基于喷雾冷冻干燥技术制备甘露醇吸入粉雾剂的研究

＊仇实 严珅 张盛宇 吴铎

（苏州大学材料与化学化工学部化工与环境工程学院 江苏 215123）

甘露醇吸入粉雾剂可应用于成人肺部囊性纤维化的补充性维持疗法，也可作为哮喘引发剂为哮喘患者的诊断提供依据[1-2]。

为实现甘露醇吸入粉雾剂微粒的肺部高效递送，要求微粒的空气动力学直径（dae）小于5μm，而dae由几何尺寸、密度和动态形状因子所决定。目前，甘露醇微粒制备工艺大多为喷雾干燥技术[3]，但该技术制得的微粒密度通常较大，导致体外气溶胶性能较差。有学者开发了喷雾冷冻干燥技术[4]，该技术结合了喷雾干燥和传统真空冷冻干燥技术的优势，可制备具有多孔、低密度特性的脆性微粒[5]。因此，通过喷雾冷冻干燥制备的微粒具有更佳的体外气溶胶性能，有望用于制备高性能甘露醇吸入粉雾剂[6-8]。

基于此，本研究采用团队自主研发设计的微流控喷雾冷冻干燥技术制备了一系列甘露醇吸入粉雾剂，重点考察前驱液溶剂组成与喷雾冷冻温度对甘露醇吸入粉雾剂的形貌、尺寸和晶型等结构属性的影响规律和调控机制，并揭示决定其体外气溶胶性能的主要因素。

1.实验材料与方法

(1)主要原材料与仪器

甘露醇，纯度≥99%，Sigma-Aldrich；乙醇，纯度≥99%，国药集团化学试剂有限公司；聚氧乙烯月桂醚，梯希爱（上海）化成工业发展有限公司。

微流控喷雾冷冻塔（自主设计搭建）；双流体雾化器（LBGA02）；差示扫描量热仪（DSC 3+）；扫描电子显微镜（SU1510）；激光衍射粒度分析仪（Sympatec）；X-射线粉末衍射仪（BRUKER）；新一代级联撞击器（NGI）。

(2)实验方法

①干粉制备

将按表1 配置的前驱液装至70 mL 注射器中，经注射泵以5 mL/min 的流速将前驱液注入双流体雾化器中，进气流速为16 L/min，将前驱液雾化成细小液滴，液滴进入的微流控喷雾冷冻塔中，冻结得到冰球颗粒，在塔底用配套的专用收集盘收集冰球。待喷雾冷冻操作结束后，将冰球转移至不锈钢罐中，然后将其放入冻干机中进行真空冷冻干燥60 h，得到样品。

表1 前驱液配方组成和喷雾冷冻工艺参数汇总表

样品配方及工艺参数如表1 所示，样品统一命名形式为SF(a)D-M5-EbWc，a 代表喷雾冷冻温度，M5代表前驱液中为甘露醇的质量分数为5 %，E 和W 分别代表乙醇和水溶剂，b 和c 分别代表乙醇和水在前驱液中的质量分数。

②表征测试

扫描电子显微镜：将样品依次通过双面导电胶粘至固定样品盘上，将样品盘在20 mA 电流下喷金处理60 s 后放入样品舱中，调节加速电压为15 kV，最后调焦距对样品进行拍摄。

粒度仪：将干粉灌装于3 号羟丙基甲基纤维素胶囊中，用Breezhaler®吸入器在60 L/min 流速下进行测试可得到相应数据，每份样品重复3 次。

X- 射线粉末衍射仪：取一定量样品放置在单晶硅样品台上并用载玻片压平，设置扫描角度为5°～90°，步长为0.05°，每步停留时间为0.3 s 条件下进行测试。

新一代级联撞击器：精密称取干粉约50 mg，将其均匀地装载到3 号胶囊中，待装填完毕后，将胶囊放入Breezhaler®吸入器中，按压吸入器两侧将胶囊扎破，并将吸入器与适配器相连，设定吸入时间为4 s。吸入完成后，准确称取各盘级与胶囊的质量，并使用分析软件计算出被测样品的细颗粒分数（Fine Particle Fraction）与质量中值空气动力学直径（Mass Median Aerodynamic Diameter），每份样品重复3 次。

2.结果与讨论

(1)形貌分析

图1 展示了样品的形貌图。纯水溶剂的样品均呈现为团聚的细小晶体碎片，破碎程度较高（图1A），随着喷雾冷冻温度的降低，样品的形貌无显著变化。可能是由于溶质骨架不足以支撑微粒的宏观结构，因此冻干过程中冰晶升华，微粒的骨架发生坍塌，最终呈现为细小晶体的聚集体。

