湿法纳米研磨制备药物纳米晶体——铝碳酸镁

王小康，张扬，FALOLA Akinola，何运良，王学重

（1 北京石油化工学院新材料与化工学院，恩泽生物质精细化工北京市重点实验室，北京 102617；2 华南理工大学化学与化工学院，广东 广州 510640）

据统计，约45% 的活性药物成分（active pharmaceutical ingredient,APIs）在水中的溶出速率和溶解度非常低[1]，影响了其生物利用度和药效，因此，提高APIs 的溶出速率和溶解度一直是新药研发和药物生产中难以绕过的难题[2-3]。众所周知，新药研发风险大、周期长，开发一个新药平均需要十年，耗资十亿美元，筛选上万个药物候选化合物才有可能得到一个批准上市。候选化合物不能成药的关键原因往往不全是由于活性或安全性，还常常受溶解度和溶出速率制约。因此，提高溶解度和溶出速率是药物研发的关键技术。对仿制药开发而言，解决溶解度和溶出速率问题同样重要。国务院办公厅2016 年和2018 年分别印发了《关于开展仿制药质量和疗效一致性评价的意见》和《关于改革完善仿制药供应保障及使用政策的意见》，要实现药效和原研药的一致性，必须保持仿制药的溶出速率和溶解度与原研药一致。

很多研究通过研磨等方法将API颗粒粒度制备成微米级以增加比表面积，以期提高其溶出速率和表观溶解度，但是微米化对于极难溶于水的药物，溶出速率和溶解度增加的效果不明显。近年随着对纳米技术研究的深入认识发现，当颗粒粒度继续减小到纳米级，尤其是小于100～200nm 时，其溶出速率和表观溶解度会出现非常显著的提升，因此，药物纳米化被认为是解决药物低溶出速率和低溶解度难题的极具吸引力的新技术途径。本文提到的表观溶解度是利用符合要求的仪器按严格步骤测量得到的固体颗粒在某溶剂中于一定温度和压力条件下的平衡溶解度[4-5]。表观溶解度不一定等于该化合物理论上的符合热力学严格定义的溶解度，例如同一化合物的两种晶型可能会得到两种不同的表观溶解度，尽管其理论上的符合热力学严格定义的溶解度应该是相等的。表观溶解度在应用中可能更有实际意义，例如在人体环境中某药物在一定时间的表观溶解度就比该药物的理论溶解度更有意义。本文作者课题组通过对国内某制药企业一种难溶于水的药物晶体产品氟苯尼考的尝试性研究发现，当该API晶体颗粒尺寸减小到100nm左右时，其表观溶解度相对于微米级的产品提升了约2.6 倍，表明表观溶解度与颗粒尺寸存在一定的关系。

严格意义上讲，药物纳米晶体指的是呈晶体形态的纳米级的药物颗粒。但是对于包含部分晶状颗粒的悬浮液，甚至在加工过程中晶体颗粒转变为纳米级无定形的固体颗粒也都统称为药物纳米晶体[3]。

根据给药方式的不同可将药物纳米晶体的应用分为口服药、肠外给药、肺部给药、眼药、皮肤药等[3,10]，其中在口服药中应用最多。美国食品药品监督管理局（FDA）批准了近20个纳米药物产品，包括悬浮液类，例如治疗眼高压的Azopt®（爱尔康Alcon）、抗精神病药物Invega Sustenna®（强生Johnson & Johnson）；固体药片制剂，例如抗真菌药Gris-Peg®（诺华Novartis）、高胆固醇血症的Tricor®（雅培Abbott）以及胶囊剂，例如止呕吐的Emend®（默 克Merck） 和Cesamet®（礼 来Lilly）等。其次是肠外给药应用，即通过皮下、肌肉、静脉、皮内或动脉内注射使药物直接进入血管、器官、组织或产生病变的位置，例如强生（Johnson&Johnson）的抗精神疾病药物InvegaSustenna®就是以注射为给药方式的药物纳米晶体悬浮液。相对于利用聚合物包覆等技术手段，药物纳米晶体的载药量大得多（接近100%），在肺部给药、眼药、皮肤药等也都有应用，展现了良好的前景，因此相关研究和产品开发越来越受到重视[3,10-13]。除了已经上市的药物，还有多项新产品正处于研发和批准的过程中。

