CN111545087B - 一种多通道分流高效均质混合装置及其在制备载药纳米颗粒中应用 - Google Patents

一种多通道分流高效均质混合装置及其在制备载药纳米颗粒中应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多通道分流高效混合均质装置及其在制备载药纳米颗粒中应用。包括一壳体，设于壳体内部的流体混合腔；所述混合腔为圆柱形腔体，腔体具有一个轴向的流体主出口；所述壳体中设有至少两个同一时针方向且垂直于圆柱形腔体轴向的流体主入口；在流体主入口和混合腔体之间设置有对主入口流体进行分流的通道结构，使得每个主入口流体通过至少两个分流通道沿圆柱形腔体的轴向的垂直方向进入流体混合腔内；所述流体主出口和流体主入口分别通过壳体上的连接部件与外部管道相连。所述装置可显著提高一种及多种溶液在流体混合腔内混合时的有效接触面积，使溶液在较低流速下实现高效均质混合，可用于连续和规模制备不同载药纳米颗粒。

Description

一种多通道分流高效均质混合装置及其在制备载药纳米颗粒 中应用
技术领域
本发明涉及纳米药物制剂的制备装置技术领域，更具体地，涉及一种多通道分流高效均质混合装置及其在制备载药纳米颗粒中应用。
背景技术
纳米颗粒在药物递送领域具有广阔的应用前景，利用纳米颗粒作为载体输送药物可以改善稳定性、增强靶向性和提高生物利用度，而规模化制备质量稳定的载药纳米颗粒对于其临床转化起到至关重要作用。传统的载药纳米粒制备方法主要包括逐步滴加法、快速倾倒法、乳化-溶剂挥发法等技术，利用这些间歇性制备手段获得的载药纳米粒通常存在颗粒尺寸较大，粒径不均匀以及批次重现性较差等应用瓶颈，难于满足临床转化对于质量控制的技术要求。
近年来，连续流混合技术受到制药领域广泛关注，它们在制备载药纳米颗粒方面具有诸多优势。例如，微流控技术可以实现在微小受限空间内对流体的精准控制，可用于连续制备不同尺寸与表面性质的载药纳米颗粒，然而其较慢流速和较低混合效率，使得纳米颗粒产量无法得到满足。微反应器装置在较高的湍流混合条件下可以快速实现载药纳米颗粒的高通量制备，然而这些混合装置必须依赖于极高流速才能达到均匀混合效果，这一过程容易导致生物大分子药物的变性或失活。因此亟需进一步发展新型高效混合均质装置，使可以显著提高一种及多种溶液混合的有效接触面积，并且在较低流速条件下达到高效均质混合效果，避免生物活性药物受影响，实现可控制备不同类型载药纳米颗粒制剂，尤其是适合于多肽、蛋白或核酸大分子药物纳米制剂的连续和可控制备。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供一种多通道分流高效混合均质装置。
本发明的另一目的在于提供所述多通道分流高效混合均质装置在制备载药纳米粒中应用。
本发明的上述目的是通过以下技术方案给予实现的：
一种多通道分流高效混合均质装置，包括一壳体，设于壳体内部的流体混合腔；所述混合腔为圆柱形腔体，腔体具有一个轴向的流体主出口；所述壳体中设有至少两个同一时针方向且垂直于圆柱形腔体轴向的流体主入口；在流体主入口和混合腔体之间设置有对主入口流体进行分流的通道结构，使得每个主入口流体通过至少两个分流通道沿圆柱形腔体的轴向的垂直方向进入流体混合腔内；所述流体主出口和流体主入口分别通过壳体上的连接部件与外部管道相连。
本发明的多通道分流高效混合均质装置，流体均沿同一时针方向进入，利用涡流进行快速均匀混合；同时采用将一个主入口通道分流成多个分流入口通道再进入混合腔内部的方式，每个主入口流体被分流成至少两股流体，然后每个分流体分别进入中心混合腔里，显著提高一种及多种溶液混合时在圆柱形混合腔体内的有效接触面积，可以在较低流速条件下实现溶液的高效均质混合效果，避免生物活性大分子药物的结构破坏和失活，适合于小尺寸纳米颗粒的可控制备。此外，通过流体通道的特殊分流结构设计使得满足混合均匀条件的内部混合腔体的容量可以更大，因而提高了纳米颗粒的生产效率。
优选地，所述流体分流通道设置在圆柱形腔体的圆截面切线方向上；每一个主入口流体在经过分流通道时被分为若干股分流，再沿着圆柱形腔体的圆截面切线方向进入流体混合腔内部。
优选地，所述壳体中设有四个同一时针方向且垂直于圆柱形腔体轴向的流体主入口，两两相邻流体主入口互相垂直。
