溶剂蒸发法在微球制备中的应用及研究进展

溶剂蒸发法在微球制备中的应用及研究进展

【摘要】 介绍溶剂蒸发法制备微球的基本原理，分析了溶剂蒸发法制备药物微球的的特点、工艺过程及影响因素，重点讨论溶剂蒸发法的4个关键步骤：药物的加入、乳滴的形成、溶剂的除去、微球的干燥及回收，并阐述了溶剂蒸发法制备微球技术的现状及研究进展。

【关键词】 微球；溶剂蒸发法；控释制剂 基金项目：广东省科技计划项目（53028）

近年来国内外学者对天然高分子、生物可降解性高分子、嵌段高分子材料制成的微球进行了大量研究，促进了微球在医药工程和生物技术领域的广泛应用。例如，用于包埋药物及药物控释的聚乳酸微球、壳聚糖微球和白蛋白微球；用于蛋白质的分离纯化、细胞包埋或细胞培养的琼脂糖和海藻酸盐微球；用于难溶性药物注射的嵌段共聚物纳米微球。以聚合物为原料制备微球最常用的方法是先制备成O/W、W/O、W/O/W、O/W/O型乳液后，再根据具体的用途选择适当方法使液滴固化成微球。

目前，微球固化的物理化学方法主要有3大类，即相分离法、喷雾干燥法和溶剂蒸发法〔1〕。喷雾干燥法制备微球，操作相对简单，但需针对不同的聚合物材料和药物选择适当的干燥温度，且对微球粒径的控制非常困难〔2〕，故喷雾干燥法不适合温度敏感的药物。相分离法制备微球需要使用大量有机溶剂作为凝聚剂，但这些溶剂最终较难从微球产品中移除，从而带来毒性、环境污染、有机溶剂残留等问题〔3〕，且相分离方法不适合制备更小粒径的微球。

溶剂蒸发法，又称液中干燥法，是从乳状液中除去分散相挥发性溶剂以制备微球的方法，可以将微球的粒径控制在纳米范围内，既不需要提高温度也不需要引起相分离的凝聚剂。常用的溶剂蒸发法是根据聚合物与药物的性质制成W/O、O/W、W/O/W、O/W/O型等单乳化与复乳化的乳液体系，在形成稳定的乳液后，采用升温、减压抽提或连续搅拌等方法使有机溶剂扩散进入连续相并通过连续相和空气的界面蒸发，同时，微球逐渐固化，经过过滤、清洗和干燥等操作得到最终的载药微球。因此，溶剂蒸发法基本包括4个步骤〔4〕：药物的加入、乳滴的形成、溶剂的去除、微球的干燥及回收。 1 药物的加入

根据药物的性质，药物可以溶解、混悬于聚合物溶液中或者溶解于与聚合物溶液不混溶的内相中形成乳液。药物加入的不同方式，对微球的结构、包封率及药物的包埋状态都有影响。当药物能完全溶解在聚合物溶液中，在溶剂蒸发过程中药物可与聚合物始终保持均匀混合状态，直至微球形成。这种微球是基体式〔5〕，药物以分子分散状态载于聚合物骨架中，释放易得到控制。当药物混悬于聚合物溶液中，制成的微球表面常有药物的结晶，造成药物突释严重，同时，表面的药物结晶在微球的洗涤过程中被洗去，造成包封率降低。若药物经微粉化处理则减少药物突释，同时可以降低微球的粒径。Shukla等〔6〕采用溶剂蒸发法将晶体粒径为450，120，5 μm 的茶碱混悬于醋酸纤维素丙酯中制备微球，体外释放度实验表明药物晶体粒径较大的微球在1 h内释药达50%；而晶体粒径为5 μm 的药物微球在1h内释药小于10%，突释明显减少。