药物纳米晶体的制备技术大体上分为两种：①自下而上的方法（bottom-up），即通过化学合成、分子自组装和定位组装等合成纳米颗粒；②自上而下的方法（top-down），即通过微加工技术将药物颗粒纳米化。关于自下而上的方法的科研论文较多，然而关于自上而下的方法的科研论文还不多，但在制药工业生产中更受到重视。主要原因是首先该方法通用性强，几乎适用于所有药物，而自下而上的化学合成方法受具体药物结构合成方法影响而多样化。其次，自上而下微纳米加工技术易于放大，和其他的药物纳米晶体加工方法例如通过聚合物包载的方法相比载药量高很多。最后，基于湿法纳米研磨的技术最多采用水为溶剂，绿色环保，而自下而上的化学合成法多采用有机溶剂。因此，目前欧美制药企业最重视的药物纳米晶体加工技术就是自上而下的颗粒再加工技术，尤其是多级湿法纳米研磨的工艺[2-3,6-9,14-16]。

制药工业通过自上而下的湿法纳米研磨技术制备药物纳米晶体的实际应用的报道很多，但由于保密原因，普遍不会公开技术细节。较早对湿法纳米研磨技术的研究集中在无机化合物颗粒[17-18]，虽然我国的制药企业对自上而下的湿法纳米研磨技术制备药物纳米晶体的技术兴趣浓厚，中国药学会和一些学者例如岳鹏飞等[15]和谢元彪等[16]也认识到药物纳米晶体制备的重要性，但我国学者对药物纳米晶体的研究主要关注从下到上的技术例如直接化学合成，对于湿法纳米研磨技术制备药物纳米晶体的文献报道很少。

湿法研磨制备药物纳米晶体是一个较为复杂的制药工艺过程，研磨机中通常预先填充50%～75%（体积分数）的研磨介质，研磨介质的尺寸范围通常在0.1～4mm之间，研磨介质的材料包括氧化锆、玻璃、铜等[19]。在溶液中高速运动的研磨介质与API颗粒相互挤压碰撞，研磨介质施加的应力集中在API颗粒上，导致颗粒产生裂纹扩展断裂，进而颗粒发生破碎变小[20]。研究发现，在纳米湿法研磨中，颗粒破碎率随施加在颗粒上的应力增加而增加，并随颗粒强度的增加而降低[21]。在高达几千r/min 的转速条件下，产生的离心加速度将是重力加速度的700倍，此时研磨介质具有了很高的能量密度，能有效地破碎API颗粒，因此湿法研磨效率很高[22]。然而当颗粒尺寸破碎到纳米级后，破碎的细颗粒容易发生聚团和再结晶现象，甚至会出现晶型转换，导致颗粒的粒度分布难以精准控制，产品质量批次间差异很大，实际中经常发现难以获得200nm 以下的颗粒产品，颗粒粒径研磨到500～600nm后就不再改变。一些研究发现，通过加入空间稳定剂、表面活性剂等添加剂，采用多级纳米湿研磨机研磨可制备纳米尺寸的API颗粒[23]。

本文结合一种难溶药物铝碳酸镁开展湿法研磨制备纳米颗粒悬浮液的研究。铝碳酸镁是一种常见的无机化合物类的抗酸药，对胃酸过多引起的胃痛、呕吐、恶心等有很好的疗效。市售的铝碳酸镁多为片剂，少量为铝碳酸镁混悬浮液，是把铝碳酸镁微粉化到微米级别，可以提升口感和方便咀嚼困难的患者用药。纳米铝碳酸镁混悬浮液相比于铝碳酸镁片剂和微米级的铝碳酸镁混悬浮液，其比表面积更大、抗酸效果更好、制酸速度更快。本实验采用湿法研磨技术，制备了铝碳酸镁纳米悬浮液并详细研究了制备工艺参数，确定了研磨的最佳工艺条件。

