D—最优混料设计结合多种力学指标优化柴栀凝胶贴膏的基质处方及其体外释放透皮研究

章烨雯 于竞新 王景雁 茹庆国 刘艳 王逸飞 林红梅 吴清

[摘要]该研究旨在优化柴栀凝胶贴膏的基质配方以及评价其体外释放与透皮行为。采用D最优混料设计，通过探子初黏力试验，180度剥离强度试验和胶强度试验测定凝胶贴膏的黏性指标，包括初黏力，黏接力和内聚力，确定最优基质处方。采用改良 Franz 扩散池法，以有效成分栀子苷为指标，研究凝胶贴膏的体外释放和经皮渗透性能。柴栀凝胶贴膏的基质配方为NP700，甘羟铝，酒石酸，甘油，PVP K90，蒸馏水（9∶07∶08∶30∶5∶305）。凝胶贴膏中栀子苷24 h体外释放（7702±373）%，经皮渗透速率为725 μg·cm-2·h-1，24 h 累积渗透量为（15622±490） μg·cm-2。最优基质处方下制备的柴栀凝胶贴膏具有良好的黏性，栀子苷体外释放符合一级方程，体外透皮接近零级方程。

[关键词]D最优混料设计；黏性指标；凝胶贴膏；体外释放；透皮评价

凝胶贴膏[1]作为一种新型的经皮给药剂型，因载药量大，含水量高，刺激性、过敏性小，使用方便等优势[23]，近年来成为外用制剂研发的热点。一般来说，其基质配方中通常包含6～10种辅料，包括骨架材料、交联剂、交流调节剂、保湿剂、增黏剂、填充剂等[4]，因此优选出合理的基质配比是制备优良凝胶贴膏的关键。

目前，大多数研究采用正交设计[56]或均匀设计[78]进行实验，寻找最佳基质配比。这些优化方法只是对一个个孤立的实验点进行分析，存在精密度不够，预测性差等缺点[9]。D最优混料设计[1012]是一种将D最优设计应用于混料实验的设计方法，近年来在药剂辅料配比中也有所应用[1315]。它是解决指标与成分比例之间关系的一种实验设计方法，要求各组分之和为一个固定值，具有试验次数少、信息量充分、预测参数精密度高、多目标同步优化的特点。

黏性是凝胶贴膏的基本属性之一，更是保证制剂质量的重要指标。依照目前国内比较普遍的认识[1618]，其可由4个方面的力概括，即初黏力、黏接力、内聚力和黏基力，当未发生基质与布基的脱离时，黏基力就无需测定。因此，本实验通过探子初黏力试验、180度剥离强度试验和胶强度试验测定凝胶贴膏的各黏性指标，采用D最优混料设计优化柴栀凝胶贴膏的基质配比，并评价其体外释放与透皮行为。

1材料

JY1002电子天平（上海舜宇恒平科学仪器有限公司），BSA 224S电子天平（赛多利斯科学仪器北京有限公司），5DM03R万能混合搅拌机（株式会社三英制作所），涂布机（自制），LHS150HCⅡ恒温恒湿箱（上海一恒科技仪器有限公司），FGP05推拉力计、FGS50VBH（日本Shimpo公司），TK20B型药物透皮扩散试验仪（上海锴凯科技贸易有限公司），电热恒温水浴锅HW SY11KD20（北京市长风仪器仪表公司），CP7800型科德士宠物用电推剪 （深圳科德士电器有限公司），LC10AD型高效液相色谱仪、SPD1020A检测器（日本岛津国际贸易有限公司）。

NP700[亚什兰（中国）投资有限公司]，甘羟铝（北京凤礼精求商贸有限公司），L（+）酒石酸（国药集团化学试剂有限公司），1，2丙二醇、甘油（北京化工厂），聚乙烯吡咯烷酮K90（PVP K90，天津市福晨化学试剂厂），氮酮（国药集团化学试剂有限公司），甲醇（北京化工厂，分析纯），栀子苷（上海源叶生物科技有限公司，批号J01J2T1），001 mol·L-1磷酸盐缓冲液（北京中枋金桥生物科技有限公司），乙腈[赛默飞世尔科技（中国）有限公司，色谱纯]，截留相对分子质量35 kD圆形透析膜片（生工生物工程上海股份有限公司）。

ICR小鼠，雄性，（20±2） g，由斯贝福（北京）实验动物科技有限公司提供，动物许可证号SCXK（京） 20110004。

2方法与结果

21凝胶贴膏的制备

通过前期试验，确定凝胶贴膏的制备工艺。取一定量的 NP700、甘羟铝均匀分散于适量的甘油中，作为A相；将一定量的酒石酸溶解于蒸馏水中，再加入PVP K90，放置过夜，使PVP K90充分溶胀，作为B相；将B相和一定量的柴栀浸膏加入A相中充分搅拌，涂布后装入铝箔袋中，放置成型，即得。