进一步优选地，所述四个流体主入口处于同一平面。
进一步优选地，所述四个流体主入口共对应八个分流通道，每个流体主入口对应两个分流通道。
进一步优选地，每个流体主入口对应的两个分流通道均沿圆柱形腔体轴向方向设置且处于同一平面。
进一步优选地，分流通道的横截面是圆形。
优选地，分流通道直径范围为0.5～4mm，圆柱形流体主出口直径范围为0.5～4mm，圆柱形混合腔的圆截面直径范围为5～12mm，圆柱形混合腔体的高度为2～10mm。
优选地，所述壳体为长方体或其他几何形状，与流体主出口相连的连接部件设在其中一个面上，与流体主入口相连的连接部件均匀设在与流体主出口相连的连接部件所在面相邻的面上。
更优选地，所述壳体为长方体结构，与流体主出口相连的连接部件设在其中一个正方形面上，与流体主入口相连的连接部件设在与流体主出口相连的连接部件所在面相邻的四个面上。
进一步优选地，所述壳体为一体成型。
优选地，所述转接头为中空的螺栓；流体主入口与中空的螺栓一端相连，外部的进样管与中空的螺栓另一端相连，流体主出口一端与中空的螺栓一端相连，外部的出样管与中空的螺栓另一端相连。
再优选地，所述螺栓为塑料或金属螺栓。
优选地，所述流体混合腔材质为不锈钢、超高分子量聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚甲醛或聚醚醚酮。
更优选地，所述流体混合腔的材质是不锈钢、聚丙烯或聚醚醚酮。
本发明还请求保护上述任一所述的多通道分流高效混合均质装置在制备载药纳米颗粒中的应用。
本发明还提供一种载药纳米颗粒的连续制备方法，是将载体和/或药物溶液分别通过流体主入口，再分流，经多个分流通道引流至壳体内部混合腔进行快速与均匀混合，利用静电、疏水、氢键或其他作用力制备粒径均匀、高药物包封效率和载药量以及高重现性的纳米颗粒。
本发明方法可显著提高一种及多种溶液混合时在圆柱形混合腔体内的有效接触面积，使溶液在较低流速条件下达到高效均质混合效果。
优选地，所述前驱体溶液为载体材料和/或药物的水溶液，或者载体材料和/或药物的有机溶液。
优选地，所述载体和/或药物溶液利用蠕动泵或注射泵的推力通过管道引流至壳体内部混合腔。
优选地，所述混合腔内的流体雷诺系数在50～200或200～2000或2000～20000之间。
优选地，所述药物为亲水和/或疏水小分子药物，大分子多肽、蛋白或核酸药物；所述载体材料为无机材料、有机小分子或高分子材料，主要起到稳定药物活性成分和/或形成纳米颗粒的作用。
本发明还请求保护上述任一所述方法制备得到的载药纳米颗粒。
所述载药纳米颗粒在药物递送与治疗的应用也在本发明保护范围内。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种多通道分流高效混合均质装置，利用涡流进行快速与均匀混合，通过将一个主入口分流成多个分流入口再进入混合腔内部的方式，显著提高一种及多种溶液混合时在圆柱形混合腔体内的有效接触面积，可以在较低流速条件下实现溶液的高效均质混合效果，从而避免生物活性大分子药物的结构破坏和失活。本发明混合装置可用于连续和高通量制备不同载药纳米颗粒，制备的载药纳米颗粒具有粒径均匀和高重现性等特点，并且该混合装置还特别适合于小尺寸载药纳米颗粒的高效制备，因此在药物递送领域具有较大的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1的多通道分流高效混合均质装置的结构示意图。
图2为本发明实施例1的多通道分流高效混合均质装置的结构示意图；其中A和B是混合器装置不同视角的示意图。
图3为本发明实施例1的多通道分流高效混合均质装置的装配和工程图。其中A是混合器装置的装配图，B是混合器装置的工程图，其中8个圆柱形分流通道直径Φa范围为0.5～4mm，圆柱形流体主出口直径Φb范围为0.5～4mm，圆柱形流体混合腔的圆截面直径Φc范围为5～12mm，圆柱形流体混合腔体的高度h为2～10mm。
图4为本发明实施例1混合器装置圆柱形混合腔的示意图。
图5为本发明实施例1混合器装置参数具体为Φa＝0.8mm，Φb＝1.2mm，Φc＝7.0mm，h＝3.5mm的不同视角实物图。
