呼吸模式对雾化吸入剂粒径分布影响的体外研究

胡军华，陈茜，秦浩龙，张睿，谭文

(广东工业大学生物医药研究院，广东 广州 510006)

吸入制剂是治疗肺部疾病的首选剂型。目前，吸入制剂有水雾剂、干粉吸入剂和气雾剂3种类型[1]。与干粉吸入剂和气雾剂相比，在使用水雾剂时不需要患者刻意配合，可持续和更大剂量给药，适合儿童和病情较重患者使用[1-4]。水雾剂需要借助雾化装置产生气溶胶后才能被患者吸入。根据雾化原理的不同，可以将雾化装置分为空气压缩雾化器、超声雾化器和筛网振动雾化器3类[5-7]。在确定处方后，水雾剂的递送性能主要由所选的装置决定[8]。

吸入制剂的粒径及粒径分布是影响药物气溶胶在肺部沉积部位的主要因素。文献报道，5 μm以上的药物粒子主要在口咽部沉积，2～3 μm的药物粒子能沉积到肺泡，小于1 μm的药物粒子容易随着呼气气流呼出体外[9-11]。目前，《中国药典》2015年版推荐的用于吸入剂粒径及粒径分布测试的方法主要有碰撞法和激光衍射法[12]。在使用碰撞法测试水雾剂的粒径及粒径分布时，测试流速是(15±0.75)L/min，并且在恒定流速条件下进行测试[12]。激光衍射法的测试条件与碰撞法的相同[13]。但是，以上这种测试条件与吸入剂临床使用时的气流环境不相符合。因此，有必要探究在接近临床使用条件下的吸入制剂的粒径及分布情况，对于药物处方开发和装置选择具有重要意义。在进行雾化吸入剂递送速率和递送总量的测试中，《中国药典》推荐的成人呼吸模式为：潮气量500 mL，呼吸频率 15次/min，吸气和呼气的比值1∶1[12]。显然这种呼吸模式并不能代表呼吸功能下降病人的呼吸模式，如慢性阻塞性肺病和肺纤维化的患者。有文献表明，当吸气时间与呼吸循环总时间的比值(Ti/Ttotal)小于0.4时，可以认为该呼吸模式存在气道阻塞的情况[14-15]。另外，对于呼吸功能减弱的患者，往往也表现出呼吸频率加快，潮气量降低的特点。

异甜菊醇钠(isosteviol sodium，STVNa)是一种对心肌肥大、肺动脉高压和脑卒中等心脑血管疾病有治疗作用的药物[16]。本实验室已开发出了异甜菊醇钠的雾化吸入剂，用于治疗肺纤维化。药物气溶胶在呼吸系统的沉积部位与药物气溶胶颗粒的粒径和分布密切相关[9-10]，在吸入制剂粒径分布的体外评价中，现有测试方法能否充分体现在疾病状态下的粒径及分布情况，尚未有文献报道。由于多级碰撞器只能在恒定流速下进行测试，在动态呼吸模式下无法正常工作。因此，本研究以STVNa雾化吸入剂为测试药品，参考前期研究的方法[8,17]，将激光粒度仪与呼吸模拟器串联，探究呼吸模式对水雾剂粒径分布的影响。

1 仪器与材料

新帕泰克HELOS激光粒度仪(德国新帕泰克公司)；BRS2000呼吸模拟器(英国Copley公司)；Certifier®FA plus呼吸模式验证仪(美国TSI公司)；百瑞空气压缩泵(Pari®BOY SX，德国百瑞公司)；Pari®LC sprint喷射雾化器(红芯和蓝芯，德国百瑞公司)；Aeroneb Pro主动型筛网振动雾化器(美国Aerogen公司)和Omron microAir NE-U22被动型筛网振动雾化器(日本欧姆龙公司)；Milli Pore Advantage A10自动纯水机(美国默克公司)。

