PSS粒度儀用于乳劑穩(wěn)定性評估

Nicomp® 和 AccuSizer®

乳液穩(wěn)定性

大多數(shù)乳液并不是天然穩(wěn)定的，需要仔細(xì)配制才能形成具有更長保質(zhì)期的分散體。各種理論和儀器技術(shù)可幫助配方設(shè)計(jì)師選擇最佳化學(xué)物質(zhì)組合以達(dá)到所需的結(jié)果。本應(yīng)用說明不是乳液配方指南，而是介紹可用于指導(dǎo)如何創(chuàng)建穩(wěn)定乳液的分析技術(shù)。

乳劑是兩種或多種不互溶液體的混合物。大部分是分散相（體積較小）和連續(xù)相（體積較大）的兩相混合體系。乳劑的類型包括水包油 (o/w)、油包水 (w/o) 和復(fù)合乳，例如水包油包水 (w/o/w) 乳劑。 在 O/W 乳劑中，分散相是油，連續(xù)相是水。

制備乳劑通常需要能量源用于分散，例如振動(dòng)、攪拌、超聲波、均質(zhì)或微流化1。大多數(shù)乳劑會隨著時(shí)間的推移而不穩(wěn)定，有時(shí)在能量停止后立即不穩(wěn)定。添加乳化劑等化學(xué)品可延長穩(wěn)定期并延遲相分離。

乳化劑通常是含有親水性頭和疏水性R-C鏈的表面活性劑。 疏水尾部朝向有機(jī)相，親水頭部朝向水。通過將自身定位在界面上，乳化劑會降低表面張力并增加液滴表面的電荷（zeta 電位），從而對乳液產(chǎn)生穩(wěn)定影響，請參見圖 1。乳化劑的類型包括食品，例如 卵磷脂、磷酸鈉和表面活性劑（離子型和非離子型）。 還可以添加粘度調(diào)節(jié)劑，例如 PEG，以提高乳液穩(wěn)定性。

圖 1. 含有表面活性劑的乳液

乳液配方和穩(wěn)定性研究

多種分析技術(shù)可研究乳劑的制備和穩(wěn)定性。使用不同濃度的兩種表面活性劑來制備水包油乳劑。使用 Nicomp® 動(dòng)態(tài)光散射 (DLS) 儀檢測乳劑液滴的平均粒徑。

Nicomp 還可用于測量液滴的 zeta 電位。 Zeta 電位可用作分散體系穩(wěn)定性的預(yù)測指標(biāo)。 Nicomp DLS 測量的結(jié)果報(bào)告可出具平均粒徑和多分散指數(shù) PI值2。

AccuSizer® 單顆粒光學(xué)傳感 (SPOS)技術(shù)用于測量尾端大顆粒，這是乳劑穩(wěn)定性的指標(biāo)。 在 AccuSizer 上測量的尾端大顆粒與乳劑穩(wěn)定性之間的關(guān)系已得到充分證明3,4，并已編入藥典 USP<729>粒徑分布的注射脂肪乳中5,6。 在 USP<729>中，大于 5 μm (PFAT5) 的體積百分比作為乳劑穩(wěn)定性的指標(biāo)，應(yīng)小于 0.05%。 USP<729>中還使用 DLS 來確定乳滴的平均粒徑，要求光強(qiáng)徑小于 500 nm。

雖然 DLS 平均粒徑、zeta 電位和尾端大顆粒都是乳液穩(wěn)定性的指標(biāo)，但LUM公司的LUMiFuge®穩(wěn)定性分析儀可用于快速分析分散體穩(wěn)定性。 LUMiFuge®可以檢測顆粒沉降和上浮的速率，以量化不穩(wěn)定現(xiàn)象； 在這種情況下，乳劑的相分離（乳化）是時(shí)間的函數(shù)。樣品被放置在樣品管中，光源掃描整個(gè)裝樣區(qū)域，收集不同時(shí)間、空間的透光率，得到時(shí)間、空間指紋圖譜。光源有NIR和藍(lán)光可選，NIR幾乎適用所有樣品
，藍(lán)光適用納米, 透光率高的樣品。通過離心加速的方式，最高可實(shí)現(xiàn)2300倍的重力加速。

圖 2. LUMiFuge®檢測原理STEP技術(shù)

在制備之初，使用這些技術(shù)來分析乳劑樣品，并間幾秒或者幾分鐘采集一次數(shù)據(jù)，可獲得關(guān)于時(shí)間的函數(shù)。通過離心轉(zhuǎn)速的設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)最高至2300倍的加速，大大縮短對乳劑穩(wěn)定性研究所需的時(shí)間，本研究的目標(biāo)是簡單地展示如何使用儀器和分析數(shù)據(jù)。本研究無意成為乳劑制備和長期穩(wěn)定性分析的參考指南。

