聚乳酸-羟基乙酸共聚物载药微球制备工艺研究进展

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0722

中国组织工程研究 ›› 2018, Vol. 22 ›› Issue (10): 1599-1604.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.0722

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聚乳酸-羟基乙酸共聚物载药微球制备工艺研究进展

邱晓明，甄平，李松凯

兰州总医院骨科中心，甘肃省兰州市 730000

收稿日期:2017-11-03 出版日期:2018-04-08 发布日期:2018-04-08
通讯作者: 甄平，教授，硕士生导师，主任医师，兰州总医院骨科中心，甘肃省兰州市 730000
作者简介:邱晓明，男，1986年生，甘肃省临潭县人，藏族，兰州大学第二临床医学院在读硕士，主要从事关节外科方面的研究。
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(81371983)；甘肃省自然科学基金资助项目(1308RJZA146)；全军医药卫生科研基金课题(CLZ14JB03)

Current advances in the drug-loading preparation of poly(lactic-co-glycolic acid) microspheres

Qiu Xiao-ming, Zhen Ping, Li Song-kai

Department of Orthopaedics, Lanzhou General Hospital of Lanzhou Military Region, Lanzhou 730000, Gansu Province, China

Received:2017-11-03 Online:2018-04-08 Published:2018-04-08
Contact: Zhen Ping, Professor, Master’s supervisor, Chief physician, Department of Orthopaedics, Lanzhou General Hospital of Lanzhou Military Region, Lanzhou 730000, Gansu Province, China
About author:Qiu Xiao-ming, Master candidate, Department of Orthopaedics, Lanzhou General Hospital of Lanzhou Military Region, Lanzhou 730000, Gansu Province, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81371983; the Natural Science Foundation of Gansu Province, No. 1308RJZA146; the Medical and Health Research Foundation of PLA, No. CLZ14JB03

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

单乳溶剂挥发法制备聚乳酸-羟基乙酸共聚物缓释微球：将聚合物聚乳酸-羟基乙酸共聚物溶解在具有挥发特性的有机溶剂中，加入疏水性药物，将溶解有聚乳酸-羟基乙酸共聚物、药物的溶液乳化后，形成第一个油相，加入含有乳化剂的大量水中，在适当温度下经过一段时间的搅拌，使搅拌形成乳滴中的有机溶剂挥发，聚乳酸-羟基乙酸共聚物硬化并将药物包裹于其中，形成微球，离心清洗负压冻干收集得到药物微球。

复乳溶剂挥发法制备聚乳酸-羟基乙酸共聚物缓释微球：首先，将适量的药物溶解在水相(去离子水)，然后这种药物添加到溶解有聚乳酸-羟基乙酸共聚物的有机溶剂中，乳化后形成初乳，将这种油包水乳液添加聚乙烯醇水溶液再次乳化，搅拌挥发有机溶剂，最终产生微球。

摘要

背景：聚乳酸-羟基乙酸共聚物载药微球制作工艺存在缺陷，致使缓释微球内毒性溶剂残留，载药率、包封率低下。

目的：综述各种不同工艺方法制备聚乳酸-羟基乙酸共聚物载药微球的原理、优缺点、适用范围、研究现状及进展方向。

方法：通过计算机检索CNKI、PubMed 及Google学术数据库中，2012年1月至 2017年4月发表的关于聚乳酸-羟基乙酸共聚物载药微球制作、实验、应用研究的文章，分析各种制作工艺原理及优缺点。

结果与结论：目前制备聚乳酸-羟基乙酸共聚物载药微球的方法主要有：单/复乳溶剂挥发法、喷雾干燥法、水凝胶模板法、微流体、同轴静电喷涂、相分离法、超临界流体萃取法。这些制作方法都有各自的不足，目前还没有一种方法可兼顾微球的药物包封、释放、溶剂无残留、形态大小及产量。通过对制作工艺的研究和改进，将不同工艺的优点结合起来，有望制作出各种包封率理想、释放平稳的聚乳酸-羟基乙酸共聚物载药微球。

ORCID: 0000-0002-3277-7805(邱晓明)
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

关键词: 生物材料, 聚乳酸-羟基乙酸共聚物, PLGA, 微球, 制作工艺, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: Existing flaws have been found in the production process of poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) copolymer microspheres, which lead to residual solvent, low drug loading rate and low encapsulation efficiency of sustained-release microspheres.

