分布，減少了在腎、肝、肌肉，尤其是心臟中的分布，為改變替米考星的給藥途徑、拓寬其應(yīng)用范圍、延長(zhǎng)其使用壽命以及臨床新制劑的開(kāi)發(fā)提供了科學(xué)依據(jù)。

3.2 明膠微球劑在農(nóng)藥上的應(yīng)用

載藥明膠微球劑在農(nóng)藥領(lǐng)域?qū)儆谛滦椭苿?，還處于探索開(kāi)發(fā)階段，目前公開(kāi)報(bào)道的有阿維菌素、呋蟲(chóng)胺、毒死蜱、氯氰菊酯等明膠微球劑等。

3.2.1 阿維菌素明膠微球劑及阿維菌素明膠-聚乳酸微球劑 阿維菌素廣泛用于動(dòng)物衛(wèi)生和農(nóng)業(yè)害蟲(chóng)控制，但其在光照或在土壤微生物作用下會(huì)迅速降解，失去雙糖結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其在田間應(yīng)用2～3 d內(nèi)即失去殺蟲(chóng)活性[77-78]。若將阿維菌素制備成微球劑，不僅分解和流失等問(wèn)題可以得到解決，還可使其釋放得到控制。唐輝等[79]采用乳化縮聚法構(gòu)建了負(fù)載阿維菌素的明膠微球劑，粒徑在10～200 μm之間，載藥量達(dá)14.18% ± 0.55%，包埋率達(dá)71.35% ± 2.75%；其體外釋藥規(guī)律遵循Higuchi方程，消解半衰期是原藥的6.6倍，不僅提高了有效成分的穩(wěn)定性，而且具有明顯的緩釋作用及良好的生物利用度。Cheng等[80]以明膠-聚乳酸為復(fù)合載體，采用復(fù)乳化-溶劑揮發(fā)法 (W1/O/W2)制備了包埋阿維菌素及碳酸銨的明膠-聚乳酸微球劑，通過(guò)葉片噴霧施藥發(fā)現(xiàn)，該復(fù)合微球劑對(duì)果蠅的平均致死數(shù)是防蟲(chóng)誘捕器 (control traps) 的7～15倍，阿維菌素持續(xù)釋放時(shí)間約為15 d，不僅降低了控制果蠅的成本，還減少了殺蟲(chóng)劑的使用頻率。

3.2.2 呋蟲(chóng)胺明膠微球劑 呋蟲(chóng)胺屬于第三代新煙堿類殺蟲(chóng)劑。常規(guī)劑型有懸浮劑、可濕性粉劑等，其持效期短，農(nóng)藥利用率低，而且隨著葉面噴霧的廣泛使用，這類劑型的呋蟲(chóng)胺易于對(duì)授粉昆蟲(chóng) (蜜蜂) 產(chǎn)生毒害。近年來(lái)，研究者們致力于尋求新的替代劑型。陳福良等[3]利用噴霧干燥法構(gòu)建了呋蟲(chóng)胺明膠微球劑，具有較高的包埋率，在土壤及植物葉片中的消解速率緩慢，有更長(zhǎng)的控釋持效期，且與白粉虱的發(fā)生階段相匹配。

3.2.3 毒死蜱明膠-海藻酸鈉微球劑 羅璋[56]以明膠-海藻酸鈉為載體，采用銳孔-凝固浴法制備了毒死蜱明膠-海藻酸鈉微球劑，并探討了微球劑基材的種類、交聯(lián)時(shí)間以及毒死蜱的含量對(duì)微球劑緩釋性能的影響。結(jié)果表明，毒死蜱經(jīng)過(guò)復(fù)合載體負(fù)載后熱穩(wěn)定性能明顯提高，分解溫度由180 ℃提高到210 ℃；該控釋體系能夠顯著降低有效成分的釋放速率，降低其累積釋放量，但載體的種類對(duì)微球有效成分的緩釋性能影響最大。

3.2.4 氯氰菊酯明膠-海藻酸鹽微球劑 氯氰菊酯(cypermethrin) 是一種應(yīng)用廣泛的高效廣譜殺蟲(chóng)劑。Roy等[81]以氯氰菊酯為模型農(nóng)藥，以氯化鈣為交聯(lián)劑，以明膠-海藻酸鹽為載體，構(gòu)建了氯氰菊酯明膠-海藻酸鹽微球劑。通過(guò)改變載體和交聯(lián)劑的用量，制備了一系列不同組分的載藥體系。結(jié)果表明，明膠、海藻酸鹽、氯化鈣及溫度等因素均具有溶脹響應(yīng)行為。氯氰菊酯的負(fù)載量、明膠濃度及交聯(lián)劑用量會(huì)調(diào)控微球劑的釋放速率，14 d后微球劑的釋放量為75% (而直接施用氯氰菊酯6 d后的釋放量即為75%) ，釋放過(guò)程由明膠-海藻酸鹽的溶脹所控制，并遵循非Fick輸運(yùn)機(jī)制。相比于直接使用氯氰菊酯 (粉劑) ，加工成微球劑可以使氯氰菊酯的釋放速率得到有效減緩，體現(xiàn)了緩控釋技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的適用性，這為以生物聚合物為載體的緩釋農(nóng)藥的研究提供了參考。