为进一步提高微球的载药量和包封率，近年来发展了复乳化溶剂蒸发法(modified solvent evaporation or

multiple emulsion solvent evaporation)，包括W/O/W和O/W/O乳液体系。具体方法是使药物溶液与聚合物溶液形成乳液，再将这种乳液分散于水或挥发性溶剂，形成复合乳液。然后通过加热、减压、萃取等方法除去溶解聚合物的溶剂，则聚合物沉积于药物表面，固化成微球。复乳化溶剂蒸发法形成的微球是贮库式的，药物集中在内层，外层是聚合物形成的外壳，药物通过微球外壳的微孔从微球骨架溶出，从而达到良好的控释效果。

Raghavendra等〔7〕将药物溶于内水相（W1）后加至溶解聚丙交脂-乙交脂(PLGA)的油相（O）中，高速搅拌形成W／O初乳液，然后加至含有体积分数0.5 ％PVA和体积分数4%NaCl外水相（W2）中再次乳化，形成(W1／O／W2)复乳液。在油相溶剂二氯甲烷挥发的过程中形成表面致密、药物分布均匀的微球，该载药微球的包封率高，突释率低。使用该项复乳溶剂蒸发技术制成的聚酯微球，水溶性药物盐酸多西环素体外接近零级释放达11 d，而用(O／W)乳化-溶剂萃取法、溶剂蒸发法、喷雾干燥法制备微球都不能避免药物突释。Lagarce等〔8〕用此技术制备白细胞介素PLGA微球，药物包封率达到85%，体外药物缓慢释放。 2 乳滴的形成

溶剂蒸发法制备微球的关键因素是乳液液滴的形成，因为乳液液滴形成步骤决定着微球的粒径和粒径分布，而乳滴的外形、稳定性和固化时发生的变化则影响微球的形态。因此，有必要研究影响乳液液滴的形成和稳定性的因素。 2.1 搅拌

在分散介质中形成药物／聚合物分散相乳滴最直接的方法是搅拌。将分散介质置于容器中进行搅拌，然后加入药物／聚合物分散相，在一定的搅拌速度下即可得到理想的乳滴大小。搅拌速度是对在分散介质中药物／聚合物分散相液滴大小最直接的影响因素，只有搅拌速度达到一定程度，才可以对分散相进行破碎，从而形成乳液。而若增大搅拌速度，还可以降低乳液液滴的直径，从而减小微球的粒径。微球粒径还与聚合物溶液的黏度、两相界面张力、两相体积比、搅拌桨叶片的形状及数量、搅拌桨与容器的尺寸比例等因素直接相关。

Bahri等〔9〕利用乳化溶剂蒸发法，采用了六叶涡轮式搅拌桨在直径80 mm的600 mL的量杯中分别制备了乙基纤维素(EC)、醋酸丁酸纤维素（CAB）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）微球，结果表明，随着搅拌速度的增大，微球的平均粒径会随之变小；随着药物与聚合物比例的增大，微球的粒径减小；随着聚合物浓度的增大，微球粒径逐渐增大；另外，聚合物的性质对微球的粒径有一定影响，在相同条件下，用PMMA得到的微球粒径最小。

Cortesi等〔10〕研究了不同类型的搅拌桨对微球的粒径和回收率的影响，使用了4种不同搅拌桨对乳液进行搅拌（两叶平直叶桨式、三叶旋桨式、四叶旋桨式和涡轮式），实验结果表明，采用四叶旋桨式和涡轮式搅拌桨时的微球粒径分别为50 μm和55 μm，但回收率相差较大，分别为64％和77％；而采用三叶旋桨式搅拌桨时微球的粒径为120 μm，回收率为78％；但采用两叶平直叶桨式搅拌桨时不能形成微球，这是由于采用两叶平直叶桨式搅拌易产生漩涡和气泡，液滴碰撞的几率增加，使得微球成球能力下降。一般在容器壁上装上垂直挡板能阻止液体向上流动，减少漩涡现象，从而使乳液更好地混合。 2.2 膜乳化