OBJECTIVE: To review different methods for preparing PLGA microspheres from the following aspects: basic principles, advantages/ disadvantages, indications and future development.

METHODS: We retrieved CNKI, PubMed and Google scholar to access the articles related to the technique process of preparing PLGA microspheres published from January 2012 to April 2017, including experiment and application research on the principles and advantages/ disadvantages of the various processes.

RESULTS AND CONCLUSION: To date, the main methods to prepare PLGA microspheres include single/re-emulsion solvent evaporation method, spray drying method, hydrogel template method, microfluid, coaxial electrostatic spraying, phase separation method, and supercritical fluid extraction. However, no valid evidences suggest that there is a technique that completely solves all potential problems, such as drug encapsulation and release, residual solvent and appropriate shape and size. Combination and modification of the production processes is expected to develop novel PLGA microspheres with ideal encapsulation efficiency and stable drug release.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

Key words: Microspheres, Technology, Pharmaceutical, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

邱晓明，甄平，李松凯. 聚乳酸-羟基乙酸共聚物载药微球制备工艺研究进展[J]. 中国组织工程研究, 2018, 22(10): 1599-1604.

Qiu Xiao-ming, Zhen Ping, Li Song-kai. Current advances in the drug-loading preparation of poly(lactic-co-glycolic acid) microspheres[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(10): 1599-1604.

图/表（结果） 7

各种制备PLGA微球的方法及优缺点总结，见表1。

2.1 溶剂挥发法

2.1.1 单乳溶剂挥发法单乳溶剂挥发法(图1)的代表方法是经典的水包油方法^[4]。首先，将聚合物PLGA溶解在具有挥发特性的有机溶剂(二氯甲烷等)中，加入疏水性药物，将溶解有PLGA、药物的溶液乳化后，形成第一个油相也就是初乳相，加入含有乳化剂(聚乙烯醇等)的大量水中，在适当温度下经过一段时间(一般为4-6 h或者过夜)的搅拌，使搅拌形成乳滴中的有机溶剂挥发，PLGA硬化并将药物包裹于其中，形成微球，离心清洗负压冻干收集得到药物微球。

邵文尧等^[5]通过改变内外水相体积比、搅拌转速剪切力，以明胶和吐温作为外水相乳化剂，制作出了形态光滑、分散性好、粒径为1.3 μm、包封率为52.42%的维A酸聚乳酸微球，并发现微球的平均粒径随着聚乳酸浓度的降低、剪切力增大呈减小趋势。而有机溶剂的挥发时间对粒径有直接影响，挥发速度快时，微球粒径增大且包封率提高，如果挥发时间长，内部药物会转移至外水相，包封率减低。

2.1.2 复乳溶剂挥发法复乳溶剂挥发法(图2)的代表方法是经典水包油包水方法^[6]。首先，将适量药物溶解在水相(去离子水)，然后这种药物添加到溶解有PLGA的有机溶剂(二氯甲烷等)中，乳化后形成初乳。将这种油包水乳液添加聚乙烯醇水溶液再次乳化，搅拌挥发有机溶剂，最终产生微球。笔者在课题研究中发现用此法成功造出微球的关键是必须构建出稳定的初乳液，而要构成稳定乳液的条件是：油水相比例要大(9∶1)，油相中聚合物的浓度要高(≥5%)。王飞^[7]采用复乳溶剂挥发法，通过正交试验优化制备微球方案，最终制备出了粒径约 60 μm，包封率70%的盐酸万古霉素/PLGA载药微球，检测其体外释放时间超过30 d，兔椎间盘局部此载药微球较静脉注射药物更能有效治疗感染性椎间盘炎。何胤等^[8]甚至用此方法制备出了三联抗结核菌药物PLGA微球，得出微球圆整均匀无粘连，粒径为10 μm大小，缓释微球中3种药物的包封率均超过了50%。前10 d药物缓释度达50%，3种药物的累计缓释度均超过了50%，且于缓释 50 d时释放药物各自浓度均大于最低抑菌浓度。

采用溶剂挥发法制备微球的过程中，聚合物浓度、溶剂选择和搅拌速度是影响微球包封率和粒径大小的主要因素。单乳溶剂挥发法经常用于制作脂溶性或者疏水性药物微球，而复乳溶剂挥发法则适合封装水溶性药物多肽、蛋白质和疫苗等。此法简单易复制，适用于包封多种药物，容易控制粒径大小，被大量用于医学生物科学研究，但也有很多不足之处，如产量低、水溶性药物包封率低、微粒易粘连聚集、有机溶剂残留等。

