《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》：A Quality by Design Study of the use of Microfluidic Nanoprecipitation for the Generation of sub-100 nm Drug Nanocrystals
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摘要卡格列净亚微米悬浊液通过微流控纳米沉淀与QbD技术优化参数制备，粒径89.52±3.30nm，PDI 0.12±0.01，溶解度提升250倍，冻干与电喷雾固化验证稳定性。
作者名单：Yagmur Pirincci Tok、Shorooq Abukhamees、Rawan Fitaihi、Burcu Demiralp、Yildiz Ozsoy、Duncan Q.M. Craig
伦敦大学学院药学院药剂学研究部，地址：英国伦敦WC1N 1AX，Brunswick Square 29-39号
摘要
尽管药物纳米晶体在制药行业引起了广泛关注，但在生产尺寸小于100纳米的纳米晶体方面仍存在一些问题。本研究的目的是利用微流控纳米沉淀技术和质量源于设计（Quality by Design, QbD）方法，开发一种稳定且可重复的Canagliflozin（CFZ）亚100纳米纳米悬浮液体系。通过限定中心复合设计（Circumscribed Central Composite Design, CCD），优化了微流控纳米沉淀过程和纳米悬浮液配方组分的各项关键参数。最终成功制备出了平均粒径为89.52±3.30纳米、粒径分布指数（PDI）为0.12±0.01、药物含量为92.49±0.03%的CFZ纳米悬浮液，其中Soluplus被用作稳定剂。实验发现，该纳米悬浮液的饱和溶解度比纯CFZ在水中的溶解度提高了约250倍。优化后的CFZ纳米悬浮液通过冷冻干燥和电喷雾技术进行了固化。总体而言，本研究表明，结合微流控技术和QbD方法有望高效制备出尺寸分布均匀、稳定性良好的亚100纳米纳米晶体。
引言
近年来，由于纳米晶体技术在提高药物生物利用度方面具有显著优势（相比环糊精包载、固体分散体、胶束、复合物和脂质体等传统给药策略），其在制药领域的应用日益增多[1][2]。这些技术需要特定的物理化学性质才能与纳米载体结合[3][4][5]，而带有正电荷的脂质体和胶束系统可能因免疫原性而产生毒性[6][7]。纳米晶体系统因能够提高饱和溶解度、加快溶解速率并增强对细胞膜的吸附能力而受到关注[6][7]。这类纳米颗粒的尺寸通常小于1000纳米，其结构由纳米级的纯药物核心和稳定层组成，理论上可实现药物的有效装载，从而提高局部或循环浓度[8]。这些优势有望显著提升II类和IV类药物的生物利用度并减少副作用[9]，进而降低用药剂量[10]。然而，当颗粒尺寸降至100纳米以下时，稳定纳米悬浮液所需的表面活性剂用量变得极为关键：用量不足会导致颗粒聚集，而过量使用稳定剂则可能限制生物利用度的提升[11]。
据估计，2021年纳米晶体制剂在制药市场的价值超过820亿美元[12]，其中大多数产品适用于口服给药[13]。这不仅得益于此类制剂通过口服途径的优异疗效，还因为难以制备超细粒度的药物纳米晶体，限制了其他给药方式的应用[14]。例如，治疗癌症可能需要同时对药物纳米晶体进行表面修饰并将其粒径控制在100纳米以下[12]。此外，为使纳米悬浮液适用于常规生产的无菌吸入器和注射剂，其粒径必须足够小，以避免堵塞0.22微米的过滤膜[15]。因此，成功制备亚100纳米纳米晶体具有重要意义。
尽管纳米晶体在药理学上具有诸多优势，但将其尺寸降至100纳米以下仍面临技术和热力学挑战。在该尺寸范围内，表面能急剧增加导致晶体不稳定，Ostwald熟化等过程会加速纳米晶体的聚集和生长[16]。传统自上而下的制备方法（如湿法搅拌研磨WSMM）难以实现低于100纳米的粒径，而自下而上的方法在放大生产和过程控制方面存在局限性[17][18]。尽管WSMM可制备出小于100纳米的纳米晶体，但需延长研磨时间，从而增加成本[19]。此外，陶瓷或聚合物珠材的磨损可能导致纳米悬浮液污染[20]。文献中报道的纳米晶体大多采用自下而上的方法制备，其粒径通常小于100纳米[13]。其中，纳米沉淀法被认为成本低廉且易于放大[21][22]。该方法通过使药物溶液快速扩散到反溶剂相中形成过饱和状态，促使药物以亚微米颗粒形式沉淀[23]。然而，沉淀后晶体可能继续生长[24]，因此需要快速均匀的混合以实现合适的粒径分布[25]。传统的搅拌槽混合和超声波沉淀等方法因缺乏过程控制而难以适用于纳米晶体的制备[23][26]。
微流控技术在解决传统反溶剂方法相关问题方面具有巨大潜力[27]。最初微流控技术仅用于微量分析，如今已被视为制药领域的先进分析及制备工具[28]。其定义如下：“利用数十至数百微米直径的通道处理或操控少量（10^-9至10^-18升）流体的科学技术”[29]。与宏观设备不同，微通道产生的层流可实现快速的热量和质量传递[30]。在本研究中，连续的流体输入确保了纳米颗粒的一致性和可重复性生产，同时可控地调控粒径、形状、形态和组成，减少了批次间差异[31][32]。