制備了幾種水包油乳劑來研究穩(wěn)定性。所有乳劑都是通過將 1 mL 礦物油混合到 19 mL 含有表面活性劑的去離子水中而制成的。兩種表面活性劑以兩種濃度使用：

A：陰離子表面活性劑和乳化劑

•        A High：10 g溶解在 100 ml去離子水中

•        A Low：2.5 g溶解在 100 ml去離子水中

B：非離子表面活性劑和乳化劑

•        B High：5 mL 溶于 100 mL 去離子水中

•        B Low：1 mL 溶于 100 mL 去離子水中

在所有的制備中，將表面活性劑加入水中，攪拌 10 分鐘并升溫至 50°C。 將礦物油升溫至 40°C，然后加入到水/表面活性劑溶液中。 接下來使用超聲波探頭將油/水混合物超聲處理兩分鐘。

儀器

粒度通過兩種技術(shù)測量：

•        使用動(dòng)態(tài)光散射（DLS）的Nicomp Z3000 測量壓微米粒徑和zeta電位

•        使用單顆粒傳感（SPOS）技術(shù)的AccuSizer A7000APS 對 0.5 – 400 μm 尾端大顆粒進(jìn)行檢測

使用兩種技術(shù)來測量乳劑的粒徑大小和穩(wěn)定性，這是一種有據(jù)可查的方法，并已納入藥物檢測 USP <729>脂肪乳檢測中。

使用LUMiFuge®測量乳劑穩(wěn)定性。

儀器設(shè)置

DLS 粒徑：平均粒徑和 PI 值使用Nicomp 測量的，設(shè)置如下：

•        通道寬度：自動(dòng)； 通常值為 38 μs

•        溫度：23°C

       液體粘度：0.933 c

•        強(qiáng)度設(shè)定點(diǎn)：自動(dòng)

•        激光波長：658 nm

•        測量角度：90°

•        樣品池類型：一次性方形比色皿

•        基線調(diào)整：自動(dòng)

•        算法：高斯算法

Zeta 電位：zeta 電位測量使用如下所示的設(shè)置條件進(jìn)行測試：

•        溫度：23°C

•        液體粘度：0.933 cP

•        散射角：-14.14°

•        介電常數(shù)：78.5

•        樣品池類型：方形比色皿

•        電極間距：0.4 厘米

•        電場強(qiáng)度：4 V/cm

•        分析類型：PALS相位分析（非恒流）

SPOS 粒徑：AccuSizer APS 測量使用如下所示的設(shè)置條件進(jìn)行測試：

•        數(shù)據(jù)收集時(shí)間：60 秒

•        通道數(shù)：128

•        稀釋劑流速：60 毫升/秒

•        目標(biāo)濃度：4500 顆/毫升

•        背景閾值：100 顆/秒

•        傳感器：LE400

•        校準(zhǔn)：Summation模式

•        進(jìn)樣環(huán)：0.5 mL

•        注射器體積：1 毫升

•        樣品流動(dòng)時(shí)間：5 秒

•        初始 DF2：1200

穩(wěn)定性分析：使用如下所示的設(shè)置條件進(jìn)行測試

•        測量時(shí)間：3000秒

•        掃描速率：每 30 秒

•        溫度：25 攝氏度

•        數(shù)據(jù)報(bào)告：穩(wěn)定性指數(shù)譜圖。

結(jié)果

如圖3展示了四個(gè)樣品不穩(wěn)定性指數(shù)譜圖。

圖 3. 所有樣品的LUMiFuge®透光率譜圖

參考原圖在上面的圖譜中標(biāo)準(zhǔn)樣品名稱

結(jié)果表明：

•        Low A 和 High A 都是極不穩(wěn)定的乳劑，其中High A 比 Low A 穩(wěn)定。

•        Low B 和High B 是非常穩(wěn)定的乳劑，其中High B 比Low B 略穩(wěn)定。

解釋上面收集的數(shù)據(jù)的另一種簡單方法是查看圖4 中所示的 AccuSizer A7000APS 儀的體積分布。

圖 4. 相對體積百分比分布

由圖可知，尾端大顆粒的百分比遞減順序?yàn)椋?/span>Low A> High A> Low B> High B。 與圖 3 中看到的LUMiFuge®結(jié)果一致。