22凝胶贴膏的评价指标

221初黏力初黏力指膏面与被黏物以微小压力发生短暂接触时，膏体对被黏物的黏附作用[16]。根据探子初黏力实验[19]，本研究将凝胶贴膏背衬层固定于洁净的酚醛树脂板上，测力仪探针以300 mm·min-1的速度下降，与凝胶贴膏表面接触3 s后离开，记录探针离开凝胶贴膏表面时的最大力，连续测定3次，取平均值，结果见图1。

222黏接力黏接力是指用适当的压力和时间进行黏贴后，膏面和被黏表面之间所表现出来的抵抗界面分离的能力[16]。本研究通过180度剥离强度实验量化凝胶贴膏的黏接力[16]。根据医用胶带剥离强度YY/T01482006的测定标准[20]，将凝胶贴膏贴于洁净的酚醛树脂板上，用2 kg的压辊以600 mm·min-1的速度滚压4个往返，放置10 min后，测力仪拉钩以300 mm·min-1的速度将其从酚醛树脂板上拉离并做180°的折返，记录测力仪显示的读数，选取标准偏差在5%以内的一段数据的平均值作为黏接力的值，连续测定3次，取平均值，结果见图2。

223内聚力内聚力是指基质本身的强度[16]。本试验通过胶强度实验量化凝胶贴膏的内聚力[16]。参考文献[21]测试方法：将制备好的凝胶贴膏基质装于具盖塑料盒中，测力仪探头移动的距离（30+15） mm（15 mm为测力仪探头深入膏体的距离），测力计探头升降速度300 mm·min-1，极点1停止时间3 s，极点2停止时间3 s。记录测力仪探头到达膏体内部15 mm时的读数，连续测定3次，取平均值，结果见图3。

224综合感官评分[2224]①涂展性：抛锚性好，易于涂布，涂布时膏体不断条，满分10分。②外观性状：膏体颜色均匀，柔软适中，无颗粒，气泡少，满分10分。③渗布程度：凝胶贴膏涂布一定时间后，肉眼观察不渗布，满分10分。④膜残留：揭开压花膜，无膏体残留，满分10分。⑤皮肤追随性：将膏体贴于手腕上，用力甩3下不脱落，满分10分。

23单因素试验

按21项下方法制备凝胶贴膏，以综合感官评分为指标，优选每种辅料的最佳用量范围。单因素试验设计与结果见表1。综合感官评分越高，表明凝胶贴膏的性能越好。最终确定各辅料的用量范围分别是NP700 90～100 g，甘羟铝 06～08 g，酒石酸 08～10 g，PVP K90 30～50 g，甘油250～300 g。另外，当中药浸膏用量超过8 g时，膏体出现严重渗布现象，故确定浸膏用量为8 g，对应的柴胡芳香水为16 g。

24凝胶贴膏的处方优化

241D最优混料设计在单因素试验中，确定了中药浸膏用量8 g，对应的柴胡芳香水为16 g，同时优选出了每种辅料的最佳用量范围，辅料总量固定为76 g，结果见表2。在此基础上，应用软件Designexpert 806进行D最优混料设计，以凝胶贴膏的初黏力、黏接力及内聚力为指标，试验设计及结果见表3。

242模型拟合分别以凝胶贴膏的初黏力、黏接力和内聚力为因变量，以物料A，B，C，D，E，F为自变量，应用软件Designexpert 806进行模型拟合，结果见表4。3个因变量各自拟合的模型P<0000 1，均具有极显著性。调整R2分别为0998 1，0998 4，0996 0，表明方程拟合度高。失拟相P均大于01，表明模型的预测值与实际值间不拟合的概率低。变异系数均小于5%，表明试验结果误差小。

初黏力=-0014 3A-0044 8B-0039 7C+0031 4D+0005 4E +0001 4F；黏接力=1304 7A+41587 3B-2984 1C+0349 1D-0095 5E-0006 5F-0696 8AB-0114 2AC-0032 9AD-0013 7AE-0020 6AF-0382 9BC-0572 7BD-0536BE-0534 1BF+0016CD+0067 9CE+0060 7CF +0002 1DE-0004 5DF+0001 5EF；内聚力=-42228 1A+2 743004B-4 293509 5C+1019 74D-2432 5E-1613 9F-35899 1AB +58812 5AC +0516 1AD+0754 8AE+0729 1AF+18056 5BC-36770BD-36696 9BE-36734 6BF+57801 2CD+57936 1CE+57796 5CF-0141 4DE-0172 4DF+0036 51EF。

