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长效微球制剂产业化研究进展

近年来,生物降解高分子材料制备的载药微球制剂备受瞩目。因其可以进行缓控释给药,是目前高端制剂研究的热点。

选择合适的高分子材料和生产技术是制备缓释微球制剂的关键因素。随着众多缓释微球制剂先后上市,微球技术逐渐发展成为一种成熟的技术工艺,也逐步呈现可控化和产业化,笔者主要介绍微球制剂的产业化生产技术和一些制备微球的新技术,以及利用微球技术上市的药物等。

关键词微球制剂; 聚 D,L-乳酸-羟基乙酸; 产业化

利用聚 D,L-乳酸-羟基乙酸( PLGA) /聚乳酸( PLA) 制备微球的概念起始于 20 世纪 80 年代,这些类型产品的开发和制造是十分复杂的,需要大量的从事处方,工艺和分析开发工作的人员共同努力才能取得成功。

该给药系统在开发和制造过程中存在一些问题,如粒径范围分布宽,释药周期不能达到预期等[1]。

随着对微球制备技术研究的不断深入,已经顺利实现从实验室研发到车间的工业化生产,微球技术逐渐呈现出可控制化和工业化。

笔者主要从产业化角度介绍目前已上市微球产品和主要的生产工艺,以及目前广泛研究的微球制备新技术。

内容由凡默谷小编查阅文献选取,排版与编辑为原创。如转载,请尊重劳动成果,注明来源于凡默谷公众号。

微球制剂概述

微球( microspheres) 是用高分子材料制备的粒径在几微米到几百微米,包载一种或多种药物的微小球状聚合物。药物分子分散或者吸附在高分子聚合物载体中[2]。

微球可以持续几周至几个月释放包封的药物,并且可以控制药物的释放行为[3]。

微球与传统注射制剂相比具有如下优势

①可调节的药物释放控制并最大限度地减少体内药物浓度的波动; 

②平稳释药以减少药物暴露引起的副作用[4]; 

③由于注射频率减少,患者顺应性良好。 

可工业化生产的微球制备工艺

目前已经可以工业化生产的 PLGA/PLA 微球制备方法包括相分离法,溶剂挥发法,喷雾干燥和热熔挤出法等[5-7]。目前已上市产品主要用以下几种方法制备,见表 1。

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2.1 相分离法

相分离法制备微球的原理是在聚合物的有机溶液中加入第 3 组分来降低聚合物的溶解度,在一个特定的点,该工艺产生两个液相(相分离) 。

在搅拌下向聚合物-药物-溶剂体系中加入有机非溶剂,该有机非溶剂逐渐地萃取聚合物溶剂。

结果使聚合物进行相分离,形成非常软的载药液滴( 可以用搅拌速率控制液滴粒径) 。

然后将该系统转移到另一种有机非溶剂中,使微球固化以得到最终的微球产品[7-9]。

相分离是个非常复杂的物理-化学现象,许多因素会影响产品的性质,比如高分子材料间的分子相互作用、每一步的速率和持续时间等。

诺华公司研制的注射用乙酸奥曲肽微球制剂( 商品名为善®Sandostatin LA®) 2003 年在我国上市,用于治疗肢端肥大症,该产品采用了相分离法制备,高分子采用星形 PLGA[10]。

相分离法制备微球的优点

①只需要标准设备并且易于分批次制备,不需要在设备上进行昂贵的投资; ②对于亲水性药物成球性好。

相分离法制备微球的缺点

①制备过程中使用大量有机溶剂,最终产品中有机溶剂的去除比较困难; 

②相分离制备的微球容易聚集成团,大规模生产困难; 

③相比其他制备方法,微球在亲脂性的硬化剂中固化,疏水性可能更强,需要特别关注分散剂的处方开发; 

④无菌控制比较困难[11]。

2.2 在反应釜中进行的溶剂挥发法

溶剂挥发是应用最广泛的微球制备方法,产业化生产过程中大部分在用反应釜制备。

对于脂溶性药物可以采用水包油的方法,即将药物和高分子材料 PLGA 等溶解于二氯甲烷中得到油相,将乳化剂聚乙烯醇( PVA) 溶解于水中得到水相,将油相在高速剪切下加入到水相中得到乳滴,然后利用二氯甲烷挥发固化乳滴最终得到微球产品[12]。

