2021-07023 环球过滤分离技术网 guolvfenlitech6
API在均匀聚合物颗粒中的可控可重复封装
摘要 本应用报告描述了使用Dolomite液滴微流控PLGA封装系统制备尺寸为10至45μm的高单分散聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)颗粒的方法。 本文所述的颗粒制造方法依靠聚合物在溶剂中溶解,然后使用液滴微流控芯片乳化。这种方法的主要优点是得到的颗粒具有高的单分散性和逐批一致性。还有一个优点是,在不改变硬件的条件下,可以在一个系统上可控的实现很宽的颗粒尺寸范围。 我们在一系列试验条件下进行操作,其中液滴流和载液流之间的相对流动条件是变化的,所得到的液滴尺寸和液滴速率均做了记录。这描述了液滴的收集和从液相到固相的转化过程。 测试所获得的关键参数有: •液滴流量范围:0.5 – 30 μL/min •载液流量范围:10 – 125 μL/min •液滴尺寸范围:35 – 101 μm •颗粒尺寸范围:12 – 44 μm (2μm颗粒在有些单独测试中出现) •最大液滴生成速率: 14 kHz •使用的聚合物浓度:1%, 2%, 10%, 和20 % (w/v) •高单分散颗粒(<5%CV)
介绍 聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)是一种具有广泛用途的聚合物,由于其生物降解性和生物相容性,可作为药物传递的载体,并作为美国食品和药物管理局批准的几种疗法的基础。 大家认识到有必要制备高度单分散的颗粒,用于药物可控释放和靶向给药等应用。 在这些应用中,对颗粒尺寸分布的精确控制尤其重要,因为它对体内的选择分离(增强渗透性和保留效应)有显著影响。此外,颗粒的大小决定了降解速率,从而决定了药物释放速率。颗粒尺寸对比表面积和体积比有显著影响,从而影响功能涂层基团的数量。在靶向药物递送应用中,这反过来决定了颗粒对定位到特定位置的偏好。 由于PLGA颗粒的可控降解,API长时间不断释放
传统的乳液制备PLGA颗粒的方法在每批产品中都会产生多种直径范围的颗粒。通过控制剪切能的输入,尺寸选择的程度也是有限的。 本文提出基于微流控的方法产生高度单分散的颗粒,从而提高了工艺的收率。
材料和方法 采用微流控法生产PLGA颗粒是通过液滴的形成和溶剂的萃取来实现的。使用两种部分混溶的溶剂二氯甲烷(DCM)和水。PLGA溶解在DCM中形成液滴。水性表面活性剂混合物形成连续相流体。表面活性剂吸附在液滴与载体之间的流体界面上,使乳液稳定。 1. 系统设置 实验使用Dolomite公司PLGA颗粒封装系统, 一个高达10bar的氦气气源连接到压力泵。这与系统的流阻一起防止了DCM-PLGA溶液释放气体。释放气体会导致系统中聚合物不受控制的沉淀,从而产生流动不稳定性(在某些极端情况下会造成堵塞)。系统的连接示意图如下:
用于制造PLGA颗粒的微流控装置示意图
2. 微流控芯片 采用100μm亲水性3D聚焦流芯片(PN:3200433)制造液滴。3D聚焦流设计最大限度地减少了后通道壁的沉淀,并使芯片长时间运行无堵塞风险。这是由于液滴形成节点出口侧的特殊“孔”结构,该结构在液滴形成节点处产生三维层流。这种流动模式在处理容易污染芯片节点的液滴时特别有效。 软件控制的高速成像系统(PN:3200050)观测微流控芯片的液滴生成节点处,实现了可视化。 3. 试剂 三个压力泵中分别装有液滴流,启动流和载液流。 · 启动流:二氯甲烷(DCM)通过0.2μm过滤器,无需进一步处理即可使用。 · 液滴流制备:PLGA在室温下通过一小时的搅拌溶解在DCM中。制备10 ml体积的4种浓度1%、2%、10%和20%(w/v)。 · 载液流:2%PW11表面活性剂混合物通过0.2μm过滤器,无需进一步处理即可使用。 试剂 | | | Poly(D,L-lactide-co-glycolide) – ester terminated, lactide:glycolide 75:25, Mw 76,000- 115,000 | | | Dichloromethane – CHROMASOLV®, for HPLC, ≥99.8%, contains amylene as stabilizer | | | | | |