2.2 喷雾干燥法喷雾干燥法(图3)是把药物溶液加入到聚合物PLGA溶液中并乳化，通过喷头将乳液喷入热空气流，乳滴在热空气的作用下溶剂蒸发，PLGA硬化成膜包裹形成微球^[9-10]。

张丽梅^[11]采用油包固体喷雾干燥法制备了异烟肼/聚乳酸微球，微球表面光滑，粒径为5.62 μm，包封率达89%，体外23 d药物累计释放70%，无明显突释；体内药物释放缓释效果良好，28 d肺内药物浓度为仍高于的最低抑菌浓度。施敏^[12]用此法制备了聚乳酸-乙基纤维素为聚合物的罗红霉素中空微球，结果微球药物包封率均在90%以上，药物与聚合物的比例明显影响微球的药物释放机制，药物释放速率及释药率随着药物与聚合物的比例的增大而增多、加快。Zhu等^[13]用喷雾干燥法和磁盘旋转的方法分别制作了粒径5 μm、33 μm，包封率85%、90%的艾塞那肽缓释微球，磁盘旋转相比较喷雾干燥法制作的微球圆整光滑，体外为期60 d的药物释放对比中，喷雾干燥法制作的微球20 d释放70%，45 d全部释放；磁盘旋转原理微球释放较平缓，20 d释放60%，60 d时释放完全。

喷雾干燥方法被广泛使用且可工业化，可用于制备多种药物微球，制备过程中无外水相的药物损失，可达到很高的包封率，生物活性无显著损失，但这种技术在制作微球时，微球易黏附在喷雾干燥器的内部墙壁且不适合对热敏感的药物。干燥温度在制备过程中的重要影响因素之一，高干燥温度易至微球变形、粒子易聚集；干燥温度过低时溶剂残余量大、微球粒径大小控制差。

2.3 水凝胶模板法水凝胶模版法(图4)是利用凝胶的溶胶-凝胶可转换的物理特性，用事先制作好的硅模板为母模板制作出不溶于有机溶剂的水凝胶模板，在模板中加入乳化的聚合物药物溶液，待聚合物PLGA药物溶液中溶剂挥发后，溶解水凝胶模板，得到药物微球^[14]。

齐献利^[15]采用溶剂挥发法和水凝胶模板法制作出不同形状的PLGA微球，并对制作工艺进行改进，制作出了粒径2 μm、包封率最高可达95%的药物缓释微球，体外药物释放结果表明，溶剂挥发法制作的球形微球 24 h释放率显著高于水凝胶模板制作的圆柱体微球，水凝胶模板制作的圆柱体微球突释效应不明显。Lu等^[16]通过孔径10 μm的水凝胶模板母板制作出粒径10 μm(测量偏离不超过10%)的利培酮/PLGA微球，与传统溶剂挥发法制作的利培酮/ PLGA微球进行了21 d的体外释放比较，21 d时两种微球释放率均为60%，但水凝胶模板法制作的微球释放更平稳。

水凝胶模板方法可包封更多种药物，具有极高的药物利用率和包封率并能精确控制微球粒径大小和形状，生产出各种理想粒径的微球，制作微球过程简单快速，但由于是新技术使用不广泛。

2.4 微流体制造微流体制造是将乳化好的聚合物药物乳液经过微通道(图5)，进入流动中的外水相，在微通道内形成微球，通过调整微通道直径的大小和改变外水相的流速，控制微球粒径大小，待微球中溶剂挥发后得到微球^[17]。

Liu等^[18]利用T型微通道装置，通过调节微通道中油相和水相的流速，制备出粒径150 μm、包封率为60%的Fe₃O₄/聚乳酸磁性微球，有癌症治疗和靶向药物输送的潜在用途。Leno等^[19]利用溶剂挥发微流体方法经过改进微球药物配方，制备出了粒径145 μm、3 d释放率20%的地塞米松/PLGA缓释微球，可作为一种很有前途的局部眼部药物，减少滴眼药水频率，显著促进患者的依从性和严格的激素药物使用剂量。Xu等^[20]用此方法制作出了粒径均一(28 μm)的布比卡因/PLGA缓释微球，并与传统溶剂挥发法制作出的11，41 μm布比卡因/PLGA缓释微球进行了比较，结果单纯溶剂挥发法制作的微球粒径大小不一，体外药物突释效应较微流体微球明显，且粒径越小这种突释越明显。

