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Optimized preparation of dry powder inhalation of Rehmannia glutinosa oligosaccharides by central composite design and response surface method

星点设计-效应面法优化生地黄低聚糖吸入粉雾剂的制备工艺



全 文 :星点设计效应面法优化生地黄低聚糖吸入
粉雾剂的制备工艺
丁礼琴,刘力,徐德生
(上海中医药大学 附属曙光医院,上海 200021)
[摘要] 目的:优化生地黄低聚糖吸入粉雾剂(RGOSDPI)的制备工艺。方法:以喷雾干燥法制备微粉,分别测定收率、
吸湿率、排空率和平均粒径,以总评“归一值”为评价指标,采用星点设计考察进口温度、甘露醇在辅料总量中的比例以及待喷
液浓度3因素对制备工艺的影响,对结果分别进行多元线性和二项式方程拟合,效应面法优选最佳条件并进行预测分析。结
果:从相关系数上看,总评“归一值”用二项式方程拟合较好,根据优化条件制备的RGOSDPI的得率7860%,吸湿率593%,
排空率9420%,平均粒径2537μm。结论:星点设计可用于优化制备工艺,优选的 RGOSDPI制备工艺稳定可行,微粉粒径
大小适宜,可满足肺部吸入给药的要求。
[关键词] 生地低聚糖;吸入粉雾剂;星点设计;效应面法
[收稿日期] 20090331
[基金项目] 上海市科委中药现代化专项基金(05DZ19702)
[通信作者] 刘力,Tel:(021)53821650721,Email:liuli2750@hotmail.
com
[作者简介] 丁礼琴,在读博士生,从事中药活性成分的剂型研究,
Email:lqding2005@163.com
  生地黄为玄参科多年生草本植物地黄 Rehman
niaglutinosaLibosch.的干燥块根,具有清热凉血、养
阴生津的功效[1]。其中的糖类是地黄的有效成分
之一,药理研究表明具有降血糖[2]等作用。另外,
研究表明生地黄低聚糖(rehmanniaglutinosaoligo
saccharides,RGOS)口服胃肠道吸收很少,生物利用
度低[3]。注射剂制作成本高,工艺复杂,影响质量
的因素很多。吸入粉雾剂(drypowderinhaler,DPI)
因具有给药剂量较大,药物以干粉的状态储存,不易
降解等居多优点而成为研究热点之一。
星点设计(centralcompositedesign,CCD)是在
析因设计的基础上,加上星点及中心点而形成的实
验次数较少、可采用三维效应面(threedimensional
responsesurface)进行数据处理与拟合的实验设计
方法[4],已在药物提取和处方工艺的优化中有一定
的应用[57]。本实验采用星点设计优化 RGOSDPI
的制备工艺。
1 材料
生地黄低聚糖(曙光医院制剂室提供),甘露醇
(药用级,青岛明月海藻集团有限公司),L亮氨酸
(药用级,上海耕奔生物技术有限公司)。
B290喷雾干燥器(瑞士Buchi),901双向磁力
搅拌器(上海亚荣生化仪器厂),XL30ESEM扫描电
镜(美国 Phlip),吸入粉雾剂装置(上海天平制药
厂),雾化性能测试装置(自制),Mastersizer2000激
光粒度测定仪(英国马尔文仪器有限公司),3号明
胶胶囊(上海广得利胶囊有限公司)。
2 方法和结果
2.1 生地黄低聚糖吸入粉雾剂的制备
采用喷雾干燥法制备微粉。称取处方量的生地
黄低聚糖、甘露醇和 L亮氨酸溶于适量蒸馏水中,
过045μm微孔滤膜,滤液进行喷雾干燥。喷雾各
参数为:进口温度90~120℃;出口温度60~80℃;
喷雾速度15%;抽气速度100%;喷嘴气流速度800
L·h-1。得白色粉末,分装于3号胶囊中即得生地
黄低聚糖吸入粉雾剂。
2.2 生地黄低聚糖吸入粉雾剂形态、粒径、得率、吸
湿性和排空率的测定
2.2.1 粉末的形态 以扫描电镜观察微粉的表面
形态和圆整性。
2.2.2 粒度分布及平均粒径 以 Mastersizer2000
激光粒度仪采用干法对微粉进行粒径测定。
2.2.3 粉体的收率 以喷雾干燥前称取的生地黄
低聚糖和辅料总重记为W1,干燥后收集的粉体总量
为W2,则微粉收率=W2/W1×100%。
2.2.4 粉体的吸湿性 称取约05g粉末于已恒
重的称量瓶中,将称量瓶敞口放入干燥器中脱湿24
h后称重,将样品重记为 W1,样品 +称量瓶总重记
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为W2,转移到相对湿度为75%(饱和氯化钠溶液)
的干燥器中,25℃恒温,放置24h后,取出称重记为
W3,则24h吸湿百分率=(W3-W2)/W1×100%。
2.2.5 粉体的排空率 采用自制装置:即由1个雾
化瓶和真空泵组成,两者之间连接1个玻璃转子流
量计。称取一定量的粉末,填装于3号明胶胶囊内,
精密称定记为 W1,将胶囊两端打孔,待调整流量计
使气流量至60L·min-1时,将胶囊置于雾化瓶顶部
胶塞处,此时胶囊内的药粉即在雾化瓶中雾化,连续
4次,每次15s。将用过的胶囊壳从胶塞处取出,
精密称重记为 W2,以小毛刷拭净残留内容物,再分
别称囊壳重记为W3,则每粒胶囊的排空率 =(W1-
W2)/(W1-W3)×100%。
2.3 优化试验
2.3.1 试验设计 在预实验基础上,选择对粉体的
平均粒径、吸湿性和排空率影响较为显著的3个因
