PSS粒度儀用于乳劑穩定性評估

Nicomp® 和 AccuSizer®

乳液穩定性

大多數乳液并不是天然穩定的，需要仔細配制才能形成具有更長保質期的分散體。各種理論和儀器技術可幫助配方設計師選擇最佳化學物質組合以達到所需的結果。本應用說明不是乳液配方指南，而是介紹可用于指導如何創建穩定乳液的分析技術。

乳劑是兩種或多種不互溶液體的混合物。大部分是分散相（體積較小）和連續相（體積較大）的兩相混合體系。乳劑的類型包括水包油 (o/w)、油包水 (w/o) 和復合乳，例如水包油包水 (w/o/w) 乳劑。 在 O/W 乳劑中，分散相是油，連續相是水。

制備乳劑通常需要能量源用于分散，例如振動、攪拌、超聲波、均質或微流化1。大多數乳劑會隨著時間的推移而不穩定，有時在能量停止后立即不穩定。添加乳化劑等化學品可延長穩定期并延遲相分離。

乳化劑通常是含有親水性頭和疏水性R-C鏈的表面活性劑。 疏水尾部朝向有機相，親水頭部朝向水。通過將自身定位在界面上，乳化劑會降低表面張力并增加液滴表面的電荷（zeta 電位），從而對乳液產生穩定影響，請參見圖 1。乳化劑的類型包括食品，例如 卵磷脂、磷酸鈉和表面活性劑（離子型和非離子型）。 還可以添加粘度調節劑，例如 PEG，以提高乳液穩定性。

圖 1. 含有表面活性劑的乳液

乳液配方和穩定性研究

多種分析技術可研究乳劑的制備和穩定性。使用不同濃度的兩種表面活性劑來制備水包油乳劑。使用 Nicomp® 動態光散射 (DLS) 儀檢測乳劑液滴的平均粒徑。

Nicomp 還可用于測量液滴的 zeta 電位。 Zeta 電位可用作分散體系穩定性的預測指標。 Nicomp DLS 測量的結果報告可出具平均粒徑和多分散指數 PI值2。

AccuSizer® 單顆粒光學傳感 (SPOS)技術用于測量尾端大顆粒，這是乳劑穩定性的指標。 在 AccuSizer 上測量的尾端大顆粒與乳劑穩定性之間的關系已得到充分證明3,4，并已編入藥典 USP<729>粒徑分布的注射脂肪乳中5,6。 在 USP<729>中，大于 5 μm (PFAT5) 的體積百分比作為乳劑穩定性的指標，應小于 0.05%。 USP<729>中還使用 DLS 來確定乳滴的平均粒徑，要求光強徑小于 500 nm。

雖然 DLS 平均粒徑、zeta 電位和尾端大顆粒都是乳液穩定性的指標，但LUM公司的LUMiFuge®穩定性分析儀可用于快速分析分散體穩定性。 LUMiFuge®可以檢測顆粒沉降和上浮的速率，以量化不穩定現象； 在這種情況下，乳劑的相分離（乳化）是時間的函數。樣品被放置在樣品管中，光源掃描整個裝樣區域，收集不同時間、空間的透光率，得到時間、空間指紋圖譜。光源有NIR和藍光可選，NIR幾乎適用所有樣品
，藍光適用納米, 透光率高的樣品。通過離心加速的方式，最高可實現2300倍的重力加速。

圖 2. LUMiFuge®檢測原理STEP技術

在制備之初，使用這些技術來分析乳劑樣品，并間幾秒或者幾分鐘采集一次數據，可獲得關于時間的函數。通過離心轉速的設置，可實現最高至2300倍的加速，大大縮短對乳劑穩定性研究所需的時間，本研究的目標是簡單地展示如何使用儀器和分析數據。本研究無意成為乳劑制備和長期穩定性分析的參考指南。

制備了幾種水包油乳劑來研究穩定性。所有乳劑都是通過將 1 mL 礦物油混合到 19 mL 含有表面活性劑的去離子水中而制成的。兩種表面活性劑以兩種濃度使用：

A：陰離子表面活性劑和乳化劑

•        A High：10 g溶解在 100 ml去離子水中

•        A Low：2.5 g溶解在 100 ml去離子水中

B：非離子表面活性劑和乳化劑

•        B High：5 mL 溶于 100 mL 去離子水中

•        B Low：1 mL 溶于 100 mL 去離子水中

在所有的制備中，將表面活性劑加入水中，攪拌 10 分鐘并升溫至 50°C。 將礦物油升溫至 40°C，然后加入到水/表面活性劑溶液中。 接下來使用超聲波探頭將油/水混合物超聲處理兩分鐘。

