MicroFab | 如何使用噴墨技術(shù)制造均勻尺寸的聚合物微球？

一種形成尺寸均勻的聚合物微球的方法，涉及從MicroFab按需噴墨壓電噴頭的孔口分配聚合物材料，同時孔口浸沒在溶劑萃取介質(zhì)中�？蓪崿F(xiàn)高達50kHz的液滴生成速率和20~100µm的液滴直徑。

1 背景

當(dāng)活性物質(zhì)被封裝在藥物遞送系統(tǒng)中時，其生物利用度和治療指數(shù)會在很長一段時間內(nèi)得到改善。包括聚合物微球在內(nèi)的藥物遞送系統(tǒng)已被開發(fā)用于注射劑、植入物、透皮貼劑和氣霧劑。聚合物微球在醫(yī)療和工業(yè)領(lǐng)域具有多種用途，因為它們具有較大的表面積、易于注射且在藥物釋放完成后不需要去除。

微球的制備方法包括單、雙乳液溶劑蒸發(fā)、噴霧干燥、相分離、簡單和復(fù)雜凝聚、界面聚合等。然而，大多數(shù)方法產(chǎn)生的微球，其尺寸分布廣泛，對平均直徑的控制很少或沒有控制。控制球體尺寸和尺寸分布是藥物輸送的最終目標(biāo)。特定的釋放速率和所需的給藥途徑通常需要特定的球體尺寸。使用過濾器是可能的，但是使用過濾器會導(dǎo)致昂貴材料的浪費。因此，已經(jīng)提出了幾種允許控制粒度和粒度分布的方法。這些方法中的每一種都具有妨礙在各種應(yīng)用中使用微球的缺點。

建議的方法包括產(chǎn)生平均直徑不高于25μm的微球的高剪切乳化法，但許多應(yīng)用需要更大的尺寸。此方法還對可以使用的溶液施加溫度限制。因此，該方法不能用于具有低熔點的聚合物，如許多聚丙交酯-乙交酯 (PLGA) 或用于封裝對溫度敏感的藥物，如蛋白質(zhì)。

由于惡劣的化學(xué)和/或物理環(huán)境會使藥物變性，單體聚合技術(shù)不適用于藥物封裝。此外，其中一些方法會導(dǎo)致形成直徑不超過3.5μm的微球。

靜電控制的擠出方法不能產(chǎn)生尺寸均勻的微球。

在多孔膜法中，只能使用低粘度聚合物。即使聚合物溶液具有低粘度，添加藥物也會增加整體粘度，因此不僅限制了可以使用的聚合物的范圍/濃度，而且還限制了載藥濃度。

注射方法不能通過控制工藝參數(shù)來控制平均直徑。此外，這樣的方法具有不能生產(chǎn)窄尺寸分布的微球的缺點。

振動激發(fā)過程基于連續(xù)模式噴射，在連續(xù)模式噴射過程中，聚合物流離開壓電孔，施加到流上的小擾動將射流分解成小液滴。這種方法需要對壓電 (PZT) 器件施加低電壓和高頻率，并對聚合物溶液施加很大的壓力。在這種壓力下，只能噴射大量昂貴的流體。

因此，需要一種用于形成尺寸均勻的聚合物微球的簡單且可控的制造方法。
 

2 優(yōu)選方案

上圖圖示了用于形成聚合物微球體的噴墨打印系統(tǒng)，以數(shù)字10表示。待噴射的可生物降解聚合物溶液12溶解在合適的溶劑中，并裝入噴墨噴頭16的儲液器14中。儲液器14和噴墨噴頭16通過管道18連接。噴墨噴頭16包括一個與壓電材料結(jié)合的玻璃管，該玻璃管在受到計算機生成的波形刺激時產(chǎn)生聲波波形。電刺激引起壓電材料的位移，從而在玻璃管內(nèi)引發(fā)聲壓波，將材料驅(qū)出孔口20�？卓�20是玻璃管的遠端拋光部分，材料在此處形成微球或液滴22，以按需噴墨模式從噴墨噴頭16排出。

噴墨噴頭16由波函數(shù)生成軟件和適當(dāng)?shù)碾娮釉O(shè)備控制。當(dāng)啟動時，噴墨噴頭16將聚合物溶液12的液滴22從容器14輸送到含有合適溶劑萃取介質(zhì)26的容器24中。

