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使用納米粒度儀表征納米乳液的粒度分布--歐美克儀器應用經理吳瑾

歐美克 2024-07-09 | 閱讀：1193

概述

納米乳液（簡稱納米乳）作為一種新型的給藥遞送系統受到廣泛的關注。其制備工藝簡單，制劑質量穩定，具有一定的動力學和熱力學穩定性，且所載藥物經乳液包裹后一方面能有效提高藥物的穩定性，另一方面也能降低給藥的刺激性。納米乳可以增加難溶性藥物的溶解度，并且能實現同時對脂溶性藥物和水溶性藥物的增溶，尤其適用于成分復雜的中藥提取物復方制劑的開發。

此外，納米乳作為經皮給藥制劑的給藥載體，由于其粒徑小的特點，能增強藥物活性成分的經皮擴散速率，吸收明顯加快。在實踐中，高能乳化方法（如高壓均質化）已被證明是獲得具有小而非常均勻液滴的納米乳劑的有效方法。

納米乳的粒徑大小及分布（即粒度分布）是實現其藥理學活性、藥物的生物利用度等以上優越性能的重要質量控制指標。本文將探討動態光散射技術（DLS）在表征納米乳粒度方面的應用。

DLS技術是用于樣品粒度檢測的技術，該技術檢測進行隨機布朗運動的顆粒發出的散射光強度隨著時間推移發生的波動。分析這些強度波動可得到擴散系數，從而可通過Stokes-Einstein方程得到粒度。

其中，D為擴散系數，KB為玻爾茲曼常數，T為環境絕對溫度，η為介質粘度，DH為顆粒的流體力學直徑。

NS-90納米粒度儀是一款經典的DLS儀器，可以快速、準確測量從納米到亞微米級的顆粒尺寸。分析軟件易于使用，提供有關數據質量的可靠實時反饋，以及如何改進結果的指導。

實驗

本應用報告使用納米粒度儀表征了3個高壓均質納米乳液樣品的粒度。測量結果分別采用歐美克儀器的NS-90和馬爾文帕納科的Zetasizer nano ZS在25oC下完成，其中，NS-90采用傳統90度角測量原理，Zetasizer nano ZS采用非侵入背散射(NIBS)技術。

結果

測樣方法開發

觀察樣品狀態，發現多個樣品中均有極少量纖維狀雜質，因此所有樣品用1μm濾膜過濾進行預處理以去除雜質。

以3#樣品為例，觀察原液可見其濁度較高，透光性不佳。分別用Zetasizer nano ZS與NS-90測試該樣品原液。

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A 后向角度Zetasizer nano ZS

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B側向角度 NS-90

▲ 圖1：不同角度納米儀檢測3#樣品原液的粒度結果

其中，Z-Average是指定強度加權平均流體動力學直徑。流體動力學直徑（DH）定義為與被測顆粒或分子有相同擴散速度的剛性球體直徑。PdI（Polydispersity index）多分散指數，是對數據累積分析得出的顆粒尺寸分布寬度的無量綱數值。PdI 值范圍為 0 到 1，值越高表示多分散性越強，數值越小表示粒度越均勻。這些參數均根據國際標準ISO13321，采用動態光散射DLS技術計算。

對比圖1A、1B可見，NS-90的PdI較大，且粒度分布曲線（即PSD curve，基于光強分布）在40~50nm附近有肩峰；結合Zetasizer nano ZS測量位置在接近池壁的0.65mm等信息（這表明發生了多重散射），可知該樣品原液濃度過高，側向角度測量時發生了重復散射，結果出現了小顆粒部分的“假峰”。

用純凈水稀釋樣品，逐漸增加稀釋倍數，在NS-90上做平行對比測試。發現隨著樣品稀釋倍數的增加，Z-Average微幅減小；當稀釋倍數達到5倍之后，Z-Average趨于穩定。這是因為，在濃度較高的原液中，顆粒之間的作用力以吸引力為主，檢測到的粒徑為表觀粒徑，結果偏大；隨著樣品濃度的降低，顆粒之間的吸引力和排斥力達到平衡，粒徑不再依賴于濃度的變化，測得可靠的粒徑。另外，隨著樣品稀釋倍數的增加，PdI也隨之降低直至穩定（圖2）。

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▲ 圖2：3#樣品稀釋濃度滴定曲線

觀察光強分布曲線，可以看到小顆粒假峰消失，PdI降低到0.164（圖3）。

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▲ 圖3：3#樣品稀釋5倍后在NS-90上的檢測結果

這與采用背散射技術的Zetasizer nano ZS的檢測結果相符。

不同散射角度光強分布結果的差異

將NS-90與Zetasizer nano ZS的結果做比對（見表1），可以發現不同樣品之間Z-Average的大小順序在兩臺儀器上均一致；但對于同一樣品， Zetasizer nano ZS較NS-90， Z-Average普遍偏小4~7%不等。

▲ 表1：NS-90與Zetasizer nano ZS的結果比對

到底哪個結果更準確呢？

根據瑞利散射理論（Rayleigh Scattering Theory）和米氏散射理論（Mie Scattering Theory），當顆粒小于激光波長λ的1/10時，其散射光強在所有散射方向上等同，即各向同性散射；當顆粒尺寸大于λ/10時，前向散射發生散射扭曲，信號更往前傾。因此，大顆粒是各向異性散射的，即在不同角度的散射信號有區別。這通常意味著對于相同的大顆粒樣品，選擇不同的檢測角度，可以得到不同的粒度結果。

