Plackett-Burman设计筛选及单因素实验优化冲和凝胶处方组成*

王艳明，杜守颖，王亚静，张德芹，孙士真

（1.天津中医药大学 天津市现代中药重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地，天津 300193；2.哈尔滨医科大学（大庆），大庆 163319；3.北京中医药大学，北京 100102）

Plackett-Burman设计筛选及单因素实验优化冲和凝胶处方组成*

王艳明1，2，杜守颖1，3，王亚静1，张德芹1，孙士真1

（1.天津中医药大学 天津市现代中药重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地，天津 300193；2.哈尔滨医科大学（大庆），大庆 163319；3.北京中医药大学，北京 100102）

[目的]优化冲和凝胶的处方。[方法]以黏度、芍药苷与蛇床子素稳定性为指标，通过Plackett-Burman设计筛选处方的主要影响因素。针对影响因素，采用单因素实验设计进一步优化冲和凝胶的处方。[结果]筛选实验表明，卡波姆、载药量、甘油、pH值为制剂黏度主要影响因素；pH值、亚硫酸氢钠为芍药苷稳定性的主要影响因素。通过对各因素优化，最终制剂处方为1.5%卡波姆981、12%甘油、0.175%亚硫酸氢钠、三乙醇胺调节pH值4.5～6.0，载药量20%～30%。[结论]经验证，优化的处方考察各项指标符合制剂要求。

Plackett-Burman设计；冲和凝胶；处方优化

中药凝胶剂系指提取物与适宜基质制成具有凝胶特性的半固体或是稠厚液体制剂。凝胶剂的基质中通常加入保湿剂、防腐剂、抗氧剂、透皮促进剂等附加剂[1]。中药提取物组成复杂，并且要求凝胶基质载药量适度、黏度、保湿性、药物的稳定性、pH值合格[2]。冲和凝胶主要成分为赤芍、白芷、石菖蒲、昆明山海棠等中药提取物，主要用于糖尿病足的治疗。本研究通过筛选合适的基质、载药量、保湿剂、pH值等指标，制备合格的凝胶剂。Plackett-Burman设计（以下简称P-B设计）[3-4]是一种经济而有效的2水平实验方法，可以用较少的实验达到分析各因素主效应的效果。通过P-B设计可以快速的从众多影响因素中筛选出对制剂黏度、芍药苷和蛇床子素含量变化（即稳定性）等指标有显著影响的因素，从而达到筛选的目的，避免在后期的优化实验中由于部分因子不显著而浪费实验资源[5]。针对影响因素，运用单因素实验法优选冲和凝胶的处方，并进行3批中试放大实验，以验证处方及工艺的合理。

1 仪器与试药

1.1仪器 ZRS-8G型智能溶出试验仪：天津海益达科技有限公司。JA2103N Electronic Balance电子天平：上海精密科学仪器有限公司。GSP-9080 MBZ隔水式恒温培养箱：上海博讯实业有限公司医疗设备厂。KQ-300B型超声波清洗器：昆山市超声仪器有限公司。Brookfield DV-Ⅲ+ULTRA流变仪：美国Brookfield公司。pH计Mettler Toledo：瑞士梅特勒.托利多pH计。RW20 digital搅拌器：上海依肯机械设备有限公司。Agilent 1200高效液相色谱仪（DAD检测器）：美国Agilent公司。透析袋（美国进口分装，D27 mm，截留分子质量3 500）。微孔滤膜（德国Membrana公司，孔径0.45 μm）。

1.2试药 昆明山海棠、赤芍、独活、白芷、石菖蒲提取物：由天津中医药大学中医药研究院中药化学实验室提供。卡波姆934、971 NF、974 NF、981 NF、U10 NF：美国Noveon。甘油（供注射用）：汕头市紫光古汉氨基酸有限公司。三乙醇胺（药用级）：江西阿尔法高科药业有限公司。羟苯乙酯：西陇化工股份有限公司。亚硫酸氢钠（药用级）：江西阿尔法高科药业有限公司。异丙醇（分析纯）：天津市化学试剂一厂。无水乙醇（分析纯）：天津康科德科技有限公司。油酸：天津市化学试剂厂。EDTA-2Na：天津市光复精细化工研究所。无水亚硫酸钠、硫代硫酸钠、偏重亚硫酸钠（分析纯）：天津市北方天医化学试剂厂。色谱纯乙腈(特级品)：天津市康科德科技有限公司。去离子水：Miliipore超纯水系统（M3LL3Q/30 L）制备。