噴墨噴頭16的孔口20浸入介質(zhì)26中，使聚合物溶液12的液滴22分散到介質(zhì)26中。

溶液12中包含的聚合物包括，例如，合成生物可吸收聚合物：1. 聚酯和聚內(nèi)酯，例如聚丙交酯、聚L-丙交酯，聚-D-丙交酯，聚-D，L-丙交酯，聚乙交酯，聚丙交酯-乙交酯，聚-L-丙交酯-乙交酯，聚-D-丙交酯-乙交酯，聚-D，L-丙交酯-乙交酯，聚-對-二惡烷酮、-對-二惡烷酮與L-丙交酯、D-丙交酯、D,L丙交酯、乙交酯所有組合的共聚物，6-己內(nèi)酯和/或3-氧雜己內(nèi)酯和/或碳酸三亞甲基酯的共聚物和/或1,5-二氧雜環(huán)庚烷-2-酮與 L-丙交酯，和/或 D-丙交酯，和/或 D，L-丙交酯，和/或乙交酯，和/或?qū)Χ�惡烷酮。�?yīng)理解，所有有用的聚酯和聚內(nèi)酯不限于這些實例；2. 聚亞烷基草酸酯，例如環(huán)己烷二羥甲基等環(huán)狀和脂環(huán)族二醇的同晶型共聚草酸酯，以及其他聚合物，包括聚草酸亞烷基酯等；3.嵌段共聚酯：例如聚乙二醇-聚丙交酯，或-聚乙交酯，或-聚丙交酯/乙交酯，聚乙二醇-苯二甘醇-聚丙交酯，或-聚乙交酯，或-聚丙交酯/乙交酯，或-聚-對-二惡烷酮，聚丙二酸丙二酯-聚-二惡烷酮等；4.聚癸二酸酐、癸二酸與1,3-丙烷-雙-（4-羥基苯甲酸酯）的共聚酸酐、聚（癸二酸-共-雙-（對羧基苯氧基）丙烷）等聚酸酐；5. 聚原酸酯；6.氨基酸衍生的聚合物，例如多肽、上述1所列聚酯聚合物的氨基酸鹽；7. 聚嗎啉二酮、聚六亞甲基草酸酯、聚亞氨基碳酸酯等聚酯酰胺；8. 聚磷腈；9. 烷氧基-烷基氰基丙烯酸酯和聚草酸酯作為改性劑。

天然衍生的聚合物及其衍生物：1. 白蛋白、膠原蛋白、明膠、纖維蛋白、層粘連蛋白、彈性蛋白、大豆分離蛋白、酰化分離大豆蛋白、�；�胰島素、�；�表皮生長因子、糖蛋白等蛋白質(zhì)；2. 殼聚糖、海藻酸鹽、透明質(zhì)酸、�；瘹ぞ厶�、直鏈淀粉等多糖類；3. 生物合成聚酯，例如3-羥基丁酸酯聚合物、細菌聚酯、聚（3-羥基丁酸酯-co-3-羥基戊酸酯）、其他聚羥基鏈烷酸酯等；4. 糖胺聚糖，例如聚（4-硫酸軟骨素）、聚（6-硫酸軟骨素）、聚（硫酸乙酰肝素）、乙酰肝素、透明質(zhì)酸、硫酸角質(zhì)素和其他。