素作为考察对象,即进口温度(X1)、甘露醇在辅料
总量中的比例(X2)以及待喷液浓度(X3)。根据单
因素实验结果以及在最高或最低水平时制备粉雾剂
的可行性,综合选择各因素的水平(见表1)。
表1 因素水平
水平 X1/℃ X2/% X3/%
-1732 90 50 1
-1 96 585 25
0 105 70 45
+1 114 815 65
+1732 120 90 8
2.3.2 数据处理 分别测定粉体的收率、吸湿率、
排空率、平均粒径4个指标,根据 Hassan方法将每
个指标进行“归一值”,求各指标“归一值”的几何平
均数得总评“归一值”(overaldesirability,OD)(见
表2)。以总评“归一值”(Y)为因变量,分别对各因
素(自变量)用Statistica60统计软件进行多元线性
回归和二项式拟合。多元线性方程 Y=A1+A2X1+
A3X2+A4X3,多元二项式方程 Y=B1+B2X1+B3
X2+B4X3+B5X1X3+B6X2X3+B7X1X2+B8X12+B9
X22+B10X32,模型的好坏通过 r进行判断。对于二
项式方程,根据统计软件对各项系数进行的 t检验
结果,删除 P>08的项后,再进行二项式方程拟
合,达到简化模型目的。
表2 星点设计与结果
No.
因素
X1 X2 X3
考察指标
收率/% 吸湿率/% 排空率/% 平均粒径/μm
总评
“归一值”
1 -1 -1 -1 7335 560 9095 3042 0433
2 +1 -1 -1 7775 511 9276 2794 0545
3 -1 +1 -1 7505 530 8275 2497 0425
4 +1 +1 -1 7500 501 8578 2754 0460
5 -1 -1 +1 8240 566 9164 3463 0479
6 +1 -1 +1 8330 535 9378 3909 0452
7 -1 +1 +1 8330 516 9090 3111 0548
8 +1 +1 +1 8500 492 9542 3414 0575
9 -1732 0 0 7760 559 9386 2912 0512
10 +1732 0 0 8075 507 9828 2904 0607
11 0 -1732 0 7955 529 9894 3742 0486
12 0 +1732 0 8100 620 7876 2874 0332
13 0 0 -1732 6700 580 9703 1978 0366
14 0 0 +1732 8750 535 9629 3429 0569
15 0 0 0 8075 504 9299 2786 0581
16 0 0 0 8170 510 9158 3021 0553
17 0 0 0 8105 491 9347 2722 0600
18 0 0 0 8125 519 9200 2932 0556
19 0 0 0 8090 509 9268 2920 0565
20 0 0 0 8165 505 9358 2806 0591
  各指标经统计学处理拟合,多元线性回归方程
Y=02351+00025X1-0001X2+00193X3,r=
050;二项式方程 Y=-18079+00071X1 +
00475X2+00917X3-0001X1X3+00016X2X3
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-00004X22-00082X32,r=091。从拟合方程的
相关系数可见,多元线性回归方程的相关系数较低,
表示自变量与因变量之间线性相关性较差,所以不
宜用线性模型,而多元二项式拟合方程相关系数较
高,拟合效果较好。其中,X1,X2,X3,X22,X32项为3
因素对总评“归一值”的单独作用,X1,X3和X2,X3项
为因素的交互作用;方程从整体上表达了各因素及
其相互作用对总评“归一值”的影响。根据方程描
述因变量与自变量的三维效应面和二维等高线图,
选取较优制备工艺条件。
2.3.3 效应面优化和预测 根据二项式方程,采
用Statistica60软件绘制效应面图,通过各效应面
的重合叠加,确定较优工艺条件。以总评 “归一
值”为因变量,相对于其中2个自变量的三维效
应面见图1~3。
图1 Y与X1和X2的三维效应面图
图2 Y与X1和X3的三维效应面图
  由图可见,在一定区域内,总评“归一值”随着
进口温度的增加而增加,随着甘露醇在辅料中的比
例的增加先增加后减小,随着待喷液浓度的增加先
增加后减小。每个效应面都具有较优区域,将各效
应面的较优区域进行重叠,可进一步缩小较优区域
  
图3 Y与X2和X3的三维效应面图
的范围,从中筛选出较优的取值范围,分别为进口温
度110~120℃,甘露醇在辅料中的比例 65% ~
78%和待喷液浓度20%~55%。
2.4 工艺验证
根据上述较优范围,综合评价后的最佳工艺参数
为:进口温度120℃,甘露醇在辅料中的比例为75%,
待喷液浓度3%,以此条件制备3批生地黄低聚糖吸
入粉雾剂,分别测定粉体的收率、吸湿率、排空率和平
均粒径,并对预测结果进行验证,结果见表3。
表3 验证试验
批次
平均粒径
/μm
收率
/%
吸湿率
/%
排空率
/%
偏差
/%
平均偏差
/%
0810301 2628 784 607 9436 910  
0810302 2529 782 586 9493 438 570
0810303 2453 792 585 9330 362  
  注:偏差=(V预测 -V实测)/V预测 ×100%。
  由表3可见,平均偏差为570%,偏差较小,模