一般认为粒径均一的微球，缓释效果较好，但乳液采用机械搅拌法制备时，所得到的微球粒径分布不均匀。而使用膜乳化技术，则可以解决这个问题。膜乳化法是近年出现的一种新型乳化技术，在外加压力的作用下通过无机膜微孔将分散相压入连续相中形成乳状液，控制分散压力和膜孔径, 可获得不同尺寸的单分散微乳液, 具有很好的稳定性。这是机械搅拌、超声乳化等传统乳化方法所不具备的。

MA〔11〕采用SPG（shirasu porous glass）膜乳化技术制备粒径均一的PLGA微球。在相同条件下，采用不同孔径的SPG 膜制备出不同粒径大小的微球，并考察了微球平均粒径与膜孔径之间的关系。发现粒径大小取决于所采用的SPG膜的膜孔尺寸，分别采用了膜孔为0.7，1.1，2.4 μm SPG膜可得到平均粒径为1.2，1.8，2.9 μm PLGA微球。一般得到微球粒径比SPG膜的膜孔稍大。Liu等〔12〕结合了膜乳化法和W/O/W复乳技术制备了粒径均一的聚乳酸微球。方法是先将蛋白质药物水溶液与聚乳酸有机溶液混合，用均质机制备成W/O型初乳后，再将初乳通过膜压入外水相得到复乳，蒸发溶剂后得到尺寸均一的聚乳酸微球。然而采用膜乳化法制备复乳液滴存在着初乳稳定性差的问题，初乳液的不稳定将会导致在膜乳化过程中膜压不稳定，最终将影响复乳液的粒径均一性。因此必须对初乳的制备条件进行严格筛选，包括油相乳化剂种类及其使用量和油相种类等。 2.3 表面活性剂和稳定剂

液滴形成过程有分散过程（借助机械力将分散相分割成微小液滴，使均匀分散于连续相）和稳定过程（使乳化剂在被分散的液滴周围形成稳定薄膜，防止液滴聚集），表面活性剂和稳定剂在液滴稳定过程中起着十分重要的作用。李德冠等〔13〕使用聚乙烯醇（PVA）和阿拉伯胶作为稳定剂, 采用溶剂蒸发法制备聚乳酸微球，利用阿拉伯胶能够降低溶液表面张力并能使聚乳酸（PLA）乳滴带电荷，从而增加分散的乳滴稳定性，有助于得到小而均匀的PLA乳滴。另外，PVA具有良好的双亲性, 既能与PLA分子相互渗透增加生物黏合性, 疏水片断又可渗透进有机溶剂中, 有助于PLA乳滴更好更均匀地分散到连续相中, 制备了外形光滑、呈球形且分散性、重现性好的PLA微球。

在复乳化溶剂蒸发法中，初乳的稳定性是提高包封率和降低突释率的关键。Rojas等〔14〕用PLGA包埋乳酸蛋白。详细探讨了在内水相内添加Tween20对初乳稳定性和包封率的影响。用荧光标记β-乳球蛋白（BLG）后用激光共聚焦显微镜观察发现，不加入Tween20时，初乳的稳定性差，不仅内水腔变大而且较多BLG分布在微球的表面，造成包封率低，突释率大。而加入Tween20时，内水腔小，BLG被有效地限制在微球的内部，几乎不分布在微球的表面，因此包封率高，突释率小。Rosa等〔15〕的研究与上述研究结果不同，在内水相或油相内添加Poloxamer 188、Tween 20、Span 80，其中前两者添加在内水相，而后者添加在油相。加入上述表面活性剂后包封率下降，尤其是加入Span80后包封率从原来的44％下降至13％。加入表面活性剂后，微球粒径的降低是造成包封率降低的一个主要原因。 3 溶剂的去除

溶剂除去的同时，微球逐渐固化，因此，有机溶剂的除去方式也是微球制备过程中需要考虑的问题，一般采用溶剂蒸发法和溶剂萃取法。溶剂蒸发法是通过搅拌在常温下或减压条件下逐渐除去有机溶剂。在这种条件下，具有低沸点的二氯甲烷更具优势，在几个小时内就可以将有机溶剂全部除去，当然这还与搅拌速率和乳液滴的表面积有关。溶剂蒸发法提高了微球界面凝聚速率，易形成表面光滑且均一无孔的微球。