1 实验

1.1 实验仪器和材料

实验室用研磨机DYNO®-MILL RL，华尔宝机械(深圳)有限公司，研磨腔室容量为80mL，研磨介质为0.3mm氧化锆；激光粒度仪，Mastersizer 3000激光粒度仪，上海思百吉仪器系统有限公司，测量量程为0.01～3500µm；恒温磁力搅拌器（85-2型），深圳市华普达电子有限公司；JULABO 高精度密闭式动态温度控制系统（PRESTO W40 型），优莱博（JULABO）中国有限公司，温度范围-40～250℃。

铝碳酸镁粉末，由某药业集团提供，来源于铝碳酸镁压片前的工艺样品，其粒度分布测量结果如图1 所示：D10(5.32µm)、D50(29.4µm)、D90(114µm)。六偏磷酸钠，CAS 编码10124-56-8，AR 级，上海麦克林生化科技有限公司。

图1 原料铝碳酸镁的粒度分布

1.2 实验装置

使用湿法研磨和JULABO高精度密闭式动态温度控制系统搭建了研究装置，装置如图2所示。研磨过程在DYNO®-MILL RL 研磨机的研磨腔中进行，研磨室体积为80mL，研磨室内的悬浮液流入到1000mL 烧杯取样池中后，烧杯中溶液采用机械搅拌保证物料快速混合均匀，再通过蠕动泵（保定兰格，BT-100）将物料输送回研磨机进料口，实现连续研磨。加速器和研磨珠均为氧化锆材质，保证产品避免污染，研磨珠选用0.3mm直径，研磨转速可控范围在1500～6000r/min。

图2 湿法研磨机照片和实验流程简图

1.3 实验方法

在烧杯中加入1000mL 水，加入精确称量的六偏磷酸钠后搅拌加热完全溶解，配置一定浓度的六偏磷酸钠溶液。之后，称量一定量铝碳酸镁粉末，加入到六偏磷酸钠溶液中，室温下搅拌30min使其分散均匀，配置铝碳酸镁颗粒悬浮液。安装湿磨机并加入50mL 研磨珠，选用0.3mm 研磨珠，对应的分离器间隙为0.13mm。开启JULABO 控温系统，设置温度为5℃，待循环水温度达到10℃以下即可开始实验。首先将制备的分散均匀的铝碳酸镁悬浮液超声3min 驱除悬浮液中气泡，之后将铝碳酸镁悬浮液泵入研磨腔中，设定一定的转速开始研磨，同时开始计时并按一定时间间隔取样，测量和记录悬浮液颗粒的平均粒度。在物料循环过程中，调节蠕动泵转速保证进入和离开研磨机的铝碳酸镁溶液流量相同。

2 结果和讨论

2.1 六偏磷酸钠加入量的影响

六偏磷酸钠是一种阴离子型分散剂，在悬浮液中铝碳酸镁微粒特征吸附磷酸根离子，使微粒表面的zeta 电位绝对值上升，进而改善悬浮液稳定性。本研究分别加入质量分数为0.5%、1%、1.5%、2%的分散剂和空白对照溶液，实验研究了分散剂加入量对最小研磨粒度的影响。实验结果如图3 所示，分析发现，对比不加分散剂和加入质量分数为0.5%、1%、1.5%和2%的分散剂条件下获得的铝碳酸镁悬浮液粒度分布D50和D90结果，发现不加分散剂的情况下，铝碳酸镁悬浮液的粒度分布D50最小为0.58µm，D90为2.91µm，分析原因认为存在颗粒团聚因此研磨难达到纳米级别，甚至在研磨后期粒度会有所增大。当分散剂质量分数为0.5%和1%时，在研磨时间40min 之前，D50和D90粒度均随时间逐渐减小，而40min 以后发现颗粒粒度迅速增大。分析认为，加入六偏磷酸钠可以提高铝碳酸镁颗粒的表面电势，增大静电斥力促进颗粒分散，并且颗粒产生的静电斥力随六偏磷酸钠的加入量增多而变大。但如果分散剂加入量过低时，颗粒粒度会正常地随着时间减小，但当颗粒粒度减小到一定程度后颗粒间的静电引力将大于分散剂提供的静电斥力，如果继续研磨，此时静电引力将远大于静电斥力，使破碎的颗粒团聚程度加强，此时悬浮液颗粒粒度分布会明显上升。随着分散剂加入量的不断增加，颗粒的团聚程度会逐渐减小直至消失。如图3所示，当分散剂加入量增加到1.5%时，悬浮液颗粒达到了纳米级别，最终产品的粒度分布D50为0.163µm，D90为0.374µm，表明在这个条件下研磨过程悬浮液颗粒的静电引力始终小于静电斥力。当分散剂加入量继续增大到2.0%，粒度变化的趋势与1.5%分散剂条件下基本相同，表明加入质量分数为1.5%的分散剂能够有效阻止湿法研磨过程的颗粒团聚。