2 方法与结果

2.1P-B筛选实验设计及响应值 基质（卡波姆）、保湿剂（甘油）、稳定剂（亚硫酸氢钠、EDTA-2Na）、pH值、载药量等因素对冲和凝胶的黏度、芍药苷和蛇床子素的稳定性有一定的影响。在预实验的基础上，选择对冲和凝胶的性质有影响的6个因素作为考察对象，各因素及水平安排见表1。按处方制备冲和凝胶，测定黏度及加速实验（60℃，48 h）后芍药苷和蛇床子素含量变化。

表1 P-B实验设计的因素与水平

按实验次数为12的P-B设计表配制因素和水平，进行实验，各指标的测定结果见表2。

表2 Plackett-Burman实验设计及响应值

2.2数据处理与结果分析 利用MINITAB软件对P-B实验结果进行分析，比较各因素的P值和可信度，选择可信度大于85%的因素作为显著影响因素。各因素效应的显著性分析结果见表3。

表3 各因素响应值的显著性分析结果

从表3可以看出，各因素对响应值（黏度）影响的显著性顺序依次为：卡波姆＞pH值＞载药量＞甘油＞EDTA-2Na＞亚硫酸氢钠，其中卡波姆、pH值对冲和凝胶的黏度差异具有统计学意义（P＜0.05）。在85%的置信水平条件下，载药量、甘油对冲和凝胶的黏度差异显著（P＜0.15），且载药量、甘油也是凝胶剂的组成部分，因此也把两者作为显著性因素考虑。各因素对响应值芍药苷含量影响的显著性顺序依次为：pH值＞亚硫酸氢钠＞载药量＞甘油＞EDTA-2Na＞卡波姆，其中pH值、亚硫酸氢钠，在85%的置信水平条件下，对冲和凝胶中芍药苷稳定性差异具有统计学意义（P＜0.15），因此把两者作为显著性影响因素考虑。各因素对蛇床子素稳定性的影响均无统计学意义。

利用MINITAB软件对P-B实验结果拟合各因素对不同指标的标准化效应的正态图。各因素对响应值的影响，呈现不同的相关性及显著性，结果见图1。

图1中A、B、C中各有6个点，分别是X1-X6，6个因素。斜线为标准线，各因素偏离标准线的距离，表明其对响应值的影响程度。各图的响应值分别是：A黏度（α=0.05）；B芍药苷含量P值（α=0.15）；C蛇床子素含量P值（α=0.05）

各因素对响应值的影响呈现不同的相关性，即正相关（标准化效应值＞0）或负相关（标准化效应值＜0）。离直线越远，影响显著性越大。卡波姆、pH值、甘油与黏度呈正相关，随着各因素量的增加，黏度也随着增大，且卡波姆和pH值对黏度的影响最大。而载药量与黏度呈负相关，随着载药量的增加，黏度逐渐降低。pH值对芍药苷的稳定性的影响呈现负相关，pH增大则芍药苷稳定性降低，与文献报道[6]相一致，亚硫酸氢钠对芍药苷的稳定性的影响呈现正相关。蛇床子素比较稳定，各因素对其影响均不显著，与文献报道[7]一致。

图1 各因素对不同指标的标准化效应的正态图

2.3单因素实验对处方优化 卡波姆、载药量、甘油、pH值、亚硫酸氢钠等主要因素，影响着制剂的黏度及芍药苷的稳定性，且呈不同相关性。因此继续采用单因素实验法进行筛选，以优化冲和凝胶的处方。