对于水溶性药物,可以采用水包油包水的复乳法制备,将水溶性药物溶于水中( 有时需要加入明胶等作为增稠剂或者稳定剂) 作为内水相,将 PLGA 溶解于二氯甲烷中作为油相,在高速剪切下将内水相加入油相,制备油包水初乳,然后在高速搅拌下将初乳加入含有乳化剂 PVA 的外水相中,制备复乳,最后利用二氯甲烷挥发固化乳滴最终得到微球产品[13-14]。

影响微球的性质的因素主要有

①包封药物的性质和溶解度; 

②聚合物浓度、组成和相对分子质量; 

③药物/聚合物比率即理论载药量; 

④所使用的有机溶剂; 

⑤所用乳化剂的浓度和性质; 

⑥乳化过程的温度和搅拌/均质速度; 

⑦水相和油相的黏度和比例。

目前上市微球产品大部分是采用该方法制备的,例如乙酸亮丙瑞林微球( 抑那通®Lupron Depot®) 是武田制药株式会社采用水包油包水法制备的。

用于治疗前列腺癌、绝经前乳腺癌[3]。

在反应釜进行的溶剂挥发法制备微球的优点

①原理及操作简单,通过调整处方和工艺可以得到目标尺寸粒径的微球产品; 

②通过采用不同方法可以制备水溶性和脂溶性药物[7]。

在反应釜进行的溶剂挥发法制备微球的缺点

①包封率较低,特别是水溶性药物的制备过程中,药物容易扩散到外水相; 

②虽然比相分离法用到的有机溶剂少,但是仍然需要解决有机溶剂残留的问题; 

③生产工艺复杂,放大效应明显,在工业化生产中需要放大到 500 L 甚至 1 000 L 规模,根据小试工艺参数确定生产参数需要复杂的调整。

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2.3 在静态混合器中进行的溶剂挥发法

乳化是传统溶剂挥发法制备微球过程中最重要的一步,传统工艺中使用反应釜来实现,但是反应釜的放大效应明显,在产业化生产过程中,确定参数存在很多问题。

静态混合器就是让流体在管线中流动冲击各种类型板元件,增加流体截面的速度梯度或形成湍流。

层流时流体产生“切割-扭 曲-分离-混合”运动从而使流体得到均匀分散,达到良好的混合效果[15]。

利用静态反应器制备疏水性药物微球的原理也是基于溶剂挥发法,使两种不相溶的流体连续地以紊流方式混合并快速产生沉淀来制备。

以复乳法为例,简单来说制备方法就是将水溶性药物和脂溶性高分子分别用水和二氯甲烷溶解,将水相加入有机相中,高压均质机搅拌,制备初乳,然后将含有 PVA 的外水相和初乳用静态混合器混匀,得到复乳后搅拌挥发除去二氯甲烷,离心收集制得的微球产品。

在制备过程中,通过控制流速,可制得粒径范围不同的微球,产品均一性良好[16]。

已上市的利培酮长效微球注射剂( Risperdal®Const®) 是利用静态混合器制备的微球。

根据流量和黏度的不同选择不同的叶片,每种混合器的设计都有 6 和 12 个单元配置,以满足大多数医药应用的关键需求。

静态反应器制备微球的优点

①静态混合器可以连续操作,液体混合效果更好,物料停留时间均匀,制备的乳滴粒径均匀、稳定、可控; 

②能耗低、安全性高、放大效应小,易于工业放大[17]; 

③维修保养简单,能适用于连续化生产;

④传统机械搅拌混合过程中距离搅拌叶位置不同,会造成液体混合不均匀,而静态反应器可以使液滴直径分布比较集中,制备的乳滴粒径均匀、稳定、可控,强化了混合工艺结果[18]。

静态反应器制备微球的缺点

①管道易堵塞; 