乳劑大顆粒的體積百分比越高表明乳劑穩(wěn)定性越差。 在 USP<729>中，選擇大于 5 μm 的百分比作為規(guī)定的臨界值。圖 4 中顯示的 AccuSizer 結(jié)果是在制備每種乳劑后 10 分鐘內(nèi)測量的，在大于5 μm 的范圍內(nèi)還沒有出現(xiàn)乳滴。因此，一個(gè)值（例如大于 1 μm 的體積百分比）可能是一個(gè)更好的計(jì)算方法，可以在一開始制備時(shí)專注以區(qū)分這些樣品。 圖 4 中顯示的為四小時(shí)后再次分析樣品High A的結(jié)果。圖 5 顯示乳劑的粒徑顯著增加，發(fā)現(xiàn)了較多的大于 5 μm 的顆粒。

圖 5. 制備后 10 分鐘（藍(lán)色）和 4 小時(shí)（紅色）的 High A

需要注意的是，本文中顯示的 AccuSizer 結(jié)果并不代表整個(gè)粒徑分布，僅代表為尾端大顆粒。用于本研究的LE400傳感器具有 0.5-400 μm 的動(dòng)態(tài)范圍，但絕大多數(shù)乳劑顆粒低于這個(gè)檢測范圍，這也是為什么使用 DLS 來確定乳劑的平均粒徑。所分析樣品的 DLS 平均粒徑、PI值 和 zeta 電位如表 1 所示。

表 1.DLS 大小和 zeta 電位結(jié)果

表面活性劑 B 的平均粒徑越小表明乳劑越穩(wěn)定，如圖 3 所示的LUMiFuge®數(shù)據(jù)和圖 4 中的 AccuSizer 數(shù)據(jù)所示。對于 A 和 B，較高的表面活性劑濃度導(dǎo)致較小的粒徑和 PI 值，以及較高的 zeta 電位值。但是 A 的兩個(gè) zeta 電位值都大于 B ，事實(shí)表明僅僅參考 zeta 電位并不能確定最佳的制備條件。 更重要的考慮是對于一定的乳劑類型，哪種表面活性劑是更好的乳化劑。親水親油平衡 (HLB) 是表面活性劑親水部分和疏水部分之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式7。將 HLB 計(jì)算應(yīng)用于乳劑制備通?？梢愿钊氲亓私獗砻婊钚詣┑倪x擇和預(yù)估乳劑的穩(wěn)定性。一般來說，o/w 乳劑需要較高 HLB 的表面活性劑，w/o 乳劑需要較低 HLB 的表面活性劑。

結(jié)論

本研究中使用的每種儀器都提供了有用的信息，用以指導(dǎo)研究乳劑的制備和穩(wěn)定性分析。 LUMiFuge®可直接、快速測量乳劑的穩(wěn)定性，并提供易于解釋的數(shù)據(jù)，量化乳劑的相對穩(wěn)定性。 乳劑Low A 和High A 有意制備得非常不穩(wěn)定，從而也開出LUMiFuge®可非常快速地量化穩(wěn)定性差異。

Nicomp 提供快速、簡單的乳劑平均粒徑和zeta電位數(shù)據(jù)，為所研究的乳劑提供極_好的初始信息。常規(guī)而言，Zeta電位值越大，說明乳劑越穩(wěn)定。但大多數(shù)乳劑只需要 zeta 電位值大于 10 mV 即可實(shí)現(xiàn)一定程度的穩(wěn)定性。當(dāng)涉及一種以上的表面活性劑時(shí)，僅查看zeta電位并不能回答一系列制備穩(wěn)定性樣品的所有問題。

AccuSizer系列顆粒計(jì)數(shù)器測試快速、可以得到明確數(shù)據(jù)用來預(yù)測和追蹤乳劑穩(wěn)定性。 也是制藥行業(yè)中用于確定脂質(zhì)乳劑穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，在乳劑研究中應(yīng)得到更廣泛的應(yīng)用。

參考

1       Entegris Application Note - Size Reduction by a Microfluidizer

2       Entegris Technical Note - DLS Data Interpretation

3       Driscoll, D. et. al., Physicochemical assessments of parenteral lipid emulsions: light obscuration versus laser diffraction, International Journal of Pharmaceutics 219 (2001) 21–37

4       Driscoll, D. et. al., Fat-globule size in a propofol emulsion containing sodium metabisulfite, Am J Health-Syst Pharm – Vol 61 Jun 15, 2004

5       USP<729>, Globule Size Distribution in Lipid Injectable Emulsions

6       Entegris Application Note - USP<729>

7       Vaughan, C.D. Rice, Dennis A.; Predicting O/W Emulsion Stability by the Required HLB Equation; Journal of Dispersion Science and Technology; 1990. Vol. 11 (1), pp 83 – 91