2.3.1卡波姆用量及载药量的优化 卡波姆的用量与载药量凝胶的成型性和稳定性都会产生很大影响。考虑到中药提取工艺出膏率的批间差异，将载药量（以提取物计）在20%预设值的基础上，上浮至30%进行基质用量的考察。

分别制备卡波姆用量为0.5%、1%、1.5%的冲和凝胶，使载药量分别为20%和30%，其他处方成分相同。以颜色、外观性状、质地、涂布性等为考察指标，以确定冲和凝胶中卡波姆浓度。结果见表4。

表4 卡波姆浓度的筛选结果

由表4可以看出，卡波姆浓度为1.5%时，载药量为20%、30%时，均成红棕色凝胶状态，质地均匀细腻、易涂布、离心不分层稳定性好，符合凝胶剂的基本质量要求。因此，选择冲和凝胶的卡波姆浓度为1.5%、可以载药30%。

2.3.2甘油用量的优化 甘油作为凝胶剂的常用保湿剂，不仅有利于皮肤保湿、养护，而且对提高制剂的光泽度、维持剂型稳定性也很重要，其常用的浓度范围为5%～20%。

将甘油用量分别设计为5%、8%、10%、12%、15%和20%，其他处方成分相同，制备冲和凝胶。以颜色、质地、涂布性、黏度（25±2）℃、保湿率（%）等为考察指标，对冲和凝胶中甘油的用量进行筛选。

其中，保湿率的测定参照文献方法[8]，将饱和碳酸钾溶液于密封的干燥器中，放置于室温（22±2）℃，使干燥器内的相对湿度为43%，精密称取1 g冲和凝胶置于直径为50 mm的称量瓶中（带盖），分别放置于上述密封干燥器中，48 h后取出称取各试样的质量，比较放置前后的质量差。计算保湿率（%）。保湿率（%）=[（48 h后凝胶剂的质量-放置前的质量）/放置前的质量]×100。结果见表5。

表5 甘油用量的筛选结果

由表5可知，凝胶剂的保湿率随着甘油量的增加而增大。在兼顾保湿性和稳定性的同时，凝胶剂也应具有较好的涂布性。由此可知，当甘油用量大于12%时，凝胶剂涂布性不佳。综合考虑，选择甘油的用量为12%。

2.3.3pH值的优化 以卡波姆为凝胶基质的凝胶剂，属于pH值敏感型。随着pH值的增大，黏度逐渐增大，pH值为6～12时最为黏稠。而在保证凝胶具有一定黏附性的同时，也要兼顾药物的稳定性，故应对凝胶剂适宜的pH值范围进行考察。

制备相同处方、不同pH值的冲和凝胶，以颜色、质地、涂布性、气味、黏度（25℃）、加速实验前后蛇床子素和芍药苷的含量变化百分率为考察指标，选择合适的pH值范围。结果见表6、图2。

由表6和图2可知，在pH值为4.33～6.66时，冲和凝胶的各项指标结果均较好，主要药效成分及指标成分——芍药苷和蛇床子素均稳定。故冲和凝胶的pH值取整，选择为4.5～6.0。

表6 pH值的筛选实验结果

图2 pH值对芍药苷和蛇床子素含量的影响

2.3.4亚硫酸氢钠用量的优化 为了增加制剂的稳定性，对亚硫酸氢钠的用量进行考察。按已选定的基质和附加剂，配制冲和凝胶样品，分成若干份，按常用量加入不同用量的亚硫酸氢钠，对用量进行筛选。结果见表7。

表7 亚硫酸氢钠用量的筛选结果

由表7可知，在亚硫酸氢钠浓度为0.175%时，冲和凝胶中各个指标的变化最小，稳定性最好。故亚硫酸氢钠的用量选择为0.175%。

2.4工艺验证 按照所确定的处方和工艺，以水和甘油为溶解及分散介质，以1.5%卡波姆981为凝胶基质，12%甘油为保湿剂，0.175%亚硫酸氢钠为稳定剂，三乙醇胺调节pH值至4.5～6.0制备冲和凝胶。