②混合单元的几何形态影响因素多、参数复杂、没有统一的标准等,使静态混合器的应用中受到一定限制[19]。

2.4 热熔挤出技术

热熔挤出是制备颗粒、丸剂、植入剂的常用方法[20-21]。

在制备微球制剂时的过程简单来说就是取处方量的药物和PLGA,放入热熔挤出仪器中,设置热熔温度,对混合物进行加热熔融挤出,然后通过筛板挤出后迅速冷却制备成条状固体,再粉碎制成微球产品[22]。

注射用双羟萘酸曲普瑞林( 达菲林) 便是采用的热熔挤出技术制备,用于制备局部晚期或转移性前列腺癌,肌肉注射,可以持续给药 3 个月。

热熔挤出技术制备微球的优点

①制备过程中不需要使用有机溶剂,不会带来有机溶剂的问题,安全无毒,质量优良; 

②产率高,连续性强,包封率接近 100%[23]。

热熔挤出技术制备微球的缺点

①制备过程中有高温过程,对温度敏感的蛋白多肽类药物不能应用此方法; 

②活性药物成分( API) 的质量控制更严格,因为其直接影响微球的理化性质甚至功效。

因此,API 需要在制备前预处理。

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2.5 喷雾干燥法

利用喷雾干燥法制备微球的过程是将液体原料喷雾到热干燥介质( 空气、或者氮气) 中,使其转变成干粉的过程,大体可分为 3 个步骤: 

①通过雾化器将原料雾化成小液滴; 

②在与干燥气体和颗粒形成接触时将液滴干燥; 

③将干燥的颗粒从干燥介质中分离出来[5]。

Flexion 公司的曲安奈德微球 Zilretta®即采用喷雾干燥法制备,用于中度至重度骨关节炎患者的膝关节疼痛,已于 2017 年被 FDA 批准上市。

关节内注射曲安奈德缓释微球与关节内注射曲安奈德注射液相比,血浆中曲安奈德浓度较稳定且缓释效果明显,会极大的减弱 HPA 轴( 下丘脑-垂体-肾上腺轴) 抑制,减少机体各种不良反应的发生,且能持续 30 d 以上发挥缓解疼痛的药效[24]。

而在制备对温度敏感的生物大分子微球方面,低温喷雾提取法被用于开发重组人生长激素微球 Nutropin Depot。

该方法是将蛋白与稳定剂的粉末与高分子材料二氯甲烷溶液均匀混匀,混悬液经喷头以雾状喷至冰冻的乙醇溶液中,后者界面封以液氮。

70 ℃ 温度下,乙醇将微球中二氯甲烷不断抽提,最后除去乙醇,干燥得到微球。

喷雾干燥制备微球技术的优点

①可用于制备多种药物微球,特别是具有生物活性的蛋白和多肽类药物,在制备过程中,活性损失小; 

②制备过程中无外水相的药物损失,可达到很高的包封率。

喷雾干燥制备微球技术的缺点

①制得的微球可能黏附在喷雾干燥器的内部,造成物料损失; 

②在制备过程中需要特别注意温度控制,干燥温度过高容易使微球变形、聚集,而干燥温度过低时溶剂残较多,对微球粒径的控制较差[25-26]。

制备微球的新技术

3.1 微流控技术制备微球

微流控技术制备微球的方法是通过微通道生产液滴,利用体积( 如注射器泵) 或压力( 如压力容器) 的驱动力将不相溶的连续相和分散相分别在各自的通道流动,气体或液体在通道的交汇处相遇,利用连续相对分散相进行挤压或剪切作用,促使界面不稳定而断裂,生成分散液滴[27-29]。

微流控芯片的通道基本结构有 3 种类型: T 型 微 通 道 芯 片( T-junction) ,流动聚焦型( flow focusing) ,共聚焦型( co-flowing) [30]。

微通道可以制备的微球尺寸在 10 到 300 μm 之间,制作精良的微通道内部结构规整,能够保证液滴在每一条微通道内的微环境完全相同,在扩大生产规模时,无需再调整微通道的尺寸,只需要并行增加数量( numbering up) 或者微反应器单元,因此,所有的工艺控制参数均具有延续性。

