Box-Behnken 优化痹痛宁凝胶膏剂基质处方研究

李 智，于金英，蒋 瑶，严倩茹，王云红，韩 丽，秦 剑，杨荣平*

1 成都第一骨科医院，成都 610031;2 成都中医药大学，成都 611137;3重庆市中药研究院，重庆 400065;4 重庆市食品药品检验所，重庆 401121

痹痛宁方由秦艽、青风藤、白芍等中药组成，具有祛风除湿、活血止痛等功效，为临床治疗痹症的验方。凝胶膏剂是以亲水性聚合物或亲水性物质为基质的新型外用贴剂，基质由黏合剂、赋形剂、保湿剂、交联剂、交联调节剂等物质组成，各组分性质和作用不同，决定了加入量的差异，因此，各种物质的合理配比是制作优良基质的关键［1］。Box-Behnken 设计是响应曲面法(response surface methodology，RSM)中的一种实验设计方法，近年来被广泛用于生物、化学合成以及药物处方筛选和剂型制备等过程中的实验设计与优化［2-4］。该设计既能考察各个因素对效应的影响以及各影响间的交互作用，也可以进行各个因素的最优化，比单因素考察全面客观。因而，本研究以外观膏体均匀性、涂展性、膜残留性、渗出度、皮肤追随性为评价指标对基质处方进行初步筛选，又利用Box-Behnken 设计，以初黏力为评价指标，优选出最佳基质处方。

1 仪器与材料

凝胶膏剂涂布机(自制);JJ-1 增力电动搅拌器(金坛市富华仪器有限公司);BS224S(万分之一，北京赛多利斯科学仪器有限公司);DGG-9240 型电热恒温鼓风干燥箱(上海森信实验仪器有限公司)。

聚丙烯酸钠(广东中盛生物科技有限公司);卡波姆(廊坊聚通化工有限公司);甘氨酸铝(上海森磊化工有限公司);聚乙烯醇(成都市科龙化工试剂厂);羧甲基纤维素钠(成都市科龙化工试剂厂);明胶(天津市大茂化学试剂厂);甘油(重庆川东化工有限公司);柠檬酸(重庆川东化工有限公司);酒石酸(重庆化学试剂厂);高岭土(上海市奉贤奉城试剂厂)。

2 实验方法

2.1 评价指标的测定方法与标准

2.1.1 初黏力测定

凝胶膏剂基质应具有一定的黏性，才能固贴于皮肤之上释放药物。目前对于凝胶膏剂黏性的评价有初黏力、黏结力、持黏力等，结合实验室现有的条件，选择初黏力为为主要考察指标。本研究参考美国压敏胶带协会PSTC-6 法——滚球斜面停止法［5］测定其初黏力。即滚球从一光滑斜面上滚下，经过水平放置的凝胶膏表面，测定滚球在凝胶膏面的滚动距离，判定凝胶膏的黏性大小，滚动距离越小，黏性越大，如图1 所示。每个样品测定5 次，以平均值计算。经过预实验筛选，斜面以倾斜角30°为宜，滚球以10 号小球，直径为7.144 mm，重量为1.50 g 为宜。

图1 滚球平面停止法测定初黏力示意图Fig.1 Schematic diagramof rolling ball method for the determination of early adhesion

2.1.2 感官指标评分

1)膏体形状:膏体均匀、无颗粒状胶团、无杂斑满分5 分;2)残留性:膏体揭除后，无残留、膏面不破裂，满分5 分;3)涂展性:涂布容易完成，满分5分;4)渗出度:膏剂胶浆趁热涂布，背面无渗出，满分5 分;5)皮肤追随性:手指触摸黏性适中，贴于手腕部，用力甩5 下不脱落，满分5 分。