重复制备3批样品，加速实验后，以外观性状、涂布性、pH值、离心稳定性等为指标考察处方的稳定性。结果见表8。

三批样品各项指标均较好，验证结果表明本冲和凝胶的处方较优。

3 结论

本研究通过简单、经济的P-B筛选设计，筛选卡波姆、pH值对冲和凝胶的黏度具有显著性影响（P＜0.05）。在85%的置信水平条件下，载药量、甘油对冲和凝胶的黏度影响显著，pH值、亚硫酸氢钠对冲和凝胶中芍药苷稳定性影响显著。

表8 工艺验证的实验结果

通过单因素实验法对冲和凝胶的处方进行进一步优选，确定制剂的最佳处方为：1.5%卡波姆981+12%甘油+0.175%亚硫酸氢钠+三乙醇胺调节pH值至4.5～6.0，载药量20%～30%。中试放大，样品质量均稳定，表明冲和凝胶处方及工艺较合理。

卡波姆对凝胶的黏度的影响最显著，呈正相关。由于卡波姆分子结构中含52%～68%的酸基团，因此具有一定的酸性，可用碱性物质中和，形成凝胶。在pH值6～11时，黏度最大。载药量与冲和凝胶的黏度呈负相关，载药量越大，凝胶剂的黏度越小。曾有文献报道[9-10]，中药提取物中存在很多的离子，这些离子的量和游离状态都无法知道，所以这些离子的存在直接影响到凝胶体系的黏度。pH值对芍药苷的稳定性有显著性的影响，芍药苷在酸性条件下稳定，碱性高温条件下不稳定。

处方筛选实验可以通过实验设计[11-14]，或多种实验设计组合，进行优选。P-B设计可以用较少的实验达到分析各因素主效应的效果，在不大量增加实验次数的情况下给出较多的信息，包括影响是否显著，影响为正相关还是负相关。P-B设计可以针对响应值，通过响应优化器给出优化处方，但由于各因素水平仅为2个，跨度宽泛，仅供参考。因此本实验通过单因素实验进一步优化，筛选出了最优处方。据比较，优化后的处方要优于响应器给出的处方。

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Optimization of Chonghe gel formulation using Plackett-Burman design and single-factor design

WANG Yan-ming1,2,DU Shou-ying1,3,WANG Ya-jing1,ZHANG De-qin1,SUN Shi-zhen1
（1.Tianjin University of Traditional Chinese Medicine,Tianjin State Key Laboratory of Modern Chinese Medicine, Tianjin 300193,China;2.Harbin Medical University(Daqing),Daqing 163319,China;3.School of Chinese Pharmacy,Beijing University of Chinese Medicine,Beijing 100102,China）

[Objective]To choose the optimal formulation for the Chonghe gel prescription.[Methods]The viscosity of the preparation and the stability of paeoniflorin and osthole were served as evaluation criterions.The experiment would inspect the significance of influential factor of preparation by Plackett-Burman design.Then the prescription was further optimized for those factors.[Results]Plackett-Burman design tests showed that the amount of Carbomer,drug loading,glycerol,pH value were significant influencing factors on the formulation viscosity.The amount of sodium bisulfite,pH value were major influencing factors of stability of paeoniflorin.By further optimization of the various factors,the final prescription was optimized as follows：carbomer 981 was 1.5%,glycerol was 12%,sodium bisulfite was 0.175%,pH value was at 4.5 to 6.0 adjusting by the triethanolamine,the amount of the drug loading was 20%to 30%.[Conclusion]The optimized formulation is proved to be reliable,stable and available for meeting the preparation requirements.

Plackett-Burman design;Chonghe gel;formulation optimization

R285

：A

：1673－9043（2014）04－0225-05

2014-03-11）

10.11656/j.issn.1673-9043.2014.04.10

天津市高校双五科技计划项目（SW20080007）；“重大新药创新制”科技重大专项资助项目（2012ZX09103201-046）。

王艳明（1978-），男，博士研究生，主要从事中药新制剂研究。

王亚静，E-mail:yajing022@163.com。