優(yōu)選的可生物降解聚合物包括聚丙交酯和具有不同丙交酯與乙交酯比率和不同分子量的聚(丙交酯-乙交酯)。

聚合物溶劑的選擇通常取決于所選擇的聚合物和活性劑，以及所采用的特定溶劑去除方法�？捎米魅芙馍鲜龊铣删酆衔锏娜軇┑挠袡C化合物存在于以下類別中。烴：脂肪族、脂環(huán)族、鏈烷烴、異鏈烷烴、脂環(huán)族、芳族或芳烴，以及烯烴，例如己烷、十二烷、環(huán)庚烷、環(huán)辛烷、甲基環(huán)戊烷、二甲基環(huán)戊烷、異辛烷、環(huán)丁基己烷、苯、乙苯、甲苯、二甲苯、三甲苯和其他類似化合物。醇類：主要為乙醇、丙醇、丁醇、芐醇、烯丙醇、乙二醇等醇類；2-甲基-2-戊醇、環(huán)己二醇、異丁醇等仲醇類；叔醇，例如 2-甲基-2-戊醇、九氟-2-甲基-2-丙醇和其他類似化合物。烷基鹵化物：二氯甲烷、氯仿、二氯乙烯、二氯乙烷、溴乙烷、2-溴丁烷、二氯甲基己烷、四氯乙烷、四氯乙烯和其他液體烷基鹵化物。芳香鹵化物：氯苯、二氯苯、溴苯和其他液體芳香鹵化物。硝基烷烴、硝基烯烴、硝基醇、硝基酮：硝基甲烷、硝基乙烷、硝基丙烷、硝基丁烷、硝基丁醇、硝基環(huán)己烷、硝基環(huán)己烯、硝基環(huán)己酮和其他類似化合物。醚類：乙醚、甲乙醚、二異丙醚、四氫呋喃、苯甲醚、冠醚、二甲氧基苯、甘醇二甲醚、二甘醇二甲醚、丁氧基乙醇、甲氧基丙醇、丙氧基丁醇、乙基乙烯基醚和其他類似化合物。醛和酮類：丙酮、甲基乙基酮、甲基異丁基酮、二異丁酮、雙丙酮醇、異佛爾酮、戊醛、環(huán)己酮、戊酮、4-己烯-2-酮、2,4-己二酮、3-己酮、3-甲基丁醛、4-氯-2-戊酮和其他類似的化合物。酯類：乙酸乙酯、乙酸丁酯、丁酸甲酯、乙酸異戊酯、苯甲酸甲酯、2-戊烯酸乙酯和類似化合物。酰胺和腈：甲酰胺、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、甲基氰、芐腈、乙腈、溴乙腈、己二腈、己二腈和類似化合物。亞砜和砜：二甲基亞砜、二甲基砜和其他類似化合物。其他有用的溶劑：水、水基鹽和緩沖溶液，如鹽水、磷酸鹽緩沖鹽水等，用酸或堿調(diào)節(jié)的水溶液，含有表面活性材料的水溶液，如Tween、Span和其他非離子和/ 或離子表面活性劑、含有膠體的水溶液，例如改性纖維素，例如 CMC、甲基纖維素等，聚乙烯醇、樹膠和多糖，例如瓜爾膠、黃原膠等。PLLA或PLGA優(yōu)選使用有機溶劑，例如二氯乙烷、三氯乙烷、二甲苯或它們的任何組合。選擇所用聚合物的量以提供適合噴射和/或形成乳液的聚合物溶液粘度。聚合物-溶劑混合物中聚合物的量應(yīng)低于例如50%（w:v），優(yōu)選8% (w:v），更優(yōu)選3%（w:v）。

在聚合物完全溶解在溶劑中之后，使用本領(lǐng)域已知的混合方法將活性成分與聚合物溶液12混合。

基本上任何物質(zhì)或試劑都可以使用本方法進行封裝。該物質(zhì)優(yōu)選是活性劑。如本文所用，術(shù)語“活性劑”是指具有體內(nèi)治療、預(yù)防或診斷特性的試劑，例如當(dāng)施用于動物，包括哺乳動物，例如人時。合適的治療和/或預(yù)防活性劑的例子試劑包括蛋白質(zhì)，例如激素、抗原和生長因子；核酸，例如反義分子；和較小的分子，例如抗生素、類固醇、減充血劑、神經(jīng)活性劑、麻醉劑和鎮(zhèn)靜劑。合適的診斷和/或治療活性劑的例子包括放射性同位素和不透射線劑�；钚詣┛梢园�括有機分子，如藥物、肽、蛋白質(zhì)、碳水化合物（包括單糖、寡糖和多糖）、核蛋白、粘蛋白、脂蛋白、合成多肽或蛋白質(zhì)，或與蛋白質(zhì)、糖蛋白、類固醇、核酸（任何DNA形式，包括cDNA或RNA或其片段）、核苷酸、核苷、寡核苷酸（包括反義寡核苷酸）、基因、脂質(zhì)、激素、維生素，包括維生素C和維生素E，或其組合。