图1 不同冷冻温度下的微粒形貌图

乙醇/水溶剂下所制备的样品均为针状晶体的聚集体（图1B-E），调节乙醇与水的质量比和喷雾冷冻温度均没有显著改变样品的宏观形貌，但相比于水溶剂，乙醇/水溶剂所得的晶体尺寸相对较大。甘露醇在乙醇/水混合溶剂中的溶解度较低，且甘露醇的溶解度通常随着温度下降而降低。在冷冻初期，受溶解度决定的过饱和度控制，甘露醇在液滴中大量地随机成核，然后快速生长成动力学优势的不稳定和亚稳态晶体，因此甘露醇晶体很可能优先于溶剂结冰而析出，液滴中出现明显的相分离现象，故其晶体尺寸相对较大。同时结合其共熔温度分析，冰球在一次完全干燥结束之前可能已经变为具有流动性的玻璃态，从而导致结构的二次坍塌，因此最终呈现为堆积的针状晶体。

(2)几何尺寸分析

图2 展示了不同溶剂组成及喷雾冷冻温度下制得的微粒在经吸入装置分散后的几何尺寸，以水作为前驱液溶剂的样品，随着喷雾冷冻温度的下降，制备的样品几何尺寸小幅下降。这是因为冷冻温度越低，过冷度越大，液滴冻结速率越快，甘露醇晶体生长时间越短。而针对以水/乙醇作为前驱液溶剂的样品，随着喷雾冷冻温度的降低，几何尺寸增大，这是因为在较低的喷雾冷冻温度下，甘露醇晶体之间堆积致密，容易形成机械互锁，且流动性较差，吸入时无法解开晶体的团聚。

图2 不同冷冻温度下的微粒几何尺寸图

(3)晶体学性质分析

从图3 可以看出，针对以水作为前驱液溶剂的样品，随着冷冻温度降低，稳定的β 晶型含量逐渐下降。这是因为冷冻温度降低，提高了液滴冻结速率，造成甘露醇分子在析出结晶过程中无足够时间组装形成稳定晶型结构，因此β 晶型含量逐渐下降。

图3 在不同冷冻温度下的样品XRD 谱图（A、B 和C）及晶型占比图（D）

针对以水/乙醇作为前驱液溶剂的样品，样品中稳定的β 晶型含量低于水相前驱液样品。主要是由于甘露醇分子间形成了稳定的氢键，而乙醇与甘露醇分子间也可以形成氢键，从而影响了仅有甘露醇情况下的有序组装，不利于形成稳定的β 晶型。当喷雾冷冻温度相对较高时，所得样品晶体的稳定性随乙醇含量的提高而逐渐降低，这可能是因为前驱液中乙醇的含量较多时，液滴冻结过程中甘露醇受溶解度影响析出较快，不利于形成稳定晶型。而在冷冻温度相对较低时，样品晶型组成以δ 晶型为主，且前驱液中乙醇占比对样品晶型无明显影响，这主要是由于低冷冻温度下过冷度较大，甘露醇优先析出为亚稳态的δ 晶型。

(4)体外气溶胶性能分析

从图4 可以看到，在冷冻温度为-40 ℃和-60 ℃时，样品的MMAD 较小且FPF 较高。在较高的冷冻温度下，样品机械强度较差，通过吸入装置可以进一步破碎，得到几何尺寸更小的碎片。而在喷雾冷冻温度为-80 ℃，甘露醇晶体堆积较紧，有团聚与机械互锁的现象，导致样品在吸入时大部分沉积在装置和喉部。

图4 不同冷冻温度下的甘露醇微粒沉积分布图（A、B、C）及MMAD 与FPF 值汇总图（D）

对比纯水溶剂与乙醇/水混合溶剂下制备的样品，在喷雾冷冻温度为-40 ℃与-60 ℃时，纯水溶剂样品MMAD 较高且FPF 低于乙醇/水混合溶剂样品。两种溶剂体系下制得微粒的吸入状态几何尺寸相似，但形貌差别较大，乙醇/水溶剂的微粒为针刺状晶体聚集体（δ 晶型为主），甘露醇晶体间有效接触面积与范德华力较小，因此在进入撞击器的过程中还可以被继续分散为更小单元。而在喷雾冷冻温度为-80 ℃时，两种溶剂体系样品气溶胶性能相似，这主要是由晶体间的紧密堆积带来的团聚与机械互锁所决定的。

3.结论

本研究利用一种新型微流控喷雾冷冻干燥技术成功制备了一系列甘露醇吸入粉雾剂。结果表明，在纯水溶剂下，样品均呈现为团聚的细小碎片状晶体；而乙醇/水混合溶剂下制备的样品为针状晶体的聚集体，喷雾冷冻温度和溶剂比例对样品的宏观形貌无显著影响。通过新一代撞击器对样品的体外气溶胶性能进行评价，结果发现乙醇/水体系下的样品相较于纯水溶剂具有更佳的气溶胶性能，这是由于针状晶体间的有效接触面积与范德华力较小，进入撞击器的过程中还可以被继续分散为更小单元。此外，在冷冻温度为-80 ℃时，由于晶体间的紧密堆积带来的团聚与机械互锁，导致微粒进入撞击器后无法再分散，样品细颗粒分数值均低于-40 ℃和-60 ℃条件下所制备的样品；由此，得到最佳配方和工艺条件下的样品FPF 高达64%，优于已上市的大部分吸入粉雾剂产品。