有机溶剂的挥发速度对最后微球产品特征的影响很大，它主要通过温度、压强和溶剂类型及聚合物在该溶剂中的溶解度参数来调节〔16〕。当有机溶剂快速去除时，聚合物迅速固化形成一层较致密的表面层，阻碍药物向外扩散，有利于包封率的提高，并且微球内部呈现空心球状结构。但部分微球表面存在一定的缺陷，微球的圆整度较差。若微球固化的过程比较缓慢，有利于形成完整球形的微球，其内部结构由于有机溶剂的不断缓慢挥发而呈现疏松多孔状态。 3.1 溶剂的选择

有机溶剂的理化性质对成乳性和成球性影响很大，有机溶剂不仅要求与连续相不混溶，且在外相中有一定的

溶解度和挥发性。在溶剂蒸发法中最常用的溶剂为二氯甲烷和乙酸乙酯，但大多数研究小组倾向采用二氯甲烷作为油相中的有机溶剂，因为聚合物在乙酸乙酯中的溶解度不如在二氯甲烷中高，而且二氯甲烷的挥发性比乙酸乙酯更好（二氯甲烷沸点为38.5 ℃，乙酸乙酯为76.7 ℃），另外，二氯甲烷在水中溶解度约为2%，而乙酸乙酯约为8.7%。一方面这些性质限制了乙酸乙酯在W/O/W溶剂蒸发法中的应用，如Sah〔17〕在复乳化和固化阶段，发现乙酸乙酯比二氯甲烷更快从油相向外水相扩散，乳液中高分子聚合物更易聚集，而不能成球。但在另一方面，聚合物在界面的迅速沉积却对提高微球的包封率具有重大作用。Meng等〔18〕采用改进的W／O／W 乳化-溶剂蒸发法法制备溶解酵素微球，采用聚乳酸－PEG嵌段共聚物为膜材，乙酸乙酯为有机溶剂。在制备过程中引入了一个预固化过程，在制备复乳后，将复乳倒入少量的水使部分乙酸乙酯扩散至水中使微球预固化，然后再将预固化后的微球倒入大量的水中，使微球完全固化。结果表明采用乙酸乙酯代替二氯甲烷后, 载药量可明显提高, 且重现性好，原因可能是乙酸乙酯水溶性较二氯甲烷大，在水中易扩散，使乳滴表面的高分子迅速固化成球，减缓内水相的药物向外水相的扩散，因而包封率较高（可达94％），且无粘连现象。 3.2 温度

在乳化-溶剂蒸发法中，一方面，挥发性溶剂从分散相扩散到分散介质的速度和程度主要由有机溶剂在分散介质中的溶解度决定；另一方面，温度在很大程度上影响有机溶剂的挥发速度。在挥除溶剂固化成球过程中，低温下减压缓慢蒸除溶剂有利于微球形成致密的表面，减少药物突释，但若温度过低，有机溶剂蒸发速度减慢，则可延长制备时间及药物向外水相扩散的时间，同样会降低包封率。而溶剂蒸除温度越高，聚合物固化过程越剧烈，不利于药物的包埋，骨架控释能力越差，微球的突释现象加重；还会引起乳滴聚结，使微球粒径增大。

Yang等［19］研究了制备温度对PLGA微球的粒径、形态、表面结构、载药量、包封率及释放行为的影响。采用W/O/W复乳溶剂蒸发法制备包埋牛血清白蛋白（BSA）微球，在二氯甲烷中采用聚乙烯醇PVA 溶液作为连续相。结果表明，微球的平均粒径和粒径分布随着温度的升高而增大，微球的突释现象随着温度的升高而加重。在高温的情况下，微球的表面及内部结构的小孔较多，孔隙分布较均匀及表面层较薄；而在低温的情况下，微球的表面光滑及表面层较厚。在28 ℃制备的微球较5 ℃、15 ℃和22 ℃的微球释放得更缓慢，这是由于在高温制备的微球内部的密度较高及蛋白在微球内部包埋得更深造成；另外一个可能原因是高温制备的微球由于粒径较大而使到释放的总表面积变小。 3.3 压强