243最优处方及验证试验以最大初黏力、黏接力及最小内聚力为目标[24]，应用软件Designexpert 806优选处方，进行验证试验，结果见表5。柴栀凝胶贴膏的最优基质处方为NP700，甘羟铝，酒石酸，甘油，PVP K90，蒸馏水（9∶07∶08∶30∶5∶305）。

25栀子苷HPLC含量测定建立

251色谱条件色谱柱Inertsil ODS3 C18（46

mm×250 mm，5 μm），流动相乙腈水（9∶91），流速10 mL · min-1，检测波长238 nm，柱温30 ℃，进样量20 μL，理论板数按栀子苷峰计算应不低于9 000。

252对照品溶液的制备取栀子苷对照品适量，精密称定，加甲醇制成每1 mL含栀子苷50 μg的溶液，摇匀，滤过，取续滤液，即得。

253供试品溶液的制备取05 g凝胶贴膏，精密称定，精密加入甲醇30 mL，称重，回流提取45 min，冷却到室温，再称重，甲醇补足失重，摇匀，滤过，取续滤液，即得。

254空白样品溶液的制备按253项下制备栀子阴性凝胶贴膏溶液，摇匀，滤过，取续滤液，即得。

255专属性考察按251项下色谱条件，栀子苷与其他组分色谱峰均达到基线分离，空白样品溶液无干扰，结果见图4。

256线性关系考察取栀子苷对照品10 mg，精密称定，置于50 mL量瓶中，用甲醇溶解并稀释至刻度，摇匀，得对照品贮备液。分别精密量取一定量贮备液，用甲醇稀释成一系列质量浓度的溶液，按251项下色谱条件测定。

以栀子苷质量浓度为横坐标，峰面积为纵坐标，得回归方程y=29 99064x-15 48481（R2=1000 0），表明栀子苷在021～20880 mg·L-1与峰面积呈良好的线性关系。

257精密度考察取质量浓度为5220 mg·L-1的栀子苷对照品溶液，按251项下色谱条件连续进样6次，测定峰面积，计算RSD。栀子苷的平均峰面积RSD 074%，表明仪器精密度良好。

258稳定性考察取供试品溶液，按251项下色谱条件分别在 0，2，4，6，8，10，12，24 h进样，测定峰面积，计算RSD。栀子苷的平均峰面积RSD 11%，表明样品溶液在24 h内稳定。

259重复性考察按253项制备供试品溶液，按251项下色谱条件测定峰面积，计算RSD。栀子苷平均峰面积RSD 17%，表明方法重复性良好。

2510加样回收率试验取025 g凝胶贴膏，精密称定，平行称取6份，精密加入一定量栀子苷对照品溶液，按253项下方法制备，测定质量浓度，计算回收率。栀子苷平均加样回收率为1032%，RSD 13%，表明方法加样回收率合格。

2511样品测定结果取05 g凝胶贴膏，精密称定，平行称取3份，按254项下方法制备，按251项下色谱条件测定峰面积，计算RSD。凝胶贴膏中栀子苷平均质量分数为393 mg·g-1，RSD 21%。

26体外释放试验

采用Franz扩散池法，上室为扩散室，下室为接受室，有效扩散面积177 cm2。将凝胶膏贴于35 KD圆形透析膜片上，再将透析膜片固定在两室之间。接收室注满磷酸盐缓冲液，排出气泡，使液面完全与透析膜片接触。磁搅拌转速设定为300 r·min-1，控制温度（32±01）℃，计时。于设定的时间点2，4，6，8，10，12，24 h移取接收液1 mL，同时补加同样体积的新鲜接收液，过滤，测定栀子苷的含量，计算累积释放率Q%[25]。

Q=VCn+∑n-1i=1Ci×1/W×100%

式中Q为第n个时间点的累积释放率（%），V为接收室中接收液的体积（mL），Cn为第n个取样点测得的药物质量浓度（mg·L-1），1代表取样体积1 mL，W为凝胶膏中所含药物质量（mg）。

以Q对释放时间t作图，绘制累积释放曲线，见图5。凝胶贴膏中栀子苷24 平均累积释放率为（7702±373）%。对上述释放数据进行模型拟合[26]，结果见表6。

模型拟合方程R2

零级Q=0026 2t+0191 20935 6

一级ln（1-Q）=-0058 1t-0096 50997 6

HiguchiQ=0174 6t1 /2-0065 60994 0

RitgerPeppaslnQ=0627 7lnt-2179 20986 4

柴栀凝胶贴膏中栀子苷体外释放符合一级动力学方程，说明药物的释放过程与其浓度有关。由RitgerPeppas方程可知，拟合系数n为0627 7，说明凝胶贴膏中栀子苷的释放机制为药物扩散和骨架溶蚀双重机制的共同作用。