图6为利用混合装置在不同流速条件制备负载胰岛素纳米颗粒的粒径和多分散指数。
图7为利用混合装置在不同流速条件制备负载鲑鱼降钙素纳米颗粒的粒径和多分散指数。
图8为利用混合装置在流速30mL/min条件下制备获得的负载核酸纳米颗粒的动态光散射结果。
图9为利用混合装置在一定流速比(32mL/min水：32mL/min水：8mL/minTPGS水溶液：8mL/min PLGA乙腈溶液)条件下制备获得的PLGA纳米颗粒的动态光散射结果。
图注：1–4为分别与外部管道连接的流体主入口，5为两分流进入口通道，6为壳体外的流体出液口，7为圆柱形流体混合腔，8为与混合腔体连接的轴向方向流体主出口，9为混合腔体上方的堵口螺栓，10为装置壳体。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
实施例1多通道分流高效混合均质装置的设计、加工与装配
如图1～4所示，一种多通道分流高效混合均质装置，包括长方体的壳体10(长33mm，宽33mm，高27mm)，设于壳体内的圆柱形流体混合腔7(圆柱形腔体圆截面直径Φc范围为5～12mm，圆柱形腔体高度h范围为2～10mm)；圆柱形流体混合腔7具有一个轴向的圆柱形流体主出口8，主出口通道直径Φb范围为0.5～4mm，流体主出口8通过装置壳体10上的转接头部件(中空螺栓)与壳体外部流体出液口6连通，中空螺栓一端连接流体主出口8，另一端连接外部的流体出液口6；所述壳体10中设有四个同一时针方向且垂直圆柱形流体混合腔7轴向方向的流体主入口1～4，相邻两个流体主入口互相垂直；在流体主入口1～4和圆柱形流体混合腔体7之间设置有对主入口流体进行分流的通道结构，使得每个流体主入口被分隔为沿圆柱形流体混合腔7的圆截面切线方向设置的两个分流通道5，四个流体主入口一共均分隔出8个分流通道(每个分流通道直径Φa范围为0.5～4mm)，从而使主入口流体被分流后沿圆柱形流体混合腔7的圆截面切线方向进入圆柱形流体混合腔7内(如图4)；所述流体主入口1～4分别通过壳体上对应设置的中空螺栓连接外部的进样管，流体主入口与中空的螺栓一端相连，外部的进样管与中空的螺栓另一端相连。图5是参数具体为Φa＝0.8mm，Φb＝1.2mm，Φc＝7.0mm，h＝3.5mm的不同视角的混合器装置实物图。
使用时，利用蠕动泵或注射泵将载体和/或药物溶液分别通过流体主入口，再分流，经多个分流通道引流至壳体内部混合腔进行快速与均匀混合，利用静电、疏水、氢键或其他作用力驱动组装制备粒径均匀、高药物包封效率和载药量以及高重现性的纳米颗粒。
具体地，本发明利用图5规格或参数的多通道分流高效混合均质装置通过以下实施例展示制备纳米颗粒应用性及优势。
实施例2利用高效混合均质装置制备负载蛋白药物纳米颗粒
选用胰岛素作为蛋白药物模型，胰岛素溶解在pH＝2.8盐酸水溶液得到浓度为0.5mg/mL胰岛素溶液。壳聚糖(90kDa,85％脱乙酰度)溶解在0.2％醋酸水溶液得到浓度为1mg/mL壳聚糖溶液，利用氢氧化钠溶液调节壳聚糖溶液pH值至5.3。三聚磷酸钠溶解在25mMHEPES缓冲溶液得到浓度为0.2mg/mL三聚磷酸钠溶液，通过调节该溶液的最初pH控制获得的最终纳米颗粒混悬溶液pH值为6.5。利用注射泵控制流体流速，将上述胰岛素溶液、三聚磷酸钠溶液、壳聚糖溶液以及双蒸水分别通过图5混合装置的四个流体主入口，然后在圆柱形混合腔体内实现高效与均质混合，再从流体出液口收集纳米颗粒溶液，即获得负载胰岛素纳米颗粒混悬液。结果如图6所示，在相同制备参数条件下，对比已报道的利用四通道微反应器混合装置获得负载胰岛素纳米颗粒混悬液(Biomaterials 2017,130,28–41；中国发明专利申请号：201780016821.6)，本发明的多通道分流高效混合均质装置可以满足在更低流速条件(10mL/min)获得小尺寸(小于60nm)和粒径分布窄的负载胰岛素纳米颗粒，表明本发明混合均质装置可以显著提升多种溶液混合过程的有效接触面积，因此在较低流速下实现高效均质混合效果，从而获得质量可控的纳米颗粒。本发明对25mL/min流速条件获得的负载胰岛素纳米颗粒进行详细表征，颗粒直径约50nm，多分散指数低于0.2，纳米颗粒zeta电位约9.6mV，胰岛素包封效率约89％，纳米颗粒载药量约27％。表明本发明提供装置可以满足在较低流速条件下制备获得粒径小且粒径分布窄的载药纳米颗粒。