STVNa雾化吸入溶液(2 mg/mL，自制)；生理盐水(批号：19081706F，河南双鹤华利药业有限公司)；药用级乙醇(批号：E1931154，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)；1,2-丙二醇(批号：20171008，天津市大茂化学试剂厂)。

2 方法

2.1 呼吸模拟器和激光粒度仪的串联

参照先前的研究[8,17]，将呼吸模拟器和激光粒度仪串联起来，仪器连接如图1所示，使用呼吸模拟器模拟不同吸气时间和不同潮气量的呼吸模式，呼吸模式设置见表1。在呼吸模拟器上设置好呼吸模式的各项参数，如潮气量(Tidal volume，TV)、呼吸频率(Frequency，F)，以及吸气时间占呼吸周期的比值(Duty cycle，Ti/Ttotal)。每个呼吸模式对应的平均吸气流速按照以下公式计算：

当呼吸模拟器按照设定的呼吸模式运行时，在激光粒度仪进样池的进气口使用呼吸模式验证仪来验证各项呼吸参数是否在可接受区间内。

图1 呼吸模拟器和激光粒度仪装置串联图

Figure 1 Series diagram of respiratory simulator and laser diffractometer

表1 呼吸模式设置参数Table 1 Setting parameters of breathing patterns

*呼吸模式1指的是《中国药典》选用的模式。

2.2 不同呼吸模式下的粒径分布测试

在吸气阶段时，雾化器产生的药物气溶胶随着吸气气流进入激光粒度仪的进样池。激光粒度仪每20 ms采集1个信号，利用费氏模型来分析激光的衍射数据。WINDOX 数据软件自动计算出基于体积权重的粒径分布结果。其粒径分布的表达参数包括：X(10)，表示粒径比该值小的粒子占10%；X(50)，表示粒径比该值小的粒子占50%；以及X(90)，表示粒径比该值小的粒子占90%。按照以下公式计算出衡量粒径分布跨度的指标(Span)：

在激光粒度仪测试区的药物雾滴的量由光学浓度(Copt，optical concentration)来表征。其计算公式如下：

其中，I0表示在没有样品经过测试区域时，在检测器中心的光学强度；Ip表示在有样品经过测试区域时，在检测器中心的光学强度[17]。在测试区域的药物雾滴的量与光学浓度呈正相关。

4种雾化器分别加入2 mL的STVNa雾化吸入溶液，持续雾化1 min。每个雾化器至少测试3次。将吸气段的粒径分布结果进行统计分析。

2.2 统计分析

3 结果

3.1 不同雾化器在不同吸气时间下的粒径分布结果

使用不同雾化器在不同吸气时间段的粒径结果如表2～表5所示。当使用筛网振动雾化器时，Ti/Ttotal=0.3时的粒径分布X(50)值和Span值与Ti/Ttotal=0.5的结果相比，差异具有统计学意义(P<0.01)；而Ti/Ttotal=0.4的结果与Ti/Ttotal=0.5的结果相比，差异没有统计学意义。与筛网振动雾化器得到的结果不同，使用空气压缩雾化器[Pari LC sprint(蓝芯)和Pari LC sprint(红芯)]时，在Ti/Ttotal=0.4和Ti/Ttotal=0.3的吸气段内，粒径分布X(50)值和Span值与Ti/Ttotal=0.5的结果相比，差异均具有统计学意义(P<0.05或P<0.01)。

表2 使用Aeroneb Pro 雾化器得到的粒径参数Table 2 Results of particle size obtained by Aeroneb Pro nebulizer

与Ti/Ttotal=0.5比较：**P<0.01。

表3 使用Omron microAir NE-U22 雾化器得到的粒径参数Table 3 Results of particle size obtained by Omron microAir NE-U22 nebulizer

与Ti/Ttotal=0.5比较：*P<0.05,**P<0.01。

表4 使用Pari LC sprint(蓝芯)雾化器得到的粒径参数Table 4 Results of particle size obtained by Pari LC sprint (blue)

