复杂制剂应用专题 |单颗粒光学传感技术（SPOS）在医药微球制剂质量控制中的应用研究

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摘要：微球制剂作为长效缓释与靶向递送的重要载体，其粒径分布、颗粒数量浓度及异常大颗粒含量是影响药物释放行为、注射安全性与体内分布的关键质量属性。本文系统梳理了医药微球的定义、制备工艺及质量控制要点，分析了传统粒径表征技术的局限性，阐述了单颗粒光学传感技术（SPOS）的原理与优势。结合PLGA微球的研究案例，展示了AccuSizer系列仪器在处方筛选、粒径分布测定及批间一致性评价中的应用，为复杂微球制剂的研发与质量控制提供技术参考。

关键词：微球制剂；粒径分布；颗粒计数；SPOS；单颗粒光学传感技术；AccuSizer

微球（microspheres）是指以天然或合成高分子材料为载体，在微米尺度（通常为1–1000 μm）形成的球形微粒给药系统。根据经典药剂学综述文献，微球属于多单元给药系统（multiparticulate drug delivery system, MDDS），其通过微观结构设计实现对药物释放行为的调控，在长效制剂与靶向递送领域具有重要应用价值。^[1][2]

从结构角度来看，微球具有显著的多样性，其内部形貌可表现为致密基质结构、多孔结构、核-壳结构或空心结构等类型。不同结构源于成球过程中聚合物相分离、溶剂迁移及固化动力学差异，并直接决定药物在体系中的分布状态及释放路径。^[3]例如，基质型微球中药物通常均匀分散于聚合物网络中，其释放行为受扩散与材料降解共同控制；多孔结构则由于比表面积增大，可显著加快药物释放速率；而具有明显界面结构的微球则可通过调节界面性质实现更加精细的释放控制。下图1.1 展示了不同结构微球横截面电镜照片。

图1.1 不同结构微球横截面电镜照片

在材料方面，微球通常采用生物相容性良好的聚合物，如聚乳酸（PLA）、聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）、蛋白质及多糖类材料。这些材料在体内可发生可控降解，其降解行为与药物扩散过程协同作用，共同决定微球的释放动力学特征。^[4]

综上，医药微球制剂本质上是一类基于微尺度结构调控的先进药物递送系统，其核心特征在于粒径可控、结构可设计及释放行为可调节，是当前复杂注射制剂与长效制剂的重要发展方向。

微球的制备技术直接决定了其关键质量属性（CQAs），包括粒径分布、载药量、包封率及表面形貌，这些属性进而影响其体内行为与临床疗效。目前，主流的微球制备方法主要包括以下几类：

乳化-溶剂挥发/萃取法：该方法是目前应用最广泛的微球制备技术之一。其基本原理是将含药聚合物溶液分散于连续相中形成乳液体系，随后通过有机溶剂的挥发或萃取使聚合物固化成球。该方法适用于PLGA等疏水性聚合物体系，具有工艺成熟、可放大性强等优点，但在乳化及固化过程中易引入粒径分布宽化及颗粒不均一问题。

图1.2乳化-溶剂挥发/萃取法

喷雾干燥法：喷雾干燥通过将药物-聚合物溶液雾化并快速干燥形成微球颗粒，具有连续化生产及粒径可控性较好的优势，适用于工业规模制备^[4]。然而，高温干燥过程可能对热敏性药物稳定性产生不利影响。

图1.3喷雾干燥法示意图

除上述主流方法外，微球的制备还包括多种其他技术路径。例如：相分离法（凝聚法）通过改变溶剂体系或引入非溶剂，使聚合物从溶液中析出并包封药物，适用于蛋白、多肽等生物大分子，但对工艺条件敏感；溶胶-凝胶法与离子凝胶法主要用于天然高分子体系，通过化学或离子交联实现成球，具有条件温和及良好生物相容性；微流控技术则通过精确控制微尺度流体行为，实现单分散微球的制备，在粒径均一性方面具有显著优势，但目前在规模化生产方面仍存在一定限制。

总体而言，不同制备方法在粒径控制能力、结构均一性及工业适用性方面存在显著差异。传统方法虽具备成熟的产业基础，但往往伴随颗粒分布宽化及异质性问题，而新兴方法则在精确控制方面展现出潜力。可根据药物的性质、制备微球的目的选择合适的方法。此处，介绍一种微球的制备流程，见图1.4，制备药物水溶液和聚合物溶液，经过混合、剪切步骤形成混悬剂，再经微射流均质机均质得到较小粒径的制剂。