代表性的治療活性劑包括免疫抑制劑、抗氧化劑、麻醉劑、化療劑、類固醇（包括類視黃醇）、激素、抗生素、抗病毒劑、抗真菌劑、抗增殖劑、抗組胺劑、抗凝血劑、抗光老化劑、促黑素肽、非甾體和甾體抗炎化合物、抗精神病藥和輻射吸收劑，包括紫外線吸收劑�；钚詣┑钠渌�非限制性實例包括抗感染劑如呋喃西林、丙酸鈉、抗生素，包括青霉素、四環(huán)素、土霉素、氯四環(huán)素、桿菌肽、制霉菌素、鏈霉素、新霉素、多粘菌素、短桿菌肽、氯霉素、紅霉素和阿奇霉素；磺胺類藥物，包括磺胺乙酰胺、磺胺甲噻唑、磺胺二甲嘧啶、磺胺嘧啶、磺胺甲嘧啶和磺胺異惡唑，以及抗病毒藥物，包括伊索杜利定；抗過敏藥，如安唑啉、甲基嘧啶、撲爾敏、吡拉明、苯并嘧啶、氫化可的松、可的松、醋酸氫化可的松、地塞米松、地塞米松 21-磷酸鹽、氟輕松、曲安松、甲地松、潑尼松龍、潑尼松龍 21-琥珀酸鈉和醋酸潑尼松龍，脫敏劑如豚草花粉抗原、花粉熱花粉抗原、粉塵抗原和乳抗原；減充血劑，例如去氧腎上腺素、萘甲唑啉和四肼；縮瞳劑和抗膽堿酯酶，例如毛果蕓香堿、esperine水楊酸鹽、卡巴膽堿、氟磷酸二異丙酯、碘化膦和溴化地胼；副交感神經(jīng)阻滯劑，例如硫酸阿托品、環(huán)噴托品、后馬托品、東莨菪堿、托吡卡胺、尤卡托平和羥苯丙胺；擬交感神經(jīng)藥，如腎上腺素；鎮(zhèn)靜劑和催眠藥，例如戊巴比妥鈉、苯巴比妥、司可巴比妥鈉、可待因、（α-溴異戊酰）尿素、卡溴；精神能量劑，例如 3-(2-氨基丙基) 吲哚乙酸酯和 3-(2-氨基丁基) 吲哚乙酸酯；鎮(zhèn)靜劑，例如利血平、氯美林和硫代丙酸酯；雄激素類固醇，如甲基睪酮和氟甲睪酮；雌激素，例如雌酮,17β雌二醇、乙炔雌二醇和己烯雌酚；孕激素，例如黃體酮、甲地孕酮、美侖孕酮、氯麥迪酮、乙炔酮、炔諾酮、19-去甲孕酮、炔諾酮、甲羥孕酮和17-β-羥基孕酮；體液劑，例如前列腺素，例如 PGE.sub.1、PGE.sub.2 和 PGF.sub.2；退熱藥，如阿司匹林、水楊酸鈉和水楊酰胺；解痙藥，如阿托品、甲氨蝶呤、罌粟堿和甲基東莨菪堿；抗瘧藥，如 4-氨基喹啉、8-氨基喹啉；氯喹和乙胺嘧啶，抗組胺藥如苯海拉明、苯海拉明、曲匹那敏、奮乃靜和氯奮乃靜；心臟活性劑，例如二苯并氫氟美噻嗪、氟甲噻嗪、氯噻嗪和氨基尿酸鹽；營養(yǎng)劑，例如維生素、天然和合成的生物活性肽和蛋白質(zhì)，包括生長因子、細胞粘附因子、細胞因子和生物反應(yīng)調(diào)節(jié)劑。

優(yōu)選的活性劑是細胞毒劑，最好是紫杉醇。諸如殺蟲劑、殺蟲劑、殺真菌劑、滅鼠劑、植物營養(yǎng)素和生長促進劑之類的試劑也可以被封裝。也可以封裝組織、組織提取物和活細胞。本方法可用于封裝多于一種活性劑�；钚詣┮部梢耘c一種或多種賦形劑混合，例如本領(lǐng)域已知的穩(wěn)定劑。待封裝的活性劑的量和工藝中使用的量將根據(jù)具體的活性劑、計劃釋放水平的活性劑的期望效果以及該劑應(yīng)該釋放的時間跨度而變化。