结果 液滴形成后,DCM开始向周围水相扩散(DCM在室温下在水中的溶解度为2%(v/v)),从而耗尽液滴中的溶剂。液滴中的溶剂消耗增加了PLGA的浓度,直到达到过饱和,PLGA颗粒沉淀下来。由于每个液滴周围有足够多的水,溶剂的扩散释放会继续进行。最终,当大部分溶剂从液滴中除去时,液滴中的固体被留了下来。在此阶段,液滴转化为PLGA颗粒。溶剂的去除会导致体积和大小成比例的减小。因此,液滴的尺寸明显缩小。 为了演示估算尺寸变化的工作流程,使用下表中的测试条件收集样本。
用像素分析软件测量液滴的大小。以100μm的通道宽度作为参考尺寸,利用高速成像系统以1kHz的帧率、592px×144px的像素尺寸记录液滴产生的视频。 当液滴产生速率高于视频捕获速率时,记录静止图像。这足以测量液滴的大小。然后通过以下方法估算液滴速率:
Droplet rate (Hz) = Droplet phase flow rate (μL/s) / Droplet volume (μL)
液滴收集在小瓶中。该小瓶预先填充100μL载液(水+2%PW11水性表面活性剂混合物) 左图:出口管浸入收集液。右图:液滴从管中流出,通过水相落下,在小瓶底部聚集
溶剂去除是通过二氯甲烷从液滴中扩散,穿过液滴/载液界面,进入载液实现的。二氯甲烷从收集的样品中逐渐去除,并排放到大气中。留下的是固化的PLGA颗粒悬浮在载液中。溶剂去除概念分子示意图
在大量水溶液存在下,溶剂不断地从液滴中扩散出来。残余的疏水聚合物形成一个比初始液滴更小的微粒。表面活性剂分子(上图未示出)在有机液滴和水载体之间的流体界面处自组装:表面活性剂分子的疏水部分侵入液滴,而亲水部分向外延伸。 为了收集和分析少量样本,从收集瓶中取出出口管,将样本收集在一个小玻璃盖玻片上。在显微镜下观察盖玻片,并在固定的时间间隔内记录图像。 箭头表示DCM从液滴到水的转移路线
聚合物液滴沉淀在玻璃盖玻片上的水滴底部。盖玻片没有涂层,因此具有亲水性,与液滴芯片的表面相同。DCM有足够的暴露表面积,可以从聚合物液滴转移到周围的水中,并最终扩散到大气中。 下面的图像按顺序显示了所采集样品随时间的变化。每相隔30秒的图像。尺寸预估的像素分辨率为1.77μm/px 从液滴之间的差异可以看出溶剂去除的变化。然而,由于是单分散的,所有的液滴都具有相同的初始尺寸和最终尺寸
选择一个液滴/颗粒,并在溶剂去除过程中持续跟踪,记录尺寸。跟踪液滴的收缩
芯片上一旦形成液滴,收缩就开始了。因此,当在显微镜下跟踪尺寸时,尺寸已从101μm减小到95μm。图表显示液滴的最终尺寸为23μm。
Shrinkage = (Size of droplet) / (Size of particle) 在上述试验条件下,收缩率为101μm/23μm=4.36。在最终尺寸时,液滴失去了大部分DCM成分,留下了一个半凝胶状的PLGA颗粒。 左图:显示不同聚合物浓度下的最终粒径与起始液滴粒径的关系 右图:不同聚合物浓度下的收缩率与起始液滴尺寸
液滴尺寸与颗粒尺寸 溶剂的去除速率与去除方法密切相关。在盖玻片上,有很大的表面积可供蒸发,因此溶剂去除过程在可在几分钟内完成。在柱法、溶剂交换法中,溶剂的去除可能需要较长的时间,且需要更多的控制。 液滴尺寸随流量比(液滴流量/载液流量)的变化而变化。结果和液滴图片的完整列表见附录。液滴的收缩取决于不同的物理参数,如流动比、界面张力和流体粘度。液滴在芯片上产生,并在芯片外收集,以便从液相转化为固相。在这个转化阶段,表面活性剂充分稳定了乳液。
液滴产生速率
Polymer concentration | Maximum droplet rate | | | | | | | | |
结论 液滴微流控技术已被证明是制备高单分散性和尺寸均匀性PLGA颗粒的有效工具。 微流控技术可以通过改变载液相和液滴相的流速,以及改变液滴相中PLGA的浓度,实现对颗粒尺寸的无缝控制。在这项工作中,在相同的微流控系统上获得了尺寸12μm到44μm的颗粒,硬件不需要改变。 在本研究中获得的样品的显微镜图像显示出极高的颗粒均匀性,这可以实现颗粒的均匀降解和药物均匀释放。 Dolomite公司的Telos多通道平台,可以扩大PLGA颗粒的产量。 附录: 液滴直径和速率
下面表格显示了许多不同试验条件下的液滴尺寸和速率。每种测试条件在两条流体管路上的设定流速上都不同。 1.1.1 1% PLGA solution 1.1.2 2% PLGA solution 1.1.3 10% PLGA solution
1.1.4 20% PLGA solution
1.1.5 结果的图形表示
左图:3种液滴流速下,液滴尺寸随载液流的变化 右图:3种液滴流量相同时,尺寸大小和液滴速率的依赖关系
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