图1.4 注射用微球制备方法

在实际制备过程中，由于成球机理复杂及多因素耦合作用，微球体系中普遍存在粒径分布宽化、结构差异显著及少量异常颗粒（如大颗粒或缺陷颗粒）等问题。下文将系统阐述微球制剂的质量评价体系。

微球将药物包埋或吸附于聚合物载体中，通过皮下或肌肉注射进入体内后，经表面快速释放、药物扩散、聚合物溶蚀降解等方式实现药物的缓慢释放，可显著延长药物半衰期。作为一种典型的微粒制剂，微球的粒径及其分布是其质量评价的核心要素之一。根据《中国药典》2025年版第四部通则9014<微粒制剂指导原则>，微粒制剂的质量控制应围绕粒径及粒度分布、颗粒形态、载药特性（如载药量与包封率）以及体外释放行为等关键指标展开。这些参数共同决定了微粒制剂的结构特征及其在体内外环境中的行为表现^[5]。其中，粒径及粒度分布作为基础性参数，不仅影响制剂的均一性和制备工艺的稳定性，还在很大程度上影响微球的体内分布、释放特征及给药安全性，是微粒制剂质量评价中的核心控制指标之一^[6]。

粒径均一性不仅影响产品批次间的制备重复性，还直接影响应用效果。尺寸均一、可控的微球产品是医药制剂的关键核心^[5]。同时，粒径尺寸直接影响微球的体内分布与给药途径。注射用微球直径一般需控制在20~50 μm左右，直径过小易被巨噬细胞吞噬或进入毛细血管导致栓塞，直径过大则影响通针性^[4]。对于特定给药部位，粒径要求更为精准，例如关节腔注射用微球的研究显示，平均粒径PLGA微球可实现长时间的体外缓释，满足关节腔内注射使用要求^[7]。

从实际应用来看，粒径分布的均一性对微球在体内的输运行为同样具有重要影响。传统栓塞微球由于粒径分布不均，在血管内的运动轨迹难以预测，从而增加误栓风险；四川大学相关专利CN113198041A通过制备高单分散性微球（粒径变异系数≤5%），可显著提升其在血管内分布的均匀性与可控性，降低非靶向栓塞发生的可能性。

由此可见，粒径特性从释放行为、体内分布到给药途径，全面影响着微球制剂的疗效与安全性。

微球数量（数量浓度，particle number concentration）是指单位体积或质量体系中微球颗粒的实际数目，是区别于质量浓度或体积分数的关键参数。在微球制剂体系中，数量浓度不仅决定单位剂量中有效载体的实际颗粒数，还直接影响药物释放动力学、体内分布行为及最终治疗效果。因此，数量浓度作为反映颗粒群体结构的重要参数，在复杂微球制剂研究中逐渐受到关注，并常与粒径分布等指标联合用于评价制剂质量一致性与性能。

从药物释放机制来看，微球体系的整体释放行为可视为单颗粒释放过程在群体尺度上的叠加结果。Klose等人在《International Journal of Pharmaceutics》发表的研究表明，在PLGA微球体系中，体系结构参数（如孔隙度与粒径）会通过改变扩散路径及界面条件影响药物释放过程^[8]。在此基础上，微球投加量（即颗粒数量或浓度）的变化会进一步改变体系与外界介质之间的比例关系，例如“微球质量/释放介质体积比”的变化可影响扩散驱动力及浓度梯度分布，从而对整体释放动力学产生影响。因此，在相同粒径和载药量条件下，数量浓度的变化可能导致释放曲线出现差异。

从体内分布与剂量控制角度来看，数量浓度的影响更加直接。Kafantaris等人在《Mathematics》发表的研究基于数值模拟方法分析了放射性栓塞过程中微球在血流中的分布行为，结果表明，在特定流体动力学模型条件下，微球数量浓度会显著影响其在血管分支中的分配比例及在靶组织中的沉积密度^[9]。该研究从模型分析角度表明，微球数量浓度是影响其体内分布均匀性与靶向效率的重要因素之一。

此外，数量浓度还与制剂均一性及工艺稳定性密切相关。在微球制备过程中，颗粒团聚、破碎或分散不均均会导致实际数量浓度偏离理论值，从而引起剂量偏差及批间差异。相关研究指出，微球的粒径分布、载药量及比例关系共同决定最终体系中“有效颗粒群体结构”，其中不同粒径颗粒在数量分布上的差异会进一步影响整体药物负载与释放贡献^[10][11]。例如，单分散栓塞微球制备专利（如CN104829851B）通过微流控技术精确控制微球粒径，实现粒径变异系数≤5%的单分散性。粒径的高度均一意味着每颗微球的体积和载药量趋于一致，这使得在总给药剂量固定的情况下，单位剂量中所含的微球数量也具有了高度的可预测性，为精准剂量控制奠定了基础。