作为快速挥除溶剂的另一选择，可以在减压条件下低温挥发溶剂。在减压条件下低温挥发溶剂，有利微球形成致密的表面，可以减少药物的突释。Chung等［20］以聚(L丙交酯)(PLLA)和聚(D,L丙交酯)(PDLLA)为膜材包埋了模型药物利多卡因，PVA水溶液作为分散介质，挥除二氯甲烷时采用了常压蒸发与减压蒸发两种方法，在760 mmHg的压强下蒸发6 h和460 mmHg(或160 mmHg)的压强下蒸发2 h，并比较了减压蒸发与常压蒸发的制备结果。发现采用减压蒸发制备的微球，其平均粒径减小，微球的产率和包封率较高。但释放行为不受影响。然而，Izumikawa等［21］采用减压（200 mmHg）蒸发制备的黄体激素PLA微球，发现减压蒸发法比常压蒸发法制得的微球在起始阶段释放慢很多。 4 微球的回收及干燥

在分散介质中的微球常通过过滤、筛选、或离心进行收集。一般用适当的溶剂洗涤微球，清除黏附在微球表面的物质，诸如分散相稳定剂和乳化剂等。固化过程中，一般通过提高温度或使用萃取剂去除残留在微球内部的溶剂［22］。然后，可在室温下自然干燥、减压干燥、加热或者采用冷冻干燥来制得流动性良好的微球。

干燥的过程不仅包括分散介质和附着在微球表面的清洗液的去除，而且包括微量残留的溶剂和微球内部的连

续相挥除。因此，溶剂残留量和干燥程度受干燥环境及速率的影响［23］，微球的形貌、孔隙以及微球内部药物再结晶都可能会影响到最终微球的释放性能。 5 结语

虽然聚合物载药微球的研究已进行了多年，然而目前大多还是处于实验研制的阶段。国内外对聚合物载药微球的研究主要集中在：以微球粒度大小、分散性和药物缓释为目标，通过实验设计优化制备工艺；根据经验或半经验的关联式来评价药物的释放模式和释放性能；以及动物体内药物浓度水平、毒性试验、药效和药动学方面的研究。相对来说实验和工艺优化的研究比较多，而机理方面的研究较为缺乏。对于微球稳定机理及稳定性的提高；微球结构设计与调控及其与释放性能、靶向性的关系；微球系统释放机理的研究；控制微球产品的成本；满足医药要求的聚合物载体材料的设计、筛选和改性等技术难点尚需进行深入的研究。

【参考文献】

［1］ AFTABROUCHAD C，DOELKER E．Methodes depreparation desmicroparticules biodegradables chargees en principes actifs hydrosolubles［J］．S T P Pharma Sci，1992，（2）：365-380.

［2］ OHANSEN P，MERKLE H.P，GANDER B．Technological considerations related to the up-scaling of protein microencapsulation by spray

［3］ THOMASIN C，JOHANSEN P，ALDER R，et al．A contribution to overcoming the problem of residual solvents in biodegradable microspheres prepared by coacervation［J］．Eur J Pharm Biopharm，1996，42：16-24.

［4］ SERGIO F，HANS P MERKLE，BRUNO G．Microencapsulation by solvent extraction / evaporation: reviewing the state of the art of microsphere preparation process technology［J］．J Controlled Release，2005，102：313-33.

［5］ 彭洪修，古宏晨，郑志风，等．高分子微胶囊药物释放体系［J］．化工新型材料，2000，28(12)：7-11.