型预测性越好,说明本实验得到的拟合方程可以较
好的描述因素与指标的关系,所得微粉呈圆球形,分
散良好,主要分布在1~5μm,见图4,符合肺病给
药的粒径要求。
图4 RGOSDPI扫描电镜图(×3000)
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3 讨论
通常情况下,各因素对效应的影响并非呈线性
关系,国内一般采用正交设计和均匀设计优化工艺,
即用线性数学模型进行拟合,实验次数虽少,但精度
不够,预测性较差。近年来,星点设计效应面法通
过非线性模型拟合得出最佳条件,弥补了前两者的
不足,最佳条件下效应的预测值和实测值偏差较小,
结果较理想。
在工艺和处方筛选中,通常需兼顾多个指标,对
于非量化的指标,除了依经验判断外,尚可采用打分
制,然打分制有一定的主观性,往往预测性不好。本
实验所选取的指标均为量化指标,根据每个指标优
选的条件可能会相互矛盾,因此,将每个指标均标准
化为0~1的“归一值”,求各指标“归一值”的几何
平均数得总评“归一值”。以总评“归一值”为优化
指标,优选的制备工艺实测值与预测值吻合较好。
利用肺部给药的优点,本实验研究生地黄低聚
糖非注射给药途径吸入粉雾剂,力求为临床提供一
种使用方便、疗效高、患者顺应性较好的新剂型,并
采用星点设计效应面法确定了制备工艺,得到的微
粉的平均粒径符合粉雾剂标准,但粒度分布较宽,在
以后的实验中需要进一步优化工艺条件以期得到粒
度分布较窄的微粉。
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OptimizedpreparationofdrypowderinhalationofRehmannia
glutinosaoligosaccharidesbycentralcompositedesignand
responsesurfacemethod
DINGLiqin,LIULi,XUDesheng
(ShuguangHospitalAfiliatedtoShanghaiUniversityofTraditionalChineseMedicine,Shanghai200021,China)
[Abstract] Objective:TooptimizetheformulationofdrypowderinhalationofRehmanniaglutinosaoligosaccharides(RGOS
DPI)extractedfromtraditionalChinesemedicinalherbs.Method:RGOSDPIwaspreparedbyspraydryingtechnique.Dependent
variablessuchasyield,moistureabsorptionrate,emptyingrateandmeandiameterofmicropowderweretransformedintodesirabilities
mathematicalybyHassan'smethod.Overaldesirabilitywascalculatedfromthegeometricmeanofthefourdesirabilitiesofeachformu
lation.Theefectsofinfluencefactorssuchastheinlettemperature,thecontentsofmannitolinthetotalamountofadjuvantandsolu
tiondensitywereinvestigatedusingcentralcompositedesignandresponsesurfacemethod.Thedataofoveraldesirabilitywereana
lyzedusingmultilinearequationandsecondorderpolynomialequationforselectingtheoptimalconditionsforDPIpreparation.Result:
Themethodofsecondorderpolynomialequationwassuperiortomultilinearequationmethodinviewofthecorelationcoeficients.
Undertheoptimalconditions,theyield,moistureabsorptionrate,emptyingrateandmeandiameteroftheRGOSDPIwere7860%,
593%,9420% and2537μm,respectively.Conclusion:Thecentralcompositedesigncanbeusedtooptimizepreparation.The
optimizedprocessforRGOSDPIpreparationisstableandfeasible.Thediameterofmicropowderissuitablewhichcanmeetthede
mandsofpulmonarydelivery.
[Keywords] Rehmanniaglutinosaoligosaccharides;drypowderinhalation;centralcompositedesign;responsesurfacemethod
[责任编辑 周 驰]
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