微流控系统中纳米悬浮液的制备涉及多个操作参数，这些参数对最终结果至关重要。质量源于设计（QbD）结合系统优化和统计方法，同时基于风险评估和风险管理来确定产品和过程参数[33]。该框架包括四个核心要素：质量目标产品特征（Quality Target Product Profile, QTPP）、关键质量属性（Critical Quality Attributes, CQAs）、关键材料属性（Critical Material Attributes, CMAs）和关键过程参数（Critical Process Parameters, CPPs）[34]。
众所周知，纳米悬浮液中的药物纳米晶体由于粒径小而存在物理稳定性问题。当粒径降至100纳米以下时，吉布斯自由能显著增加，导致表面能升高，从而容易发生聚集。为获得最佳稳定性，通常采用干燥方法将纳米悬浮液转化为固态[35]。然而，干燥过程中可能存在晶体生长或聚集现象[36]。常用的干燥方法包括离心、冷冻干燥、喷雾干燥、真空干燥、电喷雾和颗粒装填[37][38]。当纳米晶体尺寸小于100纳米时，干燥过程变得更加复杂，因为颗粒表面能更高，更容易发生聚集和不可逆的尺寸增长[39]。本研究通过冷冻干燥和电喷雾方法比较了热应力对纳米晶体的影响；前者包含冷冻步骤，后者为电hydrodynamic过程，不涉及加热[38]。我们探讨了这两种方法在制备纳米悬浮液固态形式中的应用。
本研究中以Canagliflozin（CFZ）作为模型药物。CFZ于2013年上市，是首个获得FDA批准的钠-葡萄糖共转运体2（SGLT-2）抑制剂[40]。作为抗高血糖药物，SGLT-2抑制剂以其心血管保护和预防肾衰竭的作用而受到重视[41][42]。这类药物通过促进肾脏近端小管对葡萄糖的排泄来独立于胰岛素调节血糖水平[43]。CFZ在pH 1.1至12.9的水溶液中几乎不溶，属于BCS IV类药物；由于其渗透性较差，绝对生物利用度仅为65%[44]。文献中也指出CFZ可用于治疗胶质母细胞瘤[45]、胰腺癌[46]、肺癌[47]和甲状腺癌[48]，因为大多数癌症组织中都表达SGLT-2受体。
本研究的主要目标是利用定制的Y形微反应器和QbD方法，实现高质量、高产量的亚100纳米药物纳米晶体的可控生产。微流控纳米沉淀技术的高通量特性与QbD方法相结合，有望制备出直径小于100纳米的药物纳米晶体，并进一步发展成可工业化应用的方案。为了解微流控纳米沉淀过程（CPP）和配方组分（CMA）的影响，基于前期研究和文献进行了风险评估，并确定了关键质量属性（CQAs）。为实现最佳稳定性，最终通过冷冻干燥和电喷雾技术将纳米悬浮液转化为固态[35]。
材料说明
Canagliflozin（半水合物，CFZ-Hemi）由Abdi ?brahim Drug Company（土耳其伊斯坦布尔）提供。羟丙基甲基纤维素6cP和15cP（HPMC, Methocel? E6 LV, Methocel? E15 LV）购自Colorcon Middle East Pvt. Ltd.（土耳其伊斯坦布尔）。Soluplus?（Sol）、聚氧乙烯醚407（P407, Kolliphor? P407）和聚维酮K30（PVP K30）购自德国路德维希港的BASF公司。
初步配方开发
实验中使用乙醇作为有机溶剂（CFZ在乙醇中可自由溶解），同时使用了去离子水。
初步配方开发
实验发现，仅使用Sol作为稳定剂时才能制备出稳定的纳米悬浮液。这可能是因为Sol在水溶液中的粘度较低，从而在有效混合条件下实现更高的过饱和度，促进颗粒成核和减小粒径[72]。尽管Sol和P407均为两亲性聚合物，但含P407的配方会导致颗粒聚集，可能是因为Sol的空间位阻效应更强[73]。
结论
本研究证明，通过微流控纳米沉淀和QbD技术的联合应用，可轻松制备出尺寸小于100纳米的药物纳米晶体。优化后的纳米悬浮液平均粒径和粒径分布指数分别为89.52±3.30纳米和0.12±0.01纳米，而QbD预测值分别为90.26纳米和0.10纳米。在4℃下储存一周后，药物含量为92.3%，粒径为87.33±2.02纳米，实际观察结果与此一致。
数据获取
数据可应要求提供。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。
作者贡献声明
Duncan Craig：负责撰写、审稿与编辑、项目管理和概念设计。
Yildiz Ozsoy：负责撰写、审稿与编辑、方法学研究、数据分析及概念设计。
Burcu Demiralp：负责撰写、审稿与编辑、方法学研究、数据分析及概念设计。
Rawan Fitaihi：负责撰写、审稿与编辑、方法学研究、数据分析及概念设计。
Shorooq Abukhamees：负责撰写、审稿与编辑、数据可视化、方法学研究及概念设计。
Yagmur Pirincci：
利益冲突声明
作者声明以下可能的利益冲突：Yagmur Pirincci Tok与土耳其科学技术研究委员会（TUBITAK）存在合作关系，包括获得资金支持。其他作者均声明不存在可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。
致谢
Yagmur Pirincci Tok感谢土耳其科学技术研究委员会（TUBITAK）提供的国际博士生研究奖学金计划（项目编号：1059B142200207）。