［6］ SHUKLA A J，PRICE J C．Effect of drug particle size on the dissolution of the ophylline from microspheres made from low molecular weight cellulose acetate propionate［J］．Pharm Res，1989，6(5)：418．

［7］ RAGHAVENDRA C，MUNDARG I，SRIRANGARAJAN S，et al．Development and evaluation of novel biodegradable microspheres based on poly(D,L

lactidecoglycolide) and poly(ε

caprolactone) for controlled

drying［J］．Eur J Pharm Biopharm，2000，50：413-417.

delivery of doxycycline in the treatment of human periodontal pocket: In vitro and in vivo studies［J］．J Controlled Release，2007，119：59-68.

［8］ LAGARCE F，GARCION E，FAISANT N，et al．Development and characterization of

interleukin18loaded biodegradable microspheres［J］．International Journal of Pharmaceutics，2006，314：179-188.

［9］ BAHRI Z E，TAVERDET J L．Elaboration and chara［J］．Powder Technology，2007，172：30-40.

［10］ CORTESIA R，ESPOSITOA E，LUCAB G，et al．Production of lipospheres as carriers for bioactive compounds［J］．Biomaterials，2002，23：2283-2294.

cterisation of microparticles loaded by pesticide model

［11］ MA G，NAGAI M，OMI S．Preparation of uniform poly(

lactide) microspheres by employing the Shirasu

Porous Glass (SPG) emulsification technique［J］．Colloids Surf，1999，153：383-394.

［12］ LIU R，MA G H，MENG F T，et al．Preparation of uniformsized PLA microcapsules by combining Shirasu Porous Glass membrane emulsification technique and multiple emulsion - solvent evaporation method［J］．J Controlled Release，2005，103：31-43.

［13］ 李德冠，姜丹，姜云垒，等．聚乳酸微球的制备［J］．吉林大学学报，2005，43（6）：842-846.

［14］ ROJAS J，PINTO-ALPHANDARY H，LEO E，et al．A polysorbatebased nonmodulate loding and release of β

lactoglobulin entrapped in multiphase poly (DL

ionic surfactant can

lactidecoglycolide)

microspheres［J］．Pharm Res，1996，16：255-260.

［15］ DE ROSA G，IOMMELLI R，LA ROTONDA M，et al．Influence of the coencapsulation of different non-ionic surfactants on the properties of PLGA insulin283-295.

［16］ ARSHADY R．Preparation of biodegradable microspheres and microcapsules: 2.polylactides and related polyesters［J］．J Controlled Release，1991，17：1-22.

［17］ SAH H．Microencapsulation techniques using ethyl acetate as a dispersed solvent：effects of its extraction rate on the characteristics of PLGA microspheres［J］．J Controlled Release，1997，47：233-245.

［18］ MENG F T，MA G H，QIU W，et al．W /O/W double emulsion technique using ethyl acetate as organic solvent:effects of its diffusion rate on the characteristics of microparticles［J］．J Controlled Release，2003，91：407-416.

［19］ YANG Y YAN，CHIA H H， CHUNGA T S．Effect of preparation temperature on the characteristics and release profiles of PLGA microspheres containing protein fabricated by double/evaporation method［J］．J Controlled Release，2000，69：81-96.

［20］ CHUNG T W，HUANG Y Y，LIU Y Z．Effects of the rate of solvent evaporation on the characteristics of drug loaded PLLA and PDLLA microspheres［J］．Int J Pharm，2001，212：161-169.

［21］ IZUMIKAWA S，YOSHIOKA S，ASO Y，et al．Preparation of poly(l

lactide) microspheres of different emulsion solvent extraction

loded micospheres［J］．J Controlled Release，2000，69：

crystalline morphology and effect of crystalline morphology on drug release rate［J］．J Control Release，1991，15：133-140.

［22］ RICKEY M E，RAMSTACK J M，LEWIS D H．Preparation of biodegradable，biocompatible microparticles containing a biologically active agent:US,6290983［P］.2001-03-25.

［23］ PASSERINI N，CRAIG D Q.An investigation into the effects of residual water on the glass transition temperature of polylactide microspheres using modulated temperature DSC［J］．J Controlled Release，2001，73：111-115.