与Ti/Ttotal=0.5比较：*P<0.05,**P<0.01。

表5 使用Pari LC sprint(红芯)雾化器得到的粒径参数Table 5 Results of particle size obtained by Pari LC sprint (red)

与Ti/Ttotal=0.5比较：*P<0.05,**P<0.01。

3.2 不同雾化器在不同吸气时间下的粒径累积分布结果

图2-5是使用不同雾化器在不同吸气时间段得到的颗粒粒径累积分布结果。可见，使用Aeroneb Pro雾化器时，在不同的吸气时间段内，3个粒径区间(<3 μm、3～5.25 μm和>5.25 μm)的累积分布结果的差异无统计学意义。使用Omron microAir NE-U22雾化器时，在Ti/Ttotal=0.3的吸气段内，3个粒径区间的累积分布结果与在Ti/Ttotal=0.5的结果相比差异具有统计学意义(P<0.05)；且在<3 μm粒径区间内，粒径累积分布呈上升趋势。同时，在3～5.25 μm和>5.25 μm粒径区间内，粒径累积分布呈下降趋势。然而，在Ti/Ttotal=0.4时，3个粒径区间的结果与在Ti/Ttotal=0.5的结果相比差异没有统计学意义。

与筛网振动雾化器得到的结果不同，使用空气压缩雾化器(Pari LC sprint(蓝芯)和Pari LC sprint(红芯))时，在Ti/Ttotal=0.4和Ti/Ttotal=0.3时，3个粒径区间(<3 μm、3～5.25 μm和>5.25 μm)的累积分布结果与在Ti/Ttotal=0.5的结果差异均有统计学意义(P<0.05)。并且，随着吸气时间的缩短，在<3 μm粒径区间内，粒径累积分布呈下降趋势；在3～5.25 μm和>5.25 μm粒径区间内，粒径累积分布分别呈上升趋势。

图2 使用Aeroneb Pro 雾化器得到的粒径累积分布

Figure 2 Cumulative particle size distribution obtained by Aeroneb Pro nebulizer

3.3 不同雾化器不同潮气量下的粒径分布结果比较

使用不同雾化器在不同潮气量下的粒径结果见表6。可见，当Ti/Ttotal=0.3，使用Aeroneb Pro雾化器时，潮气量为400 mL时的中位粒径结果X(50)与潮气量为500 mL和600 mL时的结果相比差异均具有统计学意义(P<0.05)；而使用Omron NE-U22雾化器时，只有潮气量为500 mL时的中位粒径结果X(50)与潮气量为600 mL时的结果相比差异具有统计学意义(P<0.05)。对于空气压缩雾化器，使用Pari LC sprint(蓝芯)雾化器时，3种潮气量下得到的中位粒径结果的差异均没有统计学意义(P>0.05)；而使用Pari LC sprint(红芯)雾化器时，3种潮气量下得到的中位粒径结果的差异均具有统计学意义(P<0.05)。

与Ti/Ttotal=0.5比较：*P<0.05,**P<0.01。

图3 使用Omron microAir NE-U22 雾化器得到的粒径累积分布

Figure 3 Cumulative particle size distribution obtained by Omron microAir NE-U22 nebulizer

当Ti/Ttotal=0.4，使用Aeroneb Pro雾化器时，潮气量为500 mL时的中位粒径结果X(50)与潮气量为400 mL和600 mL时的结果相比差异均具有统计学意义(P<0.05)；而在使用Omron NE-U22雾化器时，3种潮气量下得到的中位粒径结果的差异均没有统计学意义(P>0.05)。对于空气压缩雾化器，其结果与当Ti/Ttotal=0.3时的结果类似，使用Pari LC sprint(蓝芯)雾化器时，3种潮气量下得到的中位粒径结果的差异均没有统计学意义(P>0.05)；而使用Pari LC sprint(红芯)雾化器时，3种潮气量下得到的中位粒径结果的差异均具有统计学意义(P<0.05)。