图3 分散剂的加入量对最终粒度分布D50和D90的影响

再加入适量的六偏磷酸钠分散剂后，悬浮液粒度明显降低。从图4中研磨前后的悬浮液多分散系数（DPI）可以看出，悬浮液粒度尺寸在分散剂的作用下变得更窄，分布均匀。因此，六偏磷酸钠能明显降低颗粒团聚，提高悬浮液的稳定性。但是，在医药工业中，处方药物由多种分散剂、甜味剂、稳定剂、表面活性剂等组成。药品的最终稳定性与多种因素有关，属于值得深入详细研究的课题，但本工作聚焦对湿法纳米研磨工艺条件对纳米颗粒度的影响探究，没有对纳米铝碳酸镁悬浮液的长效稳定性进行更详细的探讨。

图4 研磨前后悬浮液粒度分布和DPI对比

图5 给出了采用马尔文激光粒度仪Mastersizer 3000 和Horiba 公司的纳米粒度仪SZ-100 测量湿法研磨20min时取样样品的粒度分布测量结果，采用这两种粒度测量方法得到的悬浮液平均粒度D50结果均为0.266µm，D90结果均为0.277µm，表明研磨20min时悬浮液颗粒平均粒度到达了纳米级别。两种方法得到的粒度分布测量结果峰形存在稍微差别的原因可能不止一个。首先，Mastersizer 3000的准确的测量范围应该是1µm 以上。其次，测量过程中对样本均进行了稀释，Horiba 纳米力度仪SZ-100稀释用水量为3～4mL，而马尔文3000样品池较大，测量稀释用水50～60mL。尽管如此，两种测量方法的结果还是比较接近的。

图5 马尔文3000和Horiba纳米粒度仪SZ-100测量的粒度分布对比

2.2 研磨时间的影响

研究中发现，研磨时间会影响悬浮液颗粒的粒度大小，然而研磨时间越长，所需能量就越大。本文研究了模型物悬浮液颗粒粒径随研磨时间变化的规律，实验条件为：铝碳酸镁悬浮液初始固体质量分数2%，分散剂加入质量为铝碳酸镁质量的1.5%，研磨机转速3000r/min，间歇取样分析悬浮液的粒度分布。图6和表1给出了实验条件下悬浮液药物颗粒平均粒度随时间变化的趋势，发现在研磨开始的10min 内，悬浮液中API 颗粒的粒度随研磨时间的变化速度非常快，研磨15min 后，API 颗粒粒度减小的速度变慢，粒度分布图明显出现曲线叠加的情况。图6也给出了不同研磨时间取样样品的累计粒度分布结果，可以发现随研磨时间的增加粒度变化趋势逐渐减小。

图6 粒度分布和累计粒度分布在研磨中的变化趋势

表1 研磨中粒度分布随时间的变化

分析表1 发现，平均粒径为29.4µm 的API 原料 在 研 磨15min 后 就 达 到D50为0.29µm、D90为1.06µm。研磨20min 后可以观察到颗粒粒度变小的速度变慢，研磨90min 之后颗粒粒度基本不再发生变化，悬浮液颗粒粒度D10为0.0763µm，D50为0.161µm，D90为0.357µm。考虑到降低能量和设备损耗，研磨终点时间可以选择20～90min之间。

2.3 铝碳酸镁加入量的影响

本研究考察了悬浮液固含量对湿法研磨API颗粒粒度分布的影响，悬浮液中初始API固含量分别为1%、2%、3%、4%和5%，在研究中加入了添加剂六偏磷酸钠，加入量为铝碳酸镁加入量的1.5%，研磨机转速选为3000r/min，研磨时间为60min。