2.2 凝胶膏剂基质的制备

取适量聚丙烯酸钠(PAAS)，甘油分散后均匀加入适量水，溶胀均匀;聚乙烯醇(PVA)、卡波姆、明胶、羧甲基纤维素钠直接分散于水溶液中，水浴加热使其溶胀均匀;高岭土直接加入溶解好的明胶、聚乙烯醇溶液，搅拌均匀;AlCl3或甘羟铝少量甘油分散，加入浸膏中搅拌均匀;柠檬酸或酒石酸溶于水配成水溶液。按设计顺序将各种溶液依次加入，混匀，60 ℃、100 rpm 搅拌20 min，调节涂布厚度为2.5 mm，涂于无纺布上，60 ℃烘干，剪裁成7 cm×10 cm大小，即得。制备的膏体均匀性、涂布性较佳。

3 实验结果

3.1 基质处方及加入顺序的筛选及结果

根据各组分的性质及在凝胶膏剂中的作用，结合文献方法，对基质处方及加入顺序进行筛选研究，各组分按“2.2”项下处理，实验安排及结果如表1，对成型基质进行综合感官评分，结果如表2。

表1 痹痛宁凝胶膏剂基质处方初步筛选实验安排Table 1 Preliminary screening testsofmatrix recipe of Bitongting Cataplasm

表2 结果显示，处方2 与处方6 综合评分较高，各项评价指标较优。由于两处方的组成较为相似，处方6 比处方2 多了辅料PVA，因此以处方6 为基础，优化处方中各辅料的用量。

3.2 Box-Behnken 试验设计-效应面法优化处方

在前期实验的基础上，采用Box-Behnken 设计，选择PAAS(X1)、高岭土(X2)、PVA(X3)、甘氨酸铝(X4)、柠檬酸(X5)为考察对象，以初黏力为评价指标对基质处方进行优化。采用Design-Expert8.0 软件安排试验，考察因素与水平见表3，按“2.3”项下方法制备凝胶膏剂基质，并测定其初黏力，结果见表4。

表3 Box-Behnken 设计中的因素与水平Table 3 Factors and levels in the Box-Behnken design

表4 实验设计与结果Table 4 Results of Box-Behnken experiments

3.3 数据处理

按照Box-Behnken 设计的要求，采用Design-Expert8.0 软件对数据采用Linear、2FI、Quadratic、Cubic 等不同模型拟合处理，以模型拟合方程中的P值及R2为判断标准选择合适的模型，见表5。

表5 Design-Expert 软件数据分析结果Table 5 Analysis of data by Design-Expert software

Linear 模型拟合方程中P=0.0085＜0.01，有极显著性差异，但是R2=0.3117，模型不显著;2FI模型拟合方程中P=0.2196＞0.05，无显著性差异，且R2=0.4082，模型不显著;Quadratic 模型拟合方程，P=0.0013＜0.01，有极显著性差异，R2=0.7449，模型拟合不够理想;Cubic 模型拟合方程P=0.0011＜0.01，有极显著性差异，且R2=0.9616，模型拟合度高、模型理想。故对数据进行Cubic 模型拟合，设置一定的P 值水平，将P＞0.05 的项进行剔除，分析结果见表6，简化后的拟合方程为:Y=10.67-1.75X1+0.049X2+0.22X3+2.09X4-0.65X5+0.24X1X2-1.28X1X4+0.85X2X4-1.56X3X4+0.8496)。

图2 因素X1与X2(A)、X1与X4(B)、X2与X4(C)、X3与X4(D)、X3与X5(E)的等高线图Fig.2 Contour plots of X1and X2(A)，X1and X4(B)，X2and X4(C)，X3and X4(D)，X3and X5(E)

