基于正电子湮没寿命谱（PALS）解析药物聚合物薄膜的局部自由体积与水合行为

《International Journal of Molecular Sciences》：Analysis of Local Free Volume and Hydration in Pharmaceutical Polymer Films Using Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy

　　

药物聚合物薄膜的纳米尺度自由体积与其水合行为之间的关系仍知之甚少。研究人员在质量源于设计（quality-by-design, QbD）框架内，对八种药物聚合物在三个浓度水平进行筛选；仅两种聚乙烯醇（poly(vinyl alcohol), PVA）级别（PVA EG-30P和EG-40P）、羟丙基纤维素（hydroxypropyl cellulose, HPC）和海藻酸钠（sodium alginate, Na-alginate）形成连续薄膜。采用正电子湮没寿命谱（positron annihilation lifetime spectroscopy, PALS）、干燥失重（loss on drying, LOD）和溶胀分析对这些薄膜进行表征。PALS清晰区分了HPC、Na-alginate和PVA，而两种PVA级别相似，浓度仅产生较小影响。HPC显示最大的自由体积孔（86.7–89.5 ?³），Na-alginate显示最小的孔（36.9–39.6 ?³）并具有最高的LOD（20.2–21.6%）。在12个聚合物–浓度组合中，自由体积孔体积与LOD呈负相关（Spearman ρ = ?0.85），但与平衡溶胀指数（equilibrium swelling index）不相关，因为HPC和Na-alginate的溶胀程度均显著高于PVA。因此，PALS可区分成膜药物聚合物并反映其残余水含量，但风干薄膜的自由体积不能预测其溶胀能力。

聚合物链的组织与相互作用以及体系中结合水的数量，决定聚合物基质与水的相互作用，并进而影响水合聚合物薄膜的性质。这些因素决定可供溶胀的局部自由体积、水合过程中吸收的液体量以及由此产生的尺寸变化。因此，在微结构和分子水平理解此类体系，对于针对特定应用合理选择和优化药物及生物材料聚合物十分必要。然而，常规宏观测量对宏观所观察到的吸水、溶胀和尺寸变化背后的微结构机制提供的认识有限。正电子湮没寿命谱（positron annihilation lifetime spectroscopy, PALS）是探测聚合物材料纳米尺度自由体积特征的有力技术。在PALS寿命谱中，与最长寿命相关的正电子素（ortho-positronium, o-Ps）组分通常由寿命（τ₃）和相对强度（I₃）两个参数表征。将Tao–Eldrup模型应用于o-Ps寿命组分，可估算自由体积空腔的平均半径及相应体积，而o-Ps强度提供聚合物基质中空腔相对浓度的定性信息。PALS可揭示聚合物基质微结构组织的多个方面，尤其是自由体积元素的大小、分布和连通性。聚合物的化学性质，如侧链存在、链刚性、交联密度和结晶度或非晶性质，均显著影响聚合物基质中自由体积的大小和分布。将PALS衍生参数与LOD和溶胀数据结合解释，可在微结构和宏观水平比较聚合物基质，并可能为水合和溶胀行为的分子机制提供认识。本研究初筛选择八种结构多样但功能相关的亲水聚合物：两种PVA级别、Poloxamer、两种Carbomer级别、HPC、Na-CMC和Na-alginate。所选聚合物包括天然、半合成和合成材料，具有非离子或阴离子特征及影响水相互作用的独特官能团。Na-alginate和Na-CMC是含羧酸根官能团的阴离子线性多糖，可促进水合并使其水溶液行为对离子条件敏感。PVA和HPC是非离子聚合物，具有广泛氢键能力；PVA是富含羟基的半结晶聚合物，HPC是羟丙基取代的纤维素醚。Poloxamer是PEO-PPO-PEO三嵌段共聚物，具有温度和浓度依赖的热可逆凝胶化，并因两亲性可在水溶液中自组装成胶束。Carbomer是合成交联聚丙烯酸网络，其吸水与溶胀因羧酸基团电离而强烈依赖pH。因此，所研究聚合物在链结构、官能团化学、电离行为和分子间组织方面不同，预期表现不同的聚合物–水相互作用、水合特征和溶胀行为。