综上，微球数量浓度不仅是描述颗粒体系结构的重要参数，还在药物释放行为、体内分布特征及制剂均一性控制中发挥着重要作用。在现有质量评价框架下，数量浓度虽尚未形成统一的强制性控制指标，但作为补充性关键参数，已在研究开发及工程实践中得到广泛应用。随着复杂制剂表征体系的不断发展，其在微球制剂质量控制中的作用有望进一步增强。

在微球粒径表征领域，传统技术如动态光散射、激光衍射、静态图像分析及沉降法等已被广泛应用，并在许多标准化场景中展现出良好的重复性与操作便捷性。这些方法通常基于对大量颗粒的集体响应进行统计平均，从而获得体系的整体粒径分布信息，能够满足常规质量控制的基本需求。在多分散体系中，传统方法易受采样代表性不足和信号叠加效应的影响，粒径分布曲线可能出现一定程度的平滑化或畸变，对于低浓度但具有重要质量意义的亚可见颗粒，其检测灵敏度存在一定局限。^[12]基于图像的统计方法虽能提供形貌信息，但其分析通量相对较低，且在高浓度或颗粒重叠情况下的自动识别仍面临一定挑战。

上述方法在微球粒径表征中均发挥着重要作用，但其共同特点是通常以颗粒总体散射或图像统计为基础，难以对体系中的每一个颗粒进行逐一测量。当微球体系中存在少量大颗粒或颗粒聚集体时，这些颗粒在整体统计数据中占比较低，其贡献容易被稀释，对真实粒径分布的精细呈现存在一定局限。同时，传统方法在提供颗粒数量和浓度信息方面也存在不足，对于需要精确捕捉分布尾部特征、评估体系稳定性或监测早期聚集倾向的应用场景，现有技术手段仍有待进一步完善。

单颗粒光学传感技术（Single Particle Optical Sizing, SPOS）基于传统光阻法的原理发展而来。传统的光阻法(Light Extinction，LE，也称为光消减，Light Obscuration，LO)检测粒径的原理为：当粒子通过光感区域的阻碍了一部分入射光，引起到达检测器的光强降低，此信号的衰减幅度理论上与粒子的横截面成比例关系。在仪器中，将光强信号转换成电信号，具体表现为电压值，不同粒径大小的粒子产生的电压值不同，根据对应关系，就可以建立标准粒子和粒径大小的校准曲线。传统光阻法的范围下限一般1.8μm。

为突破这一下限，单颗粒光学传感技术（SPOS）结合了光阻效应和光散理论，图3.1所示，该技术通过有机融合光阻（LE）信号和光散射（Light Scattering, LS）信号，实现了技术突破：利用光阻效应保证较宽的粒径检测范围，同时通过光散射技术增强对小颗粒的检测灵敏度，从而将单颗粒计数的检测下限拓展至0.5μm。这不仅迎合了更严苛的质量要求，也助力于精密制造领域对环境杂质的高标准控制。

3.1单颗粒光学传感技术（SPOS）原理图

基于SPOS这一技术原理，Entegris（PSS）推出AccuSizer系列颗粒计数器。该系列产品结合了自动稀释技术，检测范围覆盖从纳米级到微米级，能够在检测液体中颗粒数量的同时，精确测量颗粒的粒度分布；搭载新一代AccuSizer强大的软件分析功能，能够提供真实精细的分布结果，广泛应用于精细化工、半导体、医药、光电及过滤等领域。图3.2为AccuSizer系列颗粒计数器的产品实物图。

图3.2 AccuSizer系列颗粒计数器产品图

• 检测范围为0.5μm-400μm(可将下限拓展0.15μm)。

• 0.01μm的超高分辨率，AccuSizer系列具有1024个数据通道，能反映复杂样品的细微差异，为研发及品控保驾护航。

• 灵敏度高达10 ppt级别，即使只有微量的颗粒通过传感器，也可以精准检测出来。

Aurizio等人在研究聚乳酸-羟基乙酸(PLGA)作为给药系统，以保护不稳定的前药LD-LA(治疗帕金森病症状)免受酶促和化学降解，并获得完整化合物的持续释放的过程中，采用 AccuSizer 系列仪器对微球粒径大小和粒径分布进行检测。^[13]

帕金森病(PD)是一种进行性神经退行性疾病，其主要病理特征为中脑黑质致密部多巴胺(dopamine，DA) 能神经元进行性变性丢失，导致纹状体DA水平下降，在临床上主要表现为静止性震颤、运动迟缓、肌强直和姿势平衡障碍等症状。