微流体制作方法可极大减少制作微球所需的试剂，可精确控制微球壳厚度、微球形状和大小、药物包封率，良好缓控药物释放速率。不足之处是微球只能一个一个造出，耗时长，难以实现批量生产。

2.5 同轴静电喷涂同轴静电喷涂(图6)方法：内针管内为PLGA丙酮药物溶液，外针管作为聚合物PLGA乙酸乙酯溶液，于喷嘴尖端在电极高电场的作用下形成乳滴，滴入聚乙烯醇水溶液中并磁力搅拌挥发溶剂，微球硬化，最后清洗冻干收集^[21]。

Yuan等^[21]研究发现，在同轴静电喷涂过程中改变正电压会导致不同流动模式，最终优化制备方案，制备出了2 μm左右、包封率最高达95.4%的姜黄素PLGA微球，体外第一个12 h药物释放10%，之后药物持续缓慢释放，30 d时累计释放60%，认为应用电电压和液体流速是影响微球的大小最重要因素。Zhang等^[22]用改进同轴静电喷涂法制造出了针对年龄相关性黄斑变性的血管生长因子/PLGA微球，粒径为5 μm，包封率达70%，采用Rhodamine-6G模型作了25 d药物体外释放实验， 21 d药物释放为70%；体内实验以小鸡为模型，注射微球后评估炎症和视网膜细胞死亡，结果表明这种微球内包封的药物能够持续释放超过1个月，没有明显小胶质细胞反应或细胞死亡。Wang等^[23]以牛血清白蛋白作为模型蛋白，用此法制作出了粒径23 µm的PLGA缓释微球，体外第1天药物释放超过30%，之后释放速度减慢，40 d时累计释放60%，结果认为同轴电喷射法是一个很好的制作缓释药物微球方法。

理论上来说，此方法能够对水溶性药物和蛋白质实现100%的封装，可有效保护生物活性，可控制微球形态和大小，但这些很大程度上都依赖于喷嘴的设计和制作过程中电场控制装置，常常因为喷嘴的原因或控制装置的原因导致微球形态控制不佳；常用的收集方法也易致微球发生聚集，且不能很好地促进壳硬化，致使乳滴中药物损失，包封率降低。

2.6 相分离法相分离法是将亲水性药物溶于水，分散于聚合物溶液中；或将疏水性药物溶解、分散与有机聚合物溶液中，在持续搅拌中加入有机媒介，使聚合物溶解度降低形成载药乳滴，通过改变搅拌速率、温度、聚合物浓度可调节乳滴大小，再将此液体倒入萃取液中，最终洗涤、筛选、过滤、离心分离、冷冻干燥收集微球^[24]。

Awwad等^[25]用此法制备了地塞米松/PLGA微球，粒径250-425 μm，球体圆整光滑，表面遍布0.2-1.0 μm大小孔隙，在体外眼睛房水流出模型实验显示，相分离法制作出的这种地塞米松/PLGA微球明显延长了药物释放。郁晓等^[26]用此方法以丙酮为聚乳酸-聚乙二醇的溶剂，制备出了包封率50%、粒径122 nm的两性霉素B缓释微球，在不同溶剂、不同表面活性剂量、不同聚合物共聚比等方面研究了对微球成型及包封率的影响，结果显示微球粒径和包封率随聚合物分子量和聚乳酸与聚乙二醇比值的增大而增大。

相分离制备微球的过程较其他方法而言比较复杂，聚合物浓度、搅拌方式、搅拌速率、萃取液加入时机及加入量等均对微球形态和载药率、包封率产生影响，进而影响药物的释放特性。该法的优点是微球的成球性好，操作简单，缺点是微球易发生粘连、载药量低，需消耗大量的有机溶液，微球中有机溶剂残留。

2.7 超临界流体萃取 CO₂在一定压力和温度下，由气体状态转变为液体状态，而这个气液相互转变的条件就叫做临界点。PLGA正常的玻璃化温度为40-60 ℃，但其在CO₂超临界的环境下，塑化温度显著降低，无需溶剂就可溶解于CO₂超流体中，再经喷头喷入到低于CO₂临界点的气体环境中，聚合物溶解度迅速降低析出成微球^[27]。