研究发现，当API 固含量范围为1%～5%，研磨时间为60min得到的悬浮液颗粒平均粒度基本相同，D10的 范 围 为76.2～82.6nm，D50为161～177nm，D90为353～407nm，如图7 所示。本研究同时考察了初始API固含量>5%的研磨情况，发现在该条件下研磨出料速率变慢，而且这种研磨困难的现象会随悬浮液固含量增大更加明显，当API固含量>10%时，会堵塞出料口，无法形成物料循环。

图7 不同固含量下研磨60min时的粒度分布和不同固含量下D10、D50、D90的变化

2.4 研磨转速的影响

在湿法研磨过程中电机高速运转将能量传递到研磨介质上，高速的研磨介质与放入的API颗粒相互挤压造成API 颗粒发生破裂，导致颗粒粒径减小。研究考察了研磨电机转速分别为2000r/min、2500r/min、3000r/min、3500r/min 和4000r/min 实验条件下的悬浮液颗粒最终粒度分布，实验结果如图8 所示。分析发现，当研磨转速范围在2000～3000r/min时，研磨转速越快，悬浮液颗粒平均粒度变小的速度越快。当研磨转速范围在3000～4000r/min时，悬浮液颗粒平均粒度下降（减小）的趋势基本相同。考虑转速越快，所需能量越多，研磨机的发热量更大，本研究选择了3000r/min作为较优工艺条件。同时发现，当研磨60min后，不同研磨机转速得到的悬浮液产品颗粒粒度分布基本相同。

图8 不同研磨转速下D50随时间的变化

2.5 铝碳酸镁悬浮液晶型和形貌表征结果

采用扫描电子显微镜（SEM）分析了铝碳酸镁原料和研磨后悬浮液的颗粒形貌，SEM 分析前对制备的铝碳酸镁纳米悬浮液进行了干燥处理，方法为用吸管取少量纳米悬浮液，滴加在洁净载玻片上，然后用另一个载玻片盖在样品上面，夹紧载玻片四边并将其放入真空干燥箱干燥。SEM 分析结果如图9 所示。从图9(a)中可以发现，原料中铝碳酸镁颗粒为多孔的球形花瓣颗粒，从图9(b)中可以观察到100～300nm 的破碎颗粒，发现颗粒聚集现象非常严重且形貌不规则，分析认为在湿法研磨过程铝碳酸镁原料的球形状态和大片状花瓣受到破坏，被破碎为纳米片状小颗粒，干燥后这些纳米片状小颗粒又发生团聚，这也表明采用干法研磨难以制备铝碳酸镁纳米颗粒。

图9 碳酸镁原料和研磨后纳米悬浮液SEM照片

为考察湿法研磨对铝碳酸镁的晶型的影响，分别对铝碳酸镁原料、分散剂六偏磷酸钠、湿法研磨制备的纳米铝碳酸镁晶体进行了粉末X 射线衍射（PXRD）表征分析（PANalytical-X 射线粉末衍射仪，X’Pert3 Powder，扫描角度5°～90°），结果如图10 所示。可以确定湿法研磨前后铝碳酸镁的XRD 谱图的主要衍射峰和位置没有发生改变，表明在湿法研磨过程中没有发生晶型转变。同时研磨后纳米铝碳酸镁的PXRD谱图中未发现六偏磷酸钠的特征峰，分析认为六偏磷酸钠作为分散剂含量低于1.5%，低于PXRD 含量检测下限5%，因此未被检出。

图10 铝碳酸镁、研磨后悬浮液和六偏磷酸钠的XRD图谱

2.6 铝碳酸镁悬浮液制酸力的测定

抗酸药能够中和人体胃酸，降低胃中容物酸度，提升胃内pH 到正常范围之内。制酸力是评价抗酸药的重要质量指标之一，另一个关键质量指标是抗酸反应速度。铝碳酸镁悬浮液制酸力的测定方法如下：配制质量分数为4%铝碳酸镁悬浮液200mL，加入适量的六偏磷酸钠分散剂，在超声水浴中分散均匀。按照本文1.3节的实验方法，分别在 研 磨 时 间 为0、2min、5min、10min、20min、30min、60min 从研磨体系中精确取出12.5mL 分散均匀的悬浮液于250mL烧杯，其中约含0.5g铝碳酸镁，再加入87.5mL 水配置成0.5g/100mL 的铝碳酸镁悬浮液，放置于恒温水浴中，水浴温度设为37℃，以200r/min搅拌1min，之后向该悬浮液中一次性加入100mL 浓度为1mol/L 盐酸滴定液，开始记录溶液pH 的变化。60min 之后再继续加入60mL的0.1mol/L盐酸的盐酸滴定液，并继续搅拌60min。最后，用0.1mol/L 的氢氧化钠溶液滴定至溶液pH为3.5，记录氢氧化钠的加入体积。《中华人民共和国药典》（2015年版）要求每1g铝碳酸镁消耗盐酸滴定液应不少于260mL盐酸。