实施例3利用高效混合均质装置制备负载多肽药物纳米颗粒
选用鲑鱼降钙素作为多肽药物模型，将乙二醇壳聚糖和鲑鱼降钙素分别溶解于0.2％醋酸水溶液获得1mg/mL和0.5mg/mL母液，再将两种母液按等体积混合得到乙二醇壳聚糖/鲑鱼降钙素混合溶液(以下简称混合溶液)，并且调节混合溶液pH值至5.8，混合溶液的乙二醇壳聚糖浓度为0.5mg/mL，鲑鱼降钙素浓度为0.25mg/mL。磺化葡聚糖溶解在双蒸水中得到浓度0.2mg/mL磺化葡聚糖水溶液。利用图5混合装置的两个流体主入口引入混合溶液，另外两个流体主入口引入磺化葡聚糖水溶液，从流体出液口收集制备的负载鲑鱼降钙素纳米颗粒混悬液。结果如图7所示，控制流体流速从2至50mL/min，可以获得粒径约140至60nm的载药纳米颗粒。当控制流体流速为20mL/min制备的载药纳米颗粒粒径约67nm，多分散指数约0.17，颗粒zeta电位约18.2mV，鲑鱼降钙素包封效率约69％，载药量约16.5％。表明本发明提供混合均质装置可以满足在较低流速条件下制备获得粒径小且粒径分布窄的载药纳米颗粒，通过调控流速还可以获得不同粒径的载药纳米颗粒。
实施例4利用高效混合均质装置制备负载核酸纳米颗粒
选用gWiz-luciferase质粒脱氧核糖核酸(pDNA)作为核酸药物模型，质粒核酸(pDNA)溶解在双蒸水得到浓度1.6mg/mL核酸水溶液；2-二油酰基羟丙基-3-N,N,N-三甲铵氯(DOTAP)，1,2-二油酰-sn-甘油-3-磷酰乙醇胺(DOPE)和胆固醇共同溶解在乙醇溶剂得到脂质混合溶液，其中DOTAP浓度为2.78mg/mL，DOPE浓度为1.11mg/mL，胆固醇浓度为0.44mg/mL。利用图5混合装置的两个流体主入口引入双蒸水，流速均为30mL/min，另外两个流体主入口分别引入核酸水溶液和脂质混合溶液，流速均为30mL/min，从流体出液口处收集制备的负载核酸纳米颗粒混悬液。结果如图8所示，利用混合装置制备负载核酸纳米颗粒的粒径约205nm，多分散指数约0.2。表明本发明提供混合均质装置可以在较低流速条件下制备尺寸均匀的载核酸药物的纳米颗粒。
实施例5利用高效混合均质装置制备聚合物纳米颗粒
聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)溶解在乙腈溶剂得到浓度2mg/mL的PLGA溶液；维生素E聚乙二醇琥珀酸酯(TPGS)溶解在水溶液得到浓度5mg/mL的TPGS水溶液。利用图5混合装置的两个流体主入口引入双蒸水，流速均为32mL/min，另外两个流体主入口分别引入TPGS水溶液和PLGA乙腈溶液，流速均为8mL/min，从流体出液口可收集制备的PLGA纳米颗粒混悬液。结果如图9所示，制备的PLGA纳米颗粒粒径约60nm，多分散指数为0.17。表明本发明提供混合均质装置可以在较低流速条件下制备小尺寸和均匀的聚合物纳米颗粒用于药物递送应用。

Claims (3)

1.一种多通道分流高效混合均质装置，其特征在于，包括一壳体，设于壳体内部的流体混合腔；所述混合腔为圆柱形腔体，腔体具有一个轴向的流体主出口；所述壳体中设有四个同一时针方向且垂直于圆柱形腔体轴向的流体主入口，两两相邻流体主入口互相垂直；在流体主入口和混合腔体之间设置有对主入口流体进行分流的通道结构，使得每个主入口流体通过至少两个分流通道沿圆柱形腔体的轴向的垂直方向进入流体混合腔内，分流通道均沿圆柱形腔体轴向方向设置且处于同一平面；所述流体主出口和流体主入口分别通过壳体上的连接部件与外部管道相连；流体分流通道设置在圆柱形腔体的圆截面切线方向上；所述壳体为长方体形状，与流体主出口相连的连接部件设在其中一个面上，与流体主入口相连的连接部件均匀设在与流体主出口相连的连接部件所在面相邻的面上。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述连接部件为中空的螺栓。
3.权利要求1～2任一所述多通道分流高效混合均质装置在制备载药纳米颗粒中的应用。
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