聚合物纳米微球制备实验设计

徐菊美, 岑　莲, 胡江林, 张昊舟

(华东理工大学 化学工程系, 上海　200237)



聚合物纳米微球制备实验设计

徐菊美, 岑莲, 胡江林, 张昊舟

(华东理工大学 化学工程系, 上海200237)

介绍并比较了乳化-溶剂挥发法和微流控技术制备聚合物载药纳米粒的工艺特点,以形貌和粒度为评价指标,在一定优化工艺条件下制备得到光滑圆整、平均粒径为200 nm的SB-3CT-PLGA纳米粒。该研究项目用于教学实验,有利于学生综合能力的培养,比如:掌握不同实验技术解决问题的能力,设计并组织实验、分析数据的能力及团队协作能力。

聚合物纳米粒； 乳化-溶剂挥发法； 微流； 教学实验设计； 能力培养

高等工程教育改革的目标是培养“宽专业、厚基础”创新型工程技术人才[1]。实验教育在人才培养中具有独特、不可取代的优势与作用。加大实验教学改革力度,加强学生工程意识、创造思维、设计能力培养,对创新型实践人才建设具有重要意义。华东理工大学化工专业实验室拥有一支高水平的师资队伍和优良的硬件资源,近年来积极开展实验教学改革,推进研究性实验教学。本文以“聚合物纳米微球制备实验”为例,一方面,通过引进交叉学科项目、引进新的实验与分析技术,提高学生的知识水平；另一方面,通过开设“一题多解”、“多参数优化”的研究性实验,让学生自行选择技术路线、设计实验方案、多组协作完成任务,提高学生的综合能力[2]。

1　聚合物纳米粒与聚合物载药纳米微球

聚合物纳米粒是指至少有一相尺度达到纳米级尺寸的聚合物材料,通过选择聚合方式和聚合单体,可从分子水平上设计合成和制备聚合物纳米粒,使之具有稳定的形态结构,具有小尺寸效应、表面效应和量子隧道效应,同时具有温度、pH、电场和磁场响应性等特定功能。聚合物纳米粒制备技术广泛应用于化学、生物学、光学、电子学、机械学、功能材料科学等研究领域[3]。聚合物载药纳米微球是一种典型的纳米医药材料,是指药物溶解或分散于高分子材料中形成的微小球状实体。大量研究表明,当粒径在10～1 000 nm之间时,药物的理化性质、物理响应性质、生物学特性将发生改变,因而在人体内的吸收、分布、代谢和排泄发生改变,纳米药物可增强疗效、降低不良反应[4]。

本实验以一种脑部疾病新药SB-3CT(C15H14O3S2)为模型药物[5],以聚乳酸-羟基乙酸共聚物(Poly(1actic-co-glycolic acid),PLGA)为载体进行开发。PLGA是一种生物相容性极好、可生物降解、无毒副作用的聚酯类高分子[6-7]。实验要求学生制备粒度均一、表面光滑圆整的SB-3CT-PLGA纳米微球,粒径越小越好。粒径是纳米粒的决定性特征,以粒度、形貌为考察指标设计教学实验,将有助于学生深入了解纳米技术的原理及应用。

2　PLGA载药纳米微球的典型制备方法

2.1乳化-溶剂挥发法

乳化-溶剂挥发法是一种最常用的纳米粒制备工艺[8]。其制备纳米粒示意图见图1,将模型药物SB-3CT和PLGA先溶解于有机溶剂中,然后滴加到含有表面活性剂的水相中,在均质机的高速剪切下形成油相/水相(O/W)型乳液,再通过常压或减压方式除去乳液分散相中的挥发性有机溶剂,使纳米粒硬化,最后通过冷冻干燥从水性混悬液中收集产品——纳米粒。乳液中,由有机溶剂、PLGA及SB-3CT形成的液滴状液体称为分散相,含有表面活性剂的水相称为连续相。

图1　乳化-溶剂挥发法制备纳米粒示意图

2.2微流控法

微流控(microfluidics)技术是一种在微米尺度的通道中操控两种或几种互不相溶的微小体积液体,连续、可控地生产具有高度单分散尺寸的单乳液滴和多重乳液液滴的技术。目前的研究成果表明,微流控技术可精确调控乳液液滴结构(如乳液内部包含液滴的组分、数目、尺寸等)[9]。液相流体流动方向的不同,产生乳液的形式也不同,据此可以将微流控装置分为:同向流动型(co-flow)、T形交叉流动型(T-junction cross-flow)和流动聚焦型(flow-focusing)[10-11]。图2是同向流动型微流控制备纳米粒示意图,作为分散相的内相液体和作为连续相的外相液体分别在内、外通道中同向流动,在微通道锥口处相遇,此时内相液体受到与其互不相溶的外相液体的剪切力作用而在收集管中断裂成为尺寸均一的单乳液滴[12]。

图2　同向流动型微流控制备纳米粒示意图

3　纳米微球表征

3.1形貌分析

采用超高分辨率场发射扫描电镜观察各工艺条件制备的纳米微球,并进行拍照。方法如下:取少量冷冻干燥后的样品牢固粘贴于样品台上,喷金处理,放入样品槽进行观察,调节放大倍数和电子束强度,得到形貌清晰的扫描电镜图片。本实验采用的电子显微镜型号为NOVA Nano SEM450,电镜分辨率:高真空时为1.0 nm@15 kV,4 nm@1 kV；低真空时为1.5 nm@10 kV,1.8 nm@3 kV。