与Ti/Ttotal=0.5比较：*P<0.05,**P<0.01。

图4 使用Pari LC sprint(蓝芯)雾化器得到的粒径累积分布

Figure 4 Cumulative particle size distribution obtained by Pari LC sprint nebulizer (blue)

与Ti/Ttotal=0.5比较：*P<0.05,**P<0.01。

图5 使用Pari LC sprint(红芯)雾化器得到的粒径累积分布

Figure 5 Cumulative particle size distribution obtained by Pari LC sprint nebulizer (red)

表6 不同雾化器不同潮气量下的X(50)值Table 6 X(50) under different tidal volumes by different

注：不同字母代表差异具有统计学意义(P<0.05)，相同字母代表差异不具有统计学意义(P>0.05)。

4 讨论

药物气溶胶的粒径及分布是经口吸入剂的重要质量属性，在雾化吸入剂开发的过程中必须严格控制。影响药物气溶胶粒径及分布的主要因素有以下3种：(1)药物溶液的理化性质，如黏度和表面张力[18-19]；(2)雾化装置的原理和粒径区间；(3)患者的疾病状态和呼吸道的生理构造的差异[9,20]。目前，各国药典均已规定了吸入制剂粒径及分布测试的方法，但测试方法均只在单一的条件下进行测试，所推荐的测试条件并没有和患者在使用吸入制剂时的呼吸状态相一致。虽然，覆盖所有的呼吸状态是不现实的，也是不具有可操作性的。但是，规定或推荐几种能代表不同疾病状态下的呼吸模式，并在这一呼吸模式下评价药物气溶胶的粒径及分布，其体外评价的结果可能会更接近临床使用的情形。本课题组前期研究结果表明，雾化吸入剂的递送量与呼吸模式的平均吸气流速有关[8]。为保证足够多的药物能够被递送进肺部，推荐患者采用“深而慢”的呼吸模式[8]。研究表明，有呼吸道阻塞的患者，往往吸气时间短，同时潮气量降低[21]。

本研究中，探究了吸气时间和潮气量对雾化吸入剂粒径及分布的影响。设定了3个不同的吸气时间段：Ti/Ttotal=0.3和Ti/Ttotal=0.4的呼吸模式，代表患者在疾病状态下的吸气时间；Ti/Ttotal=0.5为《欧洲药典》、《美国药典》和《中国药典》推荐标准。另外，设定了600、500、400 mL 3个不同的潮气量，代表在疾病状态下可能出现的潮气量的变化。研究结果表明，粒径分布的差异不仅与呼吸模式有关，同时也与所选的雾化装置有关。在使用空气压缩雾化器时，随着吸气时间的缩短，药物气溶胶的粒径值会有变大的趋势；而在使用筛网振动雾化器时，随着吸气时间的缩短，药物气溶胶的粒径值反而有变小的趋势。空气压缩雾化器的原理表明，空气气流参与雾滴的产生和运输的过程[6]，而筛网振动雾化器的雾滴的产生并不需要空气气流的参与，空气气流仅仅在药物的运输过程中产生影响[22]。由于空气的引入而产生的蒸发效应的程度，与气溶胶的雾滴量有关[22]。在本研究中，空气压缩雾化器产生的雾滴量要高于筛网振动雾化器产生的雾滴量。因此，在使用筛网振动雾化器时，由于空气气流而产生的蒸发效应导致雾滴粒径缩小。而在使用空气压缩雾化器时，产生的雾滴量高，在气溶胶范围内的湿度较高。因此，小颗粒更容易由于蒸发效应而消失，从而使小颗粒的比重降低，使粒径分布向粒径偏大的方向转移。

雾化吸入制剂的粒径及分布与药物气溶胶在肺部的沉积密切相关，在雾化吸入剂开发的过程中需要建立与临床使用相关联的评价方法，从而让体外评价的结果更好地指导临床应用。