4 小結(jié)與展望

微球劑是一種具有緩釋功能的藥劑傳遞系統(tǒng)，對(duì)農(nóng)藥的高效利用和發(fā)展綠色精準(zhǔn)防控具有重要意義。明膠作為一種具有廣闊應(yīng)用前景的載體，已發(fā)展成為緩控釋載體材料的研究熱點(diǎn)[82]。以明膠為載體制備的明膠微球劑具有以下幾方面優(yōu)勢(shì)：1) 可以使有效成分持續(xù)釋放，延長(zhǎng)持效期，同時(shí)減少環(huán)境污染，具有高效、安全的特點(diǎn)。 2) 在高效、綠色的農(nóng)業(yè)防控中，基于不同防治對(duì)象及為害部位，可以選擇匹配的微球劑制備工藝，構(gòu)建出不同的載藥體系，通過(guò)改善微球劑粒徑、載藥量、包埋率及在作物表面的附著沉積性等性能，控制其釋放行為，若匹配對(duì)應(yīng)的施藥方式 (拌土、撒施、葉面噴霧等) ，在藥物的實(shí)際應(yīng)用中更具針對(duì)性。例如明膠微球劑粒徑不同，施用方式也有所差異。若微球劑粒徑大，釋放速度慢，持效期長(zhǎng)，可直接針對(duì)地下害蟲(chóng)等封閉環(huán)境進(jìn)行撒施或拌土；若微球劑粒徑小 (如納米級(jí)微球劑) ，與釋放介質(zhì)的接觸面積更大，可提高微球劑在植株上的展布、附著和滲透能力，其釋放速度相對(duì)較快，持效期短。明膠微球劑也可經(jīng)過(guò)二次加工成固體可分散劑型進(jìn)行葉面噴霧，用于防治果樹(shù)上繁殖周期短、年發(fā)生多代及發(fā)生代數(shù)重疊的害蟲(chóng)，如紅蜘蛛、木虱、蚜蟲(chóng)等。3) 在病蟲(chóng)害防控中，根據(jù)作物病蟲(chóng)害發(fā)生規(guī)律，可利用載體性能調(diào)節(jié)微球劑中有效成分的釋放速率，使調(diào)控農(nóng)藥的釋放曲線與有害生物防控劑量需求曲線相吻合。多數(shù)害蟲(chóng)在適宜的溫度下會(huì)快速繁殖，尤其是在高溫高濕下易于爆發(fā)成災(zāi)。明膠作為微球劑的載體具有一定的溫度響應(yīng)性[83]，在溫度較高時(shí)，明膠分子鏈易被破壞，會(huì)使有效成分加快釋放。此外，明膠是水溶性載體材料，且易受到濕度高低的影響，在高濕度情況下載體之間的聚合更易于破裂[84]。明膠微球劑的這些特性可有效提高藥物利用率，安全、高效、精準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)的控制病蟲(chóng)害，這正是未來(lái)微球劑發(fā)展的重點(diǎn)。

盡管明膠微球劑在農(nóng)藥緩控釋制劑方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但是目前也面臨諸多挑戰(zhàn)。在制劑工業(yè)化的制備和精準(zhǔn)釋放方面仍有一些亟待解決的問(wèn)題：1) 目前大多數(shù)明膠微球劑的制備過(guò)程比較復(fù)雜，產(chǎn)率較低，制備工藝大多仍局限于實(shí)驗(yàn)室研究階段，在工業(yè)生產(chǎn)上適用性尚不高[20-21]，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)最佳生產(chǎn)工藝的探索和新設(shè)備的開(kāi)發(fā)，以加快其產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)進(jìn)度[67]。2) 根據(jù)作物病蟲(chóng)害發(fā)生與流行規(guī)律、危害特點(diǎn)及環(huán)境條件等綜合因素，利用農(nóng)藥緩釋劑型加工手段調(diào)節(jié)載體性能及釋放方式等，建立具有靶向?qū)Ｒ恍缘拿髂z微球劑載藥體系，使農(nóng)藥達(dá)到在特定時(shí)間提供所需劑量的精準(zhǔn)釋放，已成為一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性和創(chuàng)新性的任務(wù)[85-86]。3) 緩控釋制劑的設(shè)計(jì)一定要基于實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，明膠微球劑緩控設(shè)計(jì)很多仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段。與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境相比，農(nóng)藥實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景更為復(fù)雜[67]，涉及不同作物特點(diǎn)、環(huán)境條件、微生物群落等多種影響因素，需選擇匹配的施藥方式。在實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景中根部施用 (撒施、拌土等) 應(yīng)滿足更長(zhǎng)的持效性，而針對(duì)葉面噴霧則需兼顧速效性和持效性[80]，以達(dá)到精準(zhǔn)控釋的目標(biāo)。但對(duì)于明膠微球劑在植物表面的沉積、是否真正能夠提高對(duì)靶沉積效率及在植物中傳導(dǎo)行為等方面的研究較少[87]，如何滿足實(shí)際葉面噴霧的需求是今后需要解決的問(wèn)題，也是亟待研究的重要課題。

微球劑是緩釋藥物新劑型，應(yīng)從簡(jiǎn)單、定性的緩慢釋放，向未來(lái)精確、定量、高效的控釋方向發(fā)展，以期達(dá)到在特定時(shí)間提供所需劑量的精準(zhǔn)釋放。緩釋載體逐漸向環(huán)保方向發(fā)展，目前對(duì)環(huán)境無(wú)毒、無(wú)污染、生物可降解的明膠作為微球劑載體已成為研究的熱點(diǎn)。因此，對(duì)現(xiàn)有制備技術(shù)和緩釋材料的進(jìn)一步功能化集成，從而真正體現(xiàn)緩釋技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，明膠微球劑有望獲得廣闊的農(nóng)業(yè)應(yīng)用前景。