Falco等^[28]使用超临界乳剂萃取法制备出了粒径为 1 μm和5 μm、包封率75%-80%之间的的醋酸氢化可的松/PLGA微球，可持续释放药物6-15 d，一种可注射的长期抗炎药物，且可根据治疗要求制备出不同载药率的微球。Della等^[29]用超临界乳剂萃取法制作出了粒径 2 μm加载3 mg/g胰岛素和粒径3 μm加载6 mg/g胰岛素的PLGA微球，包封率均在60%以上，进行体外药物释放提示这种微球释放胰岛素平稳，对细胞的存活与增殖无影响。Della等^[30]研究发现，临界乳剂萃取法可有效无污染的制作出包封率90%、粒径1.4 μm和 2.2 μm的特立帕肽、硫酸庆大霉素/PLGA微球，将不同微球在体外PBS中15 d检测其药物释放，结果证实微球壳聚糖涂层可明显降低药物微球的突释现象，可用于复杂骨折局部、骨感染治疗或老年患者的治疗。

超临界CO₂流体萃取方法在制备微球的过程中无需加入有机溶剂，或经萃取后几乎无有机溶剂残留，可连续批量生产，但此法控制微球粒径的能力差，且微球表面微孔多，易出现突释现象。

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引言

材料方法

讨论

以上多种方法都是基于PLGA良好的生物相容性、生物降解性及其溶解性、黏度、电学特性等物理性质的特点，制造出各种各样的药物缓释微球，控缓释时长均达到或超过20 d^[31]。总结各种不同制作工艺发现，单/复乳溶剂挥发法、喷雾干燥法、水凝胶模板、微流体制造、同轴静电喷涂均是利用溶剂挥发法聚合物固化原理制作微球，其中单/复乳溶剂挥发法需要改变聚合物浓度和外水相，精确控制工艺参数，以提高封装效率^[32]，利用控制转速调节微球粒径的大小，虽然便捷，粒径大小可控制在一定的范围内，但不精确；水凝胶模板、微流体制造、同轴静电喷涂均可精确调整粒径大小，但同轴静电喷涂收集方法传统，微球易聚集；微流体由于制作过程限制只能一个一个制作，不能大批量生产，限制了其发展；水凝胶模板法不仅能精确控制粒径及形态，还有极高的包封率，但需要事先制作好精密的模板，由于是新技术应用不多；喷雾干燥法加工参数少、简单、快速、方便，适合工业化批量生产，但这种技术不适合热敏感物质，从而一定程度上限制了这种技术的适用性^[34]；另外，相分离技术产生的微球易聚集并需要消耗大量的有机相，这使得无法进行大规模的生产^[33]；超临界流体萃取法是惟一一种使微球内无有机溶剂残留的制备方法^[35]，但超临界流体萃取技术操作步骤和变量条件较多，不适合大众研究，多用于药物的纯化提炼，一定程度上限制了其在制作微球中的应用。

近几年，许多科研学者将上述多种经典方法进行改进、创新，在提高微球包封率、粒径大小控制、药物缓释控制等方面取得了相当大的进展。然而，这些不同方法都有各自的不足和缺点，制作的微球仍不理想。这里笔者提出一个大胆的构想，如果利用超临界流体技术，在PLGA临界状态性状为液体时无需任何有机溶剂参与便可与药物混合，结合模板技术铸模，可精确控制微球粒径及形态，随后改变其临界条件，PLGA与药物混合的液体状态转变为固态，制作出微球，此制作过程中无有机溶剂参与，收集时也不会有药物从微球中逸出，无药物损失，为理想的微球。如今，随着3D打印技术在医疗领域的飞速发展，可借助3D打印技术实现微球的优化制作^[36]。应用最多的普通熔融打印需要较高的温度，会导致材料发生热降解^[37]；溶液打印又需要添加可挥发的有机溶剂，材料中常伴有机溶剂残留。可否找到无毒或者低毒有机溶剂(如：乙酸乙酯可溶解羟基乙酸含量比较低的PLGA^[38])，而改变PLGA物理性状成为半流体打印墨水，加载药物后打印出所需要大小、形态、载药率、释放时间等均理想的缓释微球，这些都需要进行更多的探索和研究。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

聚乳酸-羟基乙酸共聚物载药微球制备工艺研究进展

Current advances in the drug-loading preparation of poly(lactic-co-glycolic acid) microspheres

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