并且通过将黏度、界面张力等参数输入到预先设计的数学模型中,就可以实现对微球粒径的预测,进而优化释放行为,EmulTech 公司的微球制备技术便是应用了这一原理。

微流控技术是制备均匀颗粒物的一种有前途的新途径,可采用简单的一步法,以低成本的方式控制微球的大小和粒径分布[31]。

以单乳法为例制备利培酮微球的方法为: 将药物和高分子溶解于二氯甲烷中,制备油相,PVA 水溶液为水相,用两个注射器泵将油相( 高分子和药物的二氯甲烷溶液)和水相( PVA 水溶液) 注入微流体通道[31]。

 微流控技术制备微球的优点: 

①可控尺寸和形态: 通过改变流速可以控制制备微球粒径,变异系数( CV) 可以控制到小于 2% 。由于每个颗粒以相同的方式单独形成,可以生成粒径均一的微球[32-33]。

②具有生产多乳剂的能力,在各相通道内通入多相互不相溶的溶液使其在微通道内依次剪切并乳化,一层一层包覆从而形成分散的多重乳液[33-34]; 

③在放大过程中具有高度的重现性。大规模并行化可以大批量生产,同时保持固定的产品特性; 

④乳化、聚合和分析的过程容易结合[35-36]; 

⑤系统是封闭的,因此可以消除空气/氧气对药物的降解,同时容易进行无菌生产。

微流控技术制备微球的缺点

①清洗比较困难[37-38]; 

②生产效率还有待提高,以满足工业化生产; 

③预测液滴直径的模型较少。

3.2 膜乳化法

膜乳化近年来成为研究的热点,因其制备条件温和、成本低、通量快、重复性好,已广泛应用于制备 PLGA 微球制剂。

根据膜乳化制备过程的成乳原理,膜乳化技术主要可分为两大类型: 直接( 常规) 膜乳化( direct membrane emulsification) 和快速膜乳化( premix membrane emulsification) ,两种膜乳化方法在制备粒径均一的乳液的过程各有优势,适用的乳滴粒径控制范围不同[39]。

膜乳化技术制备微球的优点

①微球尺寸均一可控,微球粒径取决于膜孔径,因此制得微球制剂批次间重复性好; 

②反应条件温和,可以用于对搅拌敏感的蛋白多肽类药物; 

③乳液稳定性好,制备过程中不易发生乳滴团聚、破乳,乳化剂用量少; 

④操作过程简便,易于工业规模扩大生产[40]。

 膜乳化技术制备微球的缺点: 

①制备的微球粒径过于单一,会影响药物体内释放周期,并且有造成突释的危险,这类粒径过于均一的微球应用仍有待进一步研究; 

②目前还没有应用膜乳化技术生产的微球产品上市,主要制约因素还是在于生产设备中膜材质的选择,机械强度足够强,又可以保持孔径大小稳定,同时要易于清洗,不易堵塞,很难得到这样的材料,所以目前还没有成熟的可以用于大规模生产并且符合GMP 要求的设备。

截止到 2019 年 4 月,据不完全统计,国外一共上市了 12个微球制剂,见表 1。

与此同时,国内的微球制剂研发也取得了突破性进展: 绿叶制药备受关注的自主研发新药———注射用利培酮缓释微球 Rykindo®( LY3004) 已于 2019 年 3 月 28日,正式向美国 FDA 提交 NDA 新药上市申请,有望成为我国首个在美获批上市的创新药,这也是中国在全球制剂创新舞台上迈出的一大步。

随着时代的进步,对微球制剂生产设备及产品的的要求会越来越高,生产效率高、污染少、控制简单的设备亟待开发。

制备粒径可调整性更强、物理稳定性更好的微球制剂,且可大规模工业化生产可能是微球制剂技术今后发展方向之一。

笔者总结了传统微球制备方法和几种新型微球制备技术,几种新方法都各有优缺点,在产业化生产中都有待解决的问题,因此,新技术的开发仍然会是未来微球制剂技术研究的重点。

参考文献:详见 中国药学杂志 2019 年 11 月第 54 卷第 21 期