为补充化学不同类型聚合物的比较，研究纳入两种PVA级别和两种Carbomer级别，以评估级别依赖的流变和成膜性质差异，以及成膜级别的PALS衍生参数和溶胀性质差异。每种聚合物在三个浓度水平筛选。总体而言，所选聚合物集为系统评价聚合物类型、级别和浓度对成膜及所得薄膜中自由体积相关微结构参数、LOD和溶胀行为的影响提供基础。聚合物表征策略在QbD框架内构建，并与识别的关键材料属性（critical material attributes, CMAs）、关键工艺参数（critical process parameters, CPPs）和系统风险评估一致。在本研究中，QbD作为组织分析和识别可能影响薄膜形成及薄膜性质因素的前瞻性框架，不用于建立药物设计空间或得出治疗性能结论。首先，所有八种聚合物在三个浓度水平筛选表观黏度和成膜能力。由于仅四种（两种PVA级别、HPC和Na-alginate）在所用条件下形成连续薄膜，薄膜厚度测量、LOD、PALS和溶胀分析仅对四种成膜聚合物在三个浓度水平进行。尽管PALS已应用于广泛药物辅料、药物递送系统和医疗器械，但少有研究在相同条件下系统比较化学不同的成膜药物聚合物，并将PALS衍生自由体积描述符直接与所得薄膜的残余水分含量和溶胀行为关联。研究人员假设聚合物特异的局部自由体积描述符差异与不同水合和溶胀行为相关。因此，本工作目的是：（i）研究PALS是否适合在微结构水平区分药物聚合物；（ii）将PALS衍生参数与宏观水合行为关联，并从链间相互作用、结晶度和聚合物链迁移性等分子特征解释；（iii）评估风干薄膜的自由体积是否与其残余水分含量相关，以及是否能预测其溶胀能力。所研究体系不含活性药物成分（active pharmaceutical ingredient, API），也不含额外制剂特异性辅料；因此，API载量、药物释放性能、机械性能和治疗效力不在本研究范围内。
在基于QbD的聚合物筛选与风险评估中，研究人员采用Ishikawa图和基于失效模式与效应分析（failure mode and effects analysis, FMEA）的风险评估，识别关键质量属性（critical quality attributes, CQAs）并将关键材料属性和关键工艺参数按风险优先数（risk priority number, RPN = S × O × D）排序。结论是聚合物类型、表观黏度和薄膜制备工艺参数被优先考虑；机械性能虽列为CQA，但因研究聚焦自由体积与水合行为而未实验评估。
在成膜性评估中，研究人员在所施加制备、浇铸和干燥条件下评价八种聚合物的成膜能力。结论是仅PVA EG-30P、PVA EG-40P、HPC和Na-alginate形成连续薄膜；Carbomer 971、Carbomer 974、Poloxamer和Na-CMC未形成连续薄膜，成膜结果与交联微凝胶结构、胶束结构、加工窗口及无增塑剂条件下的脆性开裂有关，且特定于所用条件。
在表观黏度中，研究人员在固定剪切速率20 s^?1下测定八种聚合物三个浓度的表观黏度。结论是黏度随聚合物类型和浓度增加，Poloxamer最高，Carbomer 974低浓度即高黏度；PVA EG-30P和Poloxamer浓度–黏度斜率最陡（b = 5.9），PVA EG-40P次之（b = 5.3），Carbomer级别对浓度最不敏感（b = 0.8和0.7），反映分子量、链结构、离子性和分子间相互作用差异。
在薄膜厚度中，研究人员测定四种成膜聚合物三个浓度所得薄膜厚度。结论是厚度随浓度增加，PVA基体系最厚，PVA EG-30P由162.2 ± 5.7 μm增至334.6 ± 7.6 μm，PVA EG-40P由156.6 ± 3.0 μm增至226.8 ± 8.6 μm；HPC和Na-alginate薄膜较薄，分别由50.0 ± 2.4 μm至93.2 ± 2.6 μm和由46.2 ± 1.9 μm至101.0 ± 4.8 μm；厚度差异主要归因于分子量、聚合物浓度和浇铸凝胶黏度，而非化学组成。