图4.1 神经元示意图

PD的病因学具有多因素，包括氧化应激和脑铁失调。目前的化学疗法基本上是使用外源性左旋多巴(LD)(DA的直接前体)作为药物进行对症治疗。然而，LD给药与三个重要问题有关:

1.  LD代谢可产生细胞毒性自由基，破坏尚未受损的黑质纹状体的多巴能神经元，可加速帕金森病的发展；

2. LD在中枢神经系统的生物利用度较低；

3. 在长期治疗期间，给药后LD的血药浓度波动明显，进而导致大脑内突触间隙的多巴胺水平波动剧烈，对突触后多巴胺受体造成脉冲样刺激，从而导致运动并发症的出现。

为了克服这些问题，最近合成了一种含有LD和天然硫辛酸部分(LA)的多功能前药(LD-LA，图4.2)。硫辛酸很容易穿过血脑屏障并在神经元中积累，具有抗氧化和铁螯合特性，可以减少儿茶酚胺的自动氧化(由过渡金属加速)和清除LD代谢产生的ROS。

图4.2 LD-LA 前药分子结构

通过油包水乳液/溶剂蒸发技术(O/W，ESE)制备了LD-LA PLGA微球(Wischke和Schwendeman，2008)。简单地说，将PLGA和LD-LA以不同的浓度和药物/聚合物比例(PLGA/mLDCM 为200、400、800mg/mLDCM;药物/聚合物比例为2%、5%或20%(w/w))溶解在DCM中，可制得 0.5 mL的油相。

对于聚合物浓度较高的溶液，在室温下超声处理30min。使用均质机，将o-ph 与含PVA2%(w/w)的水相(aq-ph)乳化(30s，室温，25000 r/min)。将得到的乳液滴入PVA水溶液(0.5%(w/w))中;2.5或5ml)，硬化浴(hb)，在室温下磁力搅拌两小时，使DCM蒸发和微球凝固。

或者，在不稀释的情况下搅拌乳液(表1)。在室温(3min，3000Xg)下离心收集微球，然后用水洗两次，用液氮迅速冷冻，冷冻一夜进行干燥。

使用AccuSizer A7000 AD对微球粒径分布进行表征分析，使用显微镜扫描电镜(SEM)对 AccuSizer测量的微球粒径大小结果进行佐证。

表4.1 不同前药载药微球处方表征

图4.3 AccuSizer 粒径分布结果

图4.4 微球 SEM 形貌图

该实验考察了配方参数(聚合物在有机溶剂中的浓度、相体积比、有机溶剂蒸发速率)对微球粒径大小的影响。表1显示，PLGA浓度的增加导致微球尺寸和多分散性增加(例如比较F2和F4)。这些现象可归因于油相粘度的增加导致搅拌效率的降低，从而产生多分散和更大的乳化液滴，从而产生尺寸范围相当宽的微球。

为获得可储存的注射剂，通常粒径范围控制在20-100 μm，上述所有的配方都达到目标粒径范围。微球的多分散性与乳液基的制备技术相关。测量(图 4.3)表明，使用 200 Accusizer mg PLGA/mL的 DCM 溶液制备的微球具有相当窄的粒径分布，而随着聚合物浓度的增加(800mg/mL)，粒径范围变宽。

使用具有高PLGA浓度(800mg/mL)的DCM溶液制备的颗粒是无孔的，且与 AccuSizer数据(图4.3)一致，显示出相当宽的粒径分布(图4.4， F8)。

关键配方和加工参数会影响微球的粒径大小和孔隙率，从而影响药物释放速率。有机相中的聚 合物浓度、相体积比和水相与有机溶剂的预饱和 度对搅拌效率和油滴凝固速率具有重要影响，从而影响微球粒径大小、多分散性和孔隙率。使用 AccuSizer A7000 系列可快速、准确测量粒径大小和粒径分布、从而筛选配方，节省研发时间。

微球制剂的粒径均一性、数量浓度及大颗粒含量是决定其释放行为、体内分布与临床疗效的核心质量属性。传统粒径分析方法在低浓度大颗粒检测与颗粒数量测定方面存在明显局限，难以满足日益严格的质量控制要求。单颗粒光学传感技术（SPOS）通过逐颗粒检测模式，实现了粒径与数量的高精度同步分析，有效突破了传统技术的检测局限。

基于SPOS原理的AccuSizer系列颗粒计数器，检测范围覆盖0.5μm~400μm，具备高灵敏度大颗粒检测能力与颗粒数量浓度直接测量优势。结合PLGA微球的实际研究案例，验证了AccuSizer系列仪器在微球制剂研发、工艺优化、质量控制中的实际应用价值，为其研发与产业化提供坚实的技术支撑。

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