表2给出了不同研磨时间制备的铝碳酸镁悬浮液的制酸力测定实验结果，图11 给出了首次加入160mL 0.1mol/L后溶液的pH随时间的变化。从表2和图10的制酸力实验结果可以看出，在10～20min内，pH范围为3.22～3.84，《中华人民共和国药典》规定的pH范围应该位于3.0～4.2之间。可以看出，对铝碳酸镁原料制备的铝碳酸镁悬浮液，当制酸反应10min 时，pH 为2.9 小于药典要求的pH 为3.0，经过湿法研磨随着悬浮液颗粒粒度的不断减小，悬浮液的制酸力显著提高，pH达到3.0用时更短，制酸过程中pH达到峰值速度更快。从表2可以看出，相比于微米级别的铝碳酸镁悬浮液，铝碳酸镁纳米颗粒悬浮液的制酸速度提高了5倍。

表2 不同粒度悬浮液的制酸力和制酸时间测定

图11 不同时间制酸能力pH变化曲线

3 结论

纳米铝碳酸镁悬浮液相对于铝碳酸镁片剂有更好的制酸效果，同时在食用口感上提升很大，有很好的市场前景。本文实验研究了湿法研磨制备铝碳酸镁纳米悬浮液的工艺及过程影响条件，选用了可用于食品级添加剂的六偏磷酸钠作为分散剂，发现加入六偏磷酸钠能有效提高铝碳酸镁混悬浮液的稳定性，避免研磨后的纳米颗粒再团聚，能制备纳米铝碳酸镁混悬浮液。实验考察了分散剂用量、研磨转速、铝碳酸镁含量、研磨时间对研磨终点颗粒粒度的影响，发现研磨机转速影响达到目标粒度所需的研磨时间，研磨转速越大，粒径变化的速度越快，同时发现研磨转速对最终产品粒度影响不大。研究结果表明，悬浮液中铝碳酸镁的固含量对研磨终点悬浮液颗粒粒度影响很小，但发现分散剂六偏磷酸钠的加入量是影响铝碳酸镁最终粒度的关键因素，因为随着铝碳酸镁颗粒粒度变小，比表面积会随之变大，颗粒间的相互作用力越大，团聚作用就越强，此时加入六偏磷酸钠分散剂能够降低铝碳酸镁纳米颗粒之间的相互作用力，因此分散剂的加入量是影响纳米级颗粒制备的重要因素。研究得到了最佳的研磨工艺条件，当研磨转速3000r/min、研磨时间为105min、主药质量分数为2%、分散剂为固含量质量分数的1.5%时得到最小粒径，即D10(76.4nm)、D50(161nm)、D90(352nm)，成功制备了铝碳酸镁纳米悬浮液。对制酸力和制酸速度的实验测定结果表明，当悬浮液颗粒粒度随研磨过程逐渐减小，其制酸力会有小幅度的提升，制酸反应速度提升明显。与原料相比，研磨60min后制备的纳米铝碳酸镁悬浮液的制酸速度（pH 达到3.0）提高了5倍。

本文的重点是提供了一种制备铝碳酸镁纳米悬浮液的方法，并实验研究了工艺条件对颗粒粒度分布的影响，但是没有对铝碳酸镁纳米悬浮液长期稳定性进行评价。由于医药工业生产中需要多种辅料以及添加剂的混合生产，所以还应该研究在药物处方之后的最终长效稳定性。最后，展望了在纳米湿法研磨中应用实时在线粒度测量技术测量悬浮液粒度分布，以此代替马尔文和zeta粒度仪等离线测量方法，会得到更加适用于工业生产的纳米湿法研磨技术。