表6 拟合模型方差分析Table 6 ANOVA of Cubic Mondle

从上表可以看出，X1、X4对凝胶膏剂的粘性有极显著性影响，X1X4、X3X4之间有显著的交互作用，X3X5之间也有微弱的交互作用。由于三维图仅能表示效应与其中2 个因素的关系，因此将另外3 个因素置为中心值，以拟合的目标函数为模型，绘制等高图，见图2。以Y 值在7.2914 范围内为目标函数，由等高线图得PAAS(X1)、高岭土(X2)、PVA(X3)、甘氨酸铝(X4)及柠檬酸(X5)的最佳用量范围分别为X1:0.50～0.73，1.10～1.50;X2:0.50～0.88，1.08～1.50;X3:0～0.44，0.95～1.0;X4:0.050～0.095;X5:0.115～0.15。

3.4 效应面优化预测及验

本实验在较优取值区域的基础上，结合节约辅料、较小成本成本及Design-Expert8.0 软件给出的解决方案，优选出痹痛宁凝胶膏剂最佳基质处方:PAAS1.1 g、高岭土1.3 g、甘氨酸铝0.09 g、柠檬酸0.14 g。按此处方制备了3 批痹痛宁凝胶膏剂基质，进行初黏力测定，计算实测值与预测值之间的误差，如表7 所示，结果表明实测值与预测值的误差在5%之内，表明本实验建立的数学模型可用来预测痹痛宁凝胶膏剂基质总评指标。

表7 预测值与实测值的比较Table 7 Comparison of predicted value and actual value of matrix

3.5 处方基质载药量的考察

凝胶膏剂基质的载药量亦影响制剂的性能，若载药量过小，因单位面积含药量小而需要较大的给药面积，造成基质的浪费。本研究在优选出的基质基础上，对痹痛宁凝胶膏剂的最大载药量进行了考察，结果如表8 所示。

表8 不同载药量对凝胶膏剂性能的影响Table 8 Effects of different loading amount of drug onthe performance of Cataplasm

表8 表明，优选出的基质中加入6 g 浸膏所制备出的痹痛宁凝胶膏剂均一、细腻，气泡较少，皮肤追随性好，因此优选出的基质可承受6 g 以内的浸膏。

4 讨论

凝胶膏剂的基质的性能决定着凝胶膏剂的黏着性、舒适性、物理稳定性等特征，因此基质处方研究是凝胶膏剂研究的基础，也是凝胶膏剂研究的关键技术［6］。同时，基质制备过程中各组分的加入顺序，搅拌的时间及温度和速度，对基质性能也有一定的影响。因此，基质配方合理，制备过程恰当，是制备出好基质膏体的关键。

基质处方对基质性能的影响:痹痛宁凝胶膏剂为交联型凝胶膏剂，其基质处方中，聚丙烯酸钠、甘氨酸铝的用量对初黏力有极显著性影响。聚丙烯酸钠是构成痹痛宁凝胶膏剂亲水性凝胶骨架形体的基本物质，与初黏力起正相关的作用，随着其用量的增加，凝胶膏剂黏和外观性能渐好。甘氨酸铝为交联剂，提供Al3+与高分子化合物聚丙烯酸钠交联，形成网状结构，产生凝胶，形成交联型基质，交联剂用量不足，基质交联不完全，膏体内聚力差，用量过多，基质交联过度，膏面黏性降低，甚至没有黏性。

基质制备过程对基质性能的影响:基质的制备过程中，搅拌时间和速度要适当，时间过长或搅拌速度过快，易入大量气泡，且持续的剪切力会破坏膏体形成的氢键而使黏性下降;反之则膏体不易混匀。温度一般不宜高于80 ℃，温度高，膏体形变较快，虽易混合均匀，但会使膏体的黏性下降。膏体制备完成6 h 后，膏体开始交联、弹性增强，因此涂布应在膏体制备完成后0～6 h 内完成。制备成型的痹痛宁凝胶膏剂于60 ℃下烘干，膏体性能良好。

本实验采用Box-Behnken 设计-效应面优化法对凝胶膏剂基质成型影响较大的因素进行优化，优选基质处方，并确定了最佳制备工艺，为痹痛字方的开发应用提供参考，为其下一步临床的应用奠定基础。

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