3.2粒度分析

粒径及其分布是微球制剂一项重要的考察指标。本实验中采用Nano measurer软件进行颗粒粒度分析:在扫描电镜图片中选取一个颗粒相对集中、分布均匀的区域,用软件测量屏幕上的颗粒尺寸,再根据粒度分布情况求取平均值。

3.3载药量与包封率测定

载药量是指微球中模型药物的质量分数,一般采用适宜的有机溶剂使微球完全溶解后进行含量测定。包封率是指微球中的药物量占总投入量的比值,可由载药量进一步计算得到。

模型药物SB-3CT的紫外吸收特征波长为245 nm,将纳米微球溶解在一定量的二甲基亚砜(DMSO)中,采用高效液相色谱法可测定SB-3CT浓度:色谱柱Hypersil ODS (5 μm, 200×4.6 mm),检测波长为245 nm,流速为1 mL/min,流动相A为0.1%TFA/水、B为0.1%TFA/乙腈,tG=20 min,质量分数为90%～10%梯度。

4　PLGA载药纳米微球制备实验设计

4.1实验设计

传统搅拌法和微流控技术产生的乳液具有相同特征:乳液是一种亚稳态胶体体系,液滴不稳定,保持时间有限,工艺条件的微小改变就能制备出不同的液滴。因此,要获得符合要求的纳米粒,需要系统地考察各种影响因素。在乳化-溶剂挥发法中,应重点考察油水相浓度、油相/水相体积比、搅拌强度等[13]；在微流控技术中,应重点考察微通道尺寸、油水相浓度、油相/水相流速比等。另外,包括聚合物种类、表面活性剂种类、溶剂挥发方式等影响因素[10-11]。学生完成这项实验,首先应掌握关键变量,由于影响因素多,可采用科学的实验设计法制定实验计划,多组协作完成任务。

4.2实验内容及结果

4.2.1乳化-溶剂挥发制备SB-3CT-PLGA纳米微球

在乳化-溶剂挥发法中,系统地研究了均质机搅拌转速5 000 r/min～14 000 r/min、PLGA质量分数为0.6%～1.2%、表面活性剂聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)质量分数为1%～3%、常压挥发(ASE)与减压挥发(RSE)条件下纳米微球制备情况。确定优化工艺条件为:转速大于10 000 r/min、PLGA质量分数为0.6%、PVA质量分数2%、常压挥发24 h,冷冻干燥。在该工艺条件下,可获得表面圆整光滑、平均粒径为240 nm的纳米微球(见图3)。若将上述纳米微球悬浮水溶液在5 000 r/min条件下离心分级,可获得粒度分布更窄、平均粒径为200 nm的纳米微球(见图4)。经高效液相色谱分析,该工艺条件下制备的纳米微球载药量为12.08%±0.82%、包封率为80.56%±4.12%,基本符合脑部用药的研究要求[4]。

图3　分级前PLGA纳米粒扫描电镜图(左图标尺为2 000 nm)及粒径统计

图4　分级后PLGA纳米粒扫描电镜图(左图标尺为2 000 nm)及粒径统计

4.2.2微流控制备SB-3CT-PLGA纳米微球

在微通道直径为580 μm、锥口90 μm 的装置中,系统地研究了PLGA质量分数为0.6%～1.2%、表面活性剂透明质酸(hyaluronic acid,HA)质量分数为0.02%～0.08%、水相流速为2～6 mL/h、油相流速为0.5～1.5 mL/h条件下聚合物纳米微球制备情况。确定优化工艺条件为:PLGA质量分数为1.2%、HA浓度为0.05%、水相流速为2 mL/h、油相流速为1 mL/h。在该工艺条件下,通过常压挥发(ASE)24 h后冷冻干燥,可稳定获得粒度均一、表面圆整、平均粒径为80.09 μm的纳米微球(见图5)。受实验条件限制,本实验研究仅限于微通道直径为580 μm,若要获得粒径更小的纳米粒,需进一步优化微通道结构。

图5　微流控装置中液滴形成过程及未分级的PLGA纳米粒电镜图(右图标尺为100 μm)

4.2.3两种典型工艺比较

通过实验发现,乳化-溶剂挥发法操作简单、易放大、适宜制备单乳体系,但所得纳米粒径分布较宽,往往需要进一步离心分级,收率较低。微流控技术可实现连续操作,具有能耗低、粒度分布均一的优点,但聚合物容易在微通道内堵塞、设备难于清洗。实验结果表明,乳化-溶剂挥发法制备的纳米平均粒径为240 nm,粒度分布宽；微流控技术制备的微球平均粒径为80.09 μm,粒度分布较窄,微流控技术能更有效地制备单一尺寸的微球,但粒度较大。本实验中,乳化-溶剂挥发法制备的纳米微球经过离心分级,平均粒径为200 nm,可达到脑部用药的研究要求。

5　结语

聚合物载药纳米微球制备技术来源于与化工相关的材料和生物领域,将体现前沿性、交叉性、应用性的研究项目引入到本科生的实验教学中,有利于开拓学生的视野、激发学生的创新热情,也有利于学生开展跨学科协作、交流,符合工程实践人才培养要求。

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[13] 赵锋,高永良.乳化分散法制备聚乳酸微球的研究进展[J].中国新药杂志,2002,11(2):123-126.

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

上海市高校实验技术队伍建设计划项目(2013);华东理工大学本科教育教学改革项目(2013014)

徐菊美(1978—),女,江苏启东,硕士,实验师,化工专业实验中心副主任,主要从事实验教学与实验室管理.

E-mail:xujumei@ecust.edu.cn

G642.423;R944.2

A

1002-4956(2016)3- 0058- 04