本文使用的納米粒度儀光源都采用紅光He-Ne激光器，波長λ為633nm。根據上述原理，當顆粒直徑大于λ/10即60nm左右時，DLS法的檢測結果會依賴于信號收集角度。

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▲ 圖3：不同粒徑球形顆粒的散射光強的矢極圖

圖3展示了不同粒徑的球形顆粒在633nm入射光的照射下，散射光在二維空間上的強度分布對比情況。50nm顆粒的散射光強在各個方向上都是一致的，從100nm顆粒開始散射光強就有前傾發生；隨著粒徑的逐漸增大，散射光前傾情況愈加顯著。

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▲ 圖4：不同角度散射光強與顆粒直徑的函數圖

當顆粒物的折射率為1.45，吸收率為0.001時，單個顆粒和單位體積的散射光強與顆粒直徑的函數關系如圖4。其中，紅色代表側向散射，藍色代表后向散射。可見，當顆粒大于60nm后，側向散射的散射光強度隨著尺寸的增加呈指數增長，而對于后向散射這種影響并不明顯。這表明在大顆粒區間對于適當分布寬度的同一樣品，側向散射的結果中大顆粒的權重會更大；而后向散射結果相較而言將略微偏小。（如表1）

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▲ 圖5：AAV病毒在不同檢測角度納米儀中的表現

在極端情況下，對于寬分布樣品，后向散射結果會更小。圖5的AAV病毒樣品因為團聚體的在173°的光強貢獻遠遠低于90°，在后向散射中，第二個亞微米級團聚體的峰的占比更低，Z-Average也更小。

現在可以回答前面的問題了，到底側向散射和后向散射的結果哪個更準確呢？答案是兩個結果都對，都具有參考性！因為納米粒度儀直接測得的是基于光強加權的粒度結果，而散射光強度依賴于散射角度。

因此，不同的儀器之間在做數據傳遞時，請務必同時報告儀器所采用的檢測角度。

數量分布測量結果評價

首先讓我們來考察不同的統計方式對粒度結果的影響。假設有2個球形的顆粒，直徑相差10倍，分別是5nm和50nm，采用不同的統計方法計算得到的平均粒徑如下：

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▲ 圖6：不同統計方式的顆粒粒度分布

從以上例子和圖6可見，數量統計對小顆粒的存在更敏感，光強統計對大顆粒更敏感。

還是以3#納米乳為例，分別在側向和后向檢測原液，應用米氏理論，輸入顆粒物的折射率和吸收率，從光強分布結果轉換得到數量分布結果（圖7A、7B）。可見在光強分布中差異并不大的兩個結果，數量分布差異則會很大。側向散射的光強分布中因為重復散射在40~50nm附近的小顆粒假峰，在數量分布中成為了整體粒度分布的主體；因此，在數量分布中側向散射結果較后向偏細很多。

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A 光強粒度分布

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B 數量粒度分布

▲ 圖7：3#納米乳原液不同角度檢測結果對比

分別在側向和后向檢測稀釋5倍后的3#納米乳，樣品濃度降低后沒有重復散射現象了，側向散射的小顆粒假峰也消失了。無論是光強分布還是數量分布，不同角度的檢測結果都是高度一致的（圖8A、8B）。

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A 光強粒度分布

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B 數量粒度分布

▲ 圖8：3#納米乳稀釋5倍后不同角度檢測結果對比

結論和討論

本文應用DLS技術表征不同配方的納米乳液的粒徑，當樣品濃度較高時，發生了重復散射，光強粒度分布出現了樣品里本不存在的小顆粒的肩峰，導致數量粒度分布異常偏小；將樣品做適當的稀釋處理后，得到更真實且穩定的光強和數量粒度分布結果。

納米乳作為藥物遞送系統，其優勢在于能有效提高生物利用度、增強靶向作用的同時，巧妙地調控藥物的緩釋效果。然而，這些優勢的充分展現依賴于對其粒度分布的工藝調節和把控。

顆粒尺寸過大的納米乳除了容易導致藥物在非目標部位積累，降低藥物的靶向性，甚至增加不必要的毒副作用外，還會阻礙藥物的有效釋放，降低其生物利用度。這種影響不僅削弱了納米藥物的治療效果，還可能產生反作用，并對治療造成負面影響。在納米乳的較多應用中，更偏好粒徑小且粒度分布窄的產品，這樣的納米乳通常具有更好的藥效并表現出良好的制劑穩定性。因此，采用對大顆粒更敏感的側向角度檢測技術來分析納米藥物的粒度分布時，可以更靈敏地捕捉到樣品中的大顆粒信息，獲得更準確的粒度分布結果，以便于有效地指導工藝參數的調整和配方的改進。

綜上所述，動態光散射是對納米乳液粒度進行表征的理想技術；無論采用側向散射還是后向散射技術，都需要找到合適的樣品濃度，開發科學、可靠的檢測方法，并根據具體應用中的重點關注指標和質控對象，在側向角度檢測和后向角度檢測中作出合適的平衡和選擇。

參考文獻

1.Zhang R, Cheng L, Luo L, et al. Formation and Characterisation of high-internal-phase emulsions stabilised by high-pressure homogenised quinoa protein isolate.

2.Sadurni N, Solans C, Azemar N, et al. Studies on the formation of O/W nano-emulsions, by low-energy emulsification methods, suitable for pharmaceutical applications.

3.高壓微射流納米均質法制備一種難溶藥物納米乳應用舉例. ;

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