27体外透皮试验

271离体皮肤的制备将ICR小鼠以脱颈椎的方式处死，剥离其腹部皮肤，用沾有磷酸盐缓冲液的脱脂棉球，擦去小鼠皮下的脂肪组织和结缔组织，再用磷酸盐缓冲液冲洗干净。

272体外透皮试验采用Franz扩散池法，上室为扩散室，下室为接受室，有效扩散面积177 cm2。将凝胶膏贴于鼠皮上，再将鼠皮固定在两室之间。接收室注满磷酸盐缓冲液，排出气泡，使液面完全与皮肤内层接触。磁搅拌转速设定300 r·min-1，控制温度（32±01）℃，计时。于设定的时间点2，4，6，8，10，12，24 h移取接收液1 mL，同时补加同体积的新鲜接收液，过滤，测定栀子苷的含量，计算单位面积累积透过量Qn[27]。

Qn=（VCn+∑n-1i=1Ci×1）/S

式中Qn为第n个时间点的单位面积累积透过量（μg·cm-2），V为接收室中接收液的体积（mL），Cn为第n个取样点测得的药物质量浓度（mg·L-1），1代表取样体积1 mL，S为扩散面积（177 cm2）。

以Qn对t作图，绘制累积渗透量曲线，结果见图6。以Qn对t作线性回归，即渗透动力学方程，结果Qn=7249t-18873（R2=0993 5）。由方程可知，柴栀凝胶贴膏中栀子苷稳态透皮速率Jss为725 μg·cm-2·h-1，24 h单位面积累积透过量Q24为（15622±490） μg·cm-2。根据251项下所得膏中栀子苷的含量，计算24 h栀子苷的累积透过率为1553%。对上述透皮数据进行模型拟合[26]，结果见表7。

模型拟合方程R2

零级Q=0007 2t-0018 80993 5

一级ln（1-Q）=-0007 8t+0022 10992 0

HiguchiQ=0045 3t1 /2-0081 60941 3

RitgerPeppaslnQ=1712 6lnt-7061 80977 0

柴栀凝胶贴膏中栀子苷体外透皮符合零级动力学方程，说明药物的经皮渗透与其浓度无关。由RitgerPeppas方程可知，拟合系数n为1712 6，大于089，说明凝胶贴膏中栀子苷的渗透机制为骨架溶蚀作用。

3讨论

31优化方法的选择

D最优混料设计法通过合理地选择少量的试验点，来获得尽可能全面的处方配比，从而了解特征指标与处方配比之间内在的因果规律，适用于多因素多水平试验（尤其当因素数大于5），较正交试验法更简化，比均匀设计法更全面。同时，当设计区域受到限制，其他的一些实验设计（如BoxBehnken设计）无法应用，而该设计能达到一定实验数目并能应用于较广的实验范围[28]。另外，从混料设计的原理来看，其基本要求各组分之和为一固定值，而凝胶贴膏基质配方中各辅料用量的总和正好为一固定值。因此，本研究将D最优混料设计法应用到凝胶贴膏基质配比研究中，使得试验次数少、预测参数精密度高、多力学指标同步优化。

32黏性评价指标的选择

《中国药典》2015年版 [29]收载了贴膏剂黏附力测定法，包括初黏力、持黏力、剥离强度。其中凝胶贴膏照《通则0952》第一法初黏力测定法进行黏性评价，即将一不锈钢球从置于倾斜板上的供试品黏性面滚过，记录供试品黏性面能够黏住的最大球号钢球。由于初黏力仅反映膏面与被黏物短暂接触时的黏附情况，与实际应用的情况相差甚远，特别是不能判断凝胶贴膏脱膏、跑膏现象的发生。因此，本研究采用探子初黏力试验[19]、180度剥离强度试验[16]和胶强度试验[21]评价凝胶贴膏的初黏力、黏接力和内聚力，从而实现对其黏接性能的综合评价，有望为凝胶贴膏的黏性评价提供研究思路与方法。

33体外释放与透皮研究

药物从亲水性凝胶基质中的释放受多种因素的影响[30]，如药物的溶解度、相对分子质量及粒径等。药物的溶解度越大，相对分子质量越小，粒径越大，从基质中释放的速度越快。栀子苷的油水分配系数为-208，在水中溶解度大，相对分子质量为38837，属于小分子物质，因此24 h累积释放率达到7702%。释放模型拟合结果表明，栀子苷从凝胶膏中的释放为扩散和基质溶蚀的双重机制，但扩散起主要作用。

凝胶贴膏中栀子苷的经皮渗透机制为骨架的溶蚀作用。24 h栀子苷的累积透过率为1553%，比较栀子苷的体外释放与经皮渗透行为可知，凝胶贴膏中栀子苷的体外释放速率大于其体外透皮速率，由此判断该制剂属于皮肤控释型。

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[责任编辑孔晶晶]