在干燥失重中，研究人员用LOD评价三个浓度薄膜的残余水含量。结论是Na-alginate薄膜LOD最高并超过20%，两种PVA和HPC为6.7–10.2%，各聚合物内不同浓度间相对稳定；残余水分反映聚合物内在水吸附等温线及结合和保留水的能力，而非起始凝胶浓度直接决定。
在正电子湮没寿命谱中，研究人员测定o-Ps寿命τ₃、相对强度I₃，并估算平均自由体积孔半径R和孔体积V_h。结论是两种PVA的τ₃为1.39–1.44 ns、I₃为22.7–23.8%、V_h为45.0–48.5 ?³、LOD为8.7–10.2%；HPC的τ₃为1.89–1.92 ns、I₃为19.1–21.0%、V_h为86.7–89.5 ?³、LOD为6.7–7.3%；Na-alginate的τ₃为1.28–1.32 ns、I₃为14.0–15.9%、V_h为36.9–39.6 ?³。PALS在纳米尺度区分了HPC、Na-alginate和PVA的局部自由体积环境，并补充LOD信息；所提机制解释仍需形态、分子迁移性和结晶度等补充分析支持。
在溶胀行为中，研究人员测定平衡溶胀指数SI_eq并通过数字显微监测直径变化。结论是SI_eq范围为360.8 ± 10.0%至3282.5 ± 301.8%，聚合物类型、浓度及二者交互作用对SI_eq均有显著影响；Na-alginate最高，HPC中等且随浓度增加，PVA最低；30 min直径增加在PVA EG-30P和PVA EG-40P约为11.9%和12.1%，HPC为29.5%，Na-alginate为30.7%。这说明Na-alginate溶胀受离子性强水结合基团支配，HPC受开放、松散堆积的氢键基质支配，PVA受半结晶网络和分子间氢键限制。
在自由体积与水合相关性质之间的关系中，研究人员将12个聚合物–浓度组合的平均V_h与平均LOD和SI_eq相关分析。结论是V_h与LOD呈负相关（Spearman ρ = ?0.85，p = 0.0009；Pearson r = ?0.64，p = 0.0258），而与SI_eq无显著相关（Spearman ρ = ?0.17，p = 0.6039；Pearson r = ?0.26，p = 0.4142）；该相关主要反映聚合物类型差异而非同一聚合物内浓度差异，且平衡摄取介质量远大于风干基质自由体积，故溶胀不受既有自由体积限制，而受聚合物–溶剂相互作用和水合网络弹性约束支配。
在局限性中，研究人员指出主要发现由实测数据直接支持，而解释性的分子机制属于基于文献解释的假设；需用X射线衍射、差示扫描量热、动态力学分析或固态核磁等补充形态、结晶度和分子迁移性表征；相关分析仅基于4种聚合物12个组合，需在更广聚合物集验证；黏度仅在单一剪切速率下用于标准化筛选而非全面流变表征；薄膜不含API和制剂特异性辅料，API和辅料对局部自由体积及水合行为的影响尚待确定。
讨论部分总结认为，将QbD框架、成膜筛选、黏度、厚度、LOD、PALS、溶胀和相关性分析结合，可比较纳米尺度自由体积描述符与聚合物基质宏观水合相关性质，并为解释潜在分子机制提供基础；但机制解释仍需补充表征，且PALS描述符不能独立预测溶胀。研究结论翻译如下：本研究表明PALS适用于药物聚合物薄膜的微结构表征和区分。研究人员将PALS衍生自由体积参数与干燥失重、平衡溶胀和时间依赖尺寸变化一起评价，以比较局部自由体积环境与水合相关特征；该联合分析使纳米尺度自由体积描述符与聚合物基质宏观水合相关性质得以比较，并为解释潜在分子机制提供基础。在所用制备条件下，八种筛选聚合物中仅四种（PVA EG-30P、PVA EG-40P、HPC和Na-alginate）形成连续薄膜。PALS清晰区分HPC、Na-alginate和PVA基质，而两种PVA级别显示相当数值，浇铸凝胶的聚合物浓度对自由体积描述符仅较小影响：HPC薄膜含最大自由体积孔，Na-alginate薄膜含最小自由体积孔。薄膜自由体积孔体积与残余水分含量呈负相关，但与溶胀能力不相关。因此，风干薄膜的PALS衍生自由体积描述符适合区分成膜药物聚合物并补充残余水分数据，但不能作为薄膜溶胀能力的独立预测指标。这些结果支持将PALS作为基于QbD选择成膜聚合物的补充微结构工具。仍需在更广聚合物集以及含API和辅料的薄膜上进一步研究，并将PALS与形态、结晶度和分子迁移性表征结合，以确认这些关系并证实所提出的机制解释。