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脂质体挤出技术的原理与优化原则

作者:willnano.com 日期:2020-01-23 点击:331
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脂质体制备技术有传统的非机械法:如薄膜分散法(Thin-layer dispersion)、反复冻融法(Freeze-thawing method)、有机溶剂注入法(Solvent injection method)、逆相蒸发法(Reverse-phase evaporation technique);传统机械法:超声分散(Ultrasonication disperse)、高压均质法(high-pressure homogenization),近年来,研究与应用对脂质体粒径与PDI要求越来越高,微射流高压均质法和挤出法的使用也越来越多。

本文将简介借助脂质体挤出器的脂质体挤出制备技术原理与优化原则。


脂质体结构与药物包封示意图

图 脂质体双分子层结构与药物包封示意图

脂质体是主要由磷脂分子层构成的微小球体,磷脂双分子层也是构成细胞膜的主要成分,磷脂分子因具有疏水和亲水属性,能在溶液中疏水端相互结合亲水端相互结合,自发形成微小球状的脂质体。脂质体挤出技术充分利用了脂质体磷脂双分子层的结构和性能特点,在略高于磷脂相变温度的条件下,通过一定的外部挤压动力,使脂质体通过特定孔径的聚碳酸酯膜,大粒径或者多室脂质体被膜孔的剪切破裂后迅速重新聚合成更小粒径的脂质体。由于聚碳酸酯聚碳酸酯膜的孔径固定(如50nm,100n,200nm等),且脂质体用聚碳酸酯膜具有孔径垂直于膜表面且分布均匀的属性,多次经过特定孔径的聚碳酸酯膜挤压剪切后,可以获得粒径接近聚碳酸酯膜孔径且分布集中的单室脂质体。

脂质体经过聚碳酸酯膜时的挤出原理示意

图 脂质体经过聚碳酸酯膜时的挤出原理示意

利用脂质体挤出器制备脂质体,制备理想粒径与分散系数的脂质体,挤出工艺中主要涉及三个因素:挤出温度、挤出压力和聚碳酸酯膜使用。

1. 挤出温度 

脂质体主要成分是磷脂,每一种磷脂都有一定的相变温度,当脂质体温度在磷脂相变温度时,膜的流动性和柔韧性都较好,此时通过特定压力下聚碳酸酯膜较为温和的剪切力即可有效的减小脂质体粒径,并使其分布控制在很好的范围之内。

反之,若挤出过程温度控制过高或者过低均得不到理想的效果。当温度过高时,脂质体膜的微观流动性大,稳定性差,在通过聚碳酸酯膜时,即使较低的剪切力也容易造成脂质体膜结构的损坏,造成脂质体的破碎和药物的泄露;若挤出过程温度过低时,脂质体膜流动性较差,刚性强,过膜时会有部分粒子被截留,甚至也有大粒径脂质体只产生了形变拉伸后挤出,其粒径大小和分布并未得到有效的控制。

所以,在选择挤出技术作为脂质体粒径控制的方法时,一定要依据磷脂的种类确定对温度的要求,相变温度低的脂质体可选择室温挤出,而对于相变温度高的脂质体,控制一个合适的挤出温度对结果影响也很大。

2 挤出压力 

挤出压力决定脂质体过膜时所受到的剪切力大小。此剪切力的大小直接决定了脂质体粒径控制的效果。而如前文“挤出温度”部分所述,脂质体粒子在过膜时柔性较强,也容易发生形变,如果过膜的速度过慢,则部分脂质体微球有可能是通过发生形变的方式溜过聚碳酸酯膜,过膜后即恢复原状,其粒径大小并未发生实质性改变;如果过膜的速度过快,则有可能因表面受剪切力过于剧烈而导致脂质体膜结构破坏,包封药物的泄露。

选择一个合适的挤出压力也是脂质体生产工艺优化中比较重要的一环。压力优化的总原则是在不损坏脂质体膜结构的前提下,尽量提高压力,这样挤出的速度快,效果也好。作为挤出压力的动力提供源既可以是高压气体,也可以是高压泵,一般依据样品量的大小和设备想配合使用。



图 手动型脂质体挤出器

图 手动型脂质体挤出器

3 聚碳酸酯膜的选择 

聚碳酸酯膜是脂质体挤出过程的执行者,也是脂质体挤出器内部挤出反应发生的核心部位,其对挤出结果的影响最为重要,前面两个因素加起来权重也比膜的权重要稍低一些。一般来说,对于某一个脂质体样品的挤出,既可以选择目标孔径聚碳酸酯膜多次挤出方式,也可采用不同孔径膜梯度挤出的方法来实现粒径控制。

聚碳酸酯膜

图 聚碳酸酯膜

 

一般来说,在选择脂质体聚碳酸酯膜的孔径时,需先测定挤出前脂质体样品的原始粒径,并与最终所需达到的目标粒径相结合进行考虑,然后确定选择何种聚碳酸酯膜。举例来说,如果样品原始粒径为600nm,最终粒径需要到100nm以下,则可初步考虑两种方案进行粒径控制:

3.1 采用目标孔径的膜多次挤出

直接用100nm的膜进行挤出操作,此种方法可能存在1)较难挤出;2)聚碳酸酯膜很快因大粒径脂质体在表面滞留而需要更换等风险。

3.2 不同孔径膜梯度挤出

此时,可先用400nm的聚碳酸酯膜进行挤出,观察其挤出过程,若样品非常难挤出,则需更换为600nm聚碳酸酯膜作第一次挤出;若挤出过程比较顺畅,则就用400nm聚碳酸酯膜作为第一次挤出用膜,挤出次数可为3~5次,可在后续工艺过程中进行优化;400nm聚碳酸酯膜挤出完成后,可选用100nm或者80nm聚碳酸酯膜进行挤出,其摸索过程同上,若样品无法挤出则中间需增加200nm聚碳酸酯膜作为过渡。用此方法进行挤出时,选择原则是在能达到脂质体粒径控制效果的前提下,所选用的聚碳酸酯膜种类尽量少,这样可以大大简化操作过程,且更利于产业化放大。

小结 

挤出技术第一影响因素在聚碳酸酯膜,精致优化工艺时,需要注意优化:挤出温度、挤出压力。

 

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