使用平均孔徑小于10μm、優(yōu)選5μm的過濾器過濾混合物聚合物溶液-活性成分溶液12�；蛘�，當(dāng)噴墨噴頭16包括過濾器時不需要過濾。過濾后的混合物被加載到噴射容器14中并噴射到提取介質(zhì)26中。提取介質(zhì)26被選擇為連續(xù)相組分的溶劑和分散相溶劑以及賦形劑的非溶劑。當(dāng)使用水不溶性賦形劑時，提取介質(zhì)26優(yōu)選為去離子水。提取介質(zhì)26可包含緩沖劑以限制提取相中的活性劑溶解度。任何常見的緩沖液，如磷酸鹽、乙酸鹽或 Tris，只要它們與所選的表面活性劑系統(tǒng)相容，都是合適的。當(dāng)制備用于藥物或生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的微粒時，緩沖液也應(yīng)該是藥學(xué)上可接受的。應(yīng)選擇緩沖系統(tǒng)以提供活性成分最小可溶的pH值。如果活性成分是紫杉醇，優(yōu)選的緩沖液是pH值為7.4的PBS。

取決于所使用的具體聚合物/藥物/乳化劑系統(tǒng)，可以使用其他合適的提取介質(zhì)26。例如，作為賦形劑的非溶劑的水溶性有機溶劑可以用作提取相的組分以增加提取相的容量。萃取相萃取分散相溶劑�？捎糜赑LGA的實例包括醇，特別是多元醇，例如甘油。當(dāng)水用作分散相溶劑時，萃取相溶劑如乙酸乙酯、長鏈醇和酮可單獨或組合用作萃取相。

連續(xù)相通常含有至少一種乳化劑如雞蛋卵磷脂或大豆卵磷脂，或合成卵磷脂，例如飽和合成卵磷脂，例如二肉豆蔻酰磷脂酰膽堿、二棕櫚酰磷脂酰膽堿或二硬脂酰磷脂酰膽堿，或不飽和合成卵磷脂，例如二油酰磷脂酰膽堿或二亞油酰磷脂酰膽堿、游離脂肪酸、脂肪酸酯與聚氧亞烷基化合物如聚氧丙二醇和聚氧乙二醇的酸；脂肪醇與聚氧化亞烷基二醇的醚；脂肪酸與聚氧烷基化脫水山梨糖醇的酯；肥皂；甘油聚硬脂酸亞烷基酯；甘油-聚氧乙烯蓖麻油酸酯；聚亞烷基二醇的均聚物和共聚物；聚乙氧基化大豆油和蓖麻油以及氫化衍生物；蔗糖或其他碳水化合物與脂肪酸、脂肪醇的醚和酯，這些任選地被聚氧烷基化；飽和或不飽和脂肪酸的單、二和三甘油酯、甘油酯或豆油和蔗糖、膽汁鹽或膽汁酸的天然和合成形式，均與氨基酸共軛和非共軛，例如牛磺脫氧膽酸鹽和膽酸。

當(dāng)水用作連續(xù)相溶劑時，聚乙烯醇是優(yōu)選的表面活性劑。

在完成從噴墨噴頭16的噴射之后，放置在儲存器24內(nèi)的所得微球22被固化。通過以低攪拌速度、優(yōu)選低于650rpm、更優(yōu)選150rpm的連續(xù)攪拌除去(蒸發(fā))提取介質(zhì)26。攪拌應(yīng)持續(xù)至少1小時，最好是1小時30分鐘。通過以1,500rpm離心5分鐘收集微球22并在液氮中逐漸冷凍，優(yōu)選3小時，更優(yōu)選6小時。微球22被干燥，例如通過凍干。凍干混合物的可接受技術(shù)包括本領(lǐng)域已知的技術(shù)。

最終的微球22為易于注射的自由流動粉末的形式。通常，微球的尺寸適合注射。微球的優(yōu)選尺寸范圍為直徑約1至180μm。

技術(shù)來源：美國MicroFab公司