儀器

粒度通過兩種技術測量：

•        使用動態光散射（DLS）的Nicomp Z3000 測量壓微米粒徑和zeta電位

•        使用單顆粒傳感（SPOS）技術的AccuSizer A7000APS 對 0.5 – 400 μm 尾端大顆粒進行檢測

使用兩種技術來測量乳劑的粒徑大小和穩定性，這是一種有據可查的方法，并已納入藥物檢測 USP <729>脂肪乳檢測中。

使用LUMiFuge®測量乳劑穩定性。

儀器設置

DLS 粒徑：平均粒徑和 PI 值使用Nicomp 測量的，設置如下：

•        通道寬度：自動； 通常值為 38 μs

•        溫度：23°C

       液體粘度：0.933 c

•        強度設定點：自動

•        激光波長：658 nm

•        測量角度：90°

•        樣品池類型：一次性方形比色皿

•        基線調整：自動

•        算法：高斯算法

Zeta 電位：zeta 電位測量使用如下所示的設置條件進行測試：

•        溫度：23°C

•        液體粘度：0.933 cP

•        散射角：-14.14°

•        介電常數：78.5

•        樣品池類型：方形比色皿

•        電極間距：0.4 厘米

•        電場強度：4 V/cm

•        分析類型：PALS相位分析（非恒流）

SPOS 粒徑：AccuSizer APS 測量使用如下所示的設置條件進行測試：

•        數據收集時間：60 秒

•        通道數：128

•        稀釋劑流速：60 毫升/秒

•        目標濃度：4500 顆/毫升

•        背景閾值：100 顆/秒

•        傳感器：LE400

•        校準：Summation模式

•        進樣環：0.5 mL

•        注射器體積：1 毫升

•        樣品流動時間：5 秒

•        初始 DF2：1200

穩定性分析：使用如下所示的設置條件進行測試

•        測量時間：3000秒

•        掃描速率：每 30 秒

•        溫度：25 攝氏度

•        數據報告：穩定性指數譜圖。

結果

如圖3展示了四個樣品不穩定性指數譜圖。

圖 3. 所有樣品的LUMiFuge®透光率譜圖

參考原圖在上面的圖譜中標準樣品名稱

結果表明：

•        Low A 和 High A 都是極不穩定的乳劑，其中High A 比 Low A 穩定。

•        Low B 和High B 是非常穩定的乳劑，其中High B 比Low B 略穩定。

解釋上面收集的數據的另一種簡單方法是查看圖4 中所示的 AccuSizer A7000APS 儀的體積分布。

圖 4. 相對體積百分比分布

由圖可知，尾端大顆粒的百分比遞減順序為：Low A> High A> Low B> High B。 與圖 3 中看到的LUMiFuge®結果一致。

乳劑大顆粒的體積百分比越高表明乳劑穩定性越差。 在 USP<729>中，選擇大于 5 μm 的百分比作為規定的臨界值。圖 4 中顯示的 AccuSizer 結果是在制備每種乳劑后 10 分鐘內測量的，在大于5 μm 的范圍內還沒有出現乳滴。因此，一個值（例如大于 1 μm 的體積百分比）可能是一個更好的計算方法，可以在一開始制備時專注以區分這些樣品。 圖 4 中顯示的為四小時后再次分析樣品High A的結果。圖 5 顯示乳劑的粒徑顯著增加，發現了較多的大于 5 μm 的顆粒。

圖 5. 制備后 10 分鐘（藍色）和 4 小時（紅色）的 High A

需要注意的是，本文中顯示的 AccuSizer 結果并不代表整個粒徑分布，僅代表為尾端大顆粒。用于本研究的LE400傳感器具有 0.5-400 μm 的動態范圍，但絕大多數乳劑顆粒低于這個檢測范圍，這也是為什么使用 DLS 來確定乳劑的平均粒徑。所分析樣品的 DLS 平均粒徑、PI值 和 zeta 電位如表 1 所示。

表 1.DLS 大小和 zeta 電位結果

表面活性劑 B 的平均粒徑越小表明乳劑越穩定，如圖 3 所示的LUMiFuge®數據和圖 4 中的 AccuSizer 數據所示。對于 A 和 B，較高的表面活性劑濃度導致較小的粒徑和 PI 值，以及較高的 zeta 電位值。但是 A 的兩個 zeta 電位值都大于 B ，事實表明僅僅參考 zeta 電位并不能確定最佳的制備條件。 更重要的考慮是對于一定的乳劑類型，哪種表面活性劑是更好的乳化劑。親水親油平衡 (HLB) 是表面活性劑親水部分和疏水部分之間關系的經驗表達式7。將 HLB 計算應用于乳劑制備通常可以更深入地了解表面活性劑的選擇和預估乳劑的穩定性。一般來說，o/w 乳劑需要較高 HLB 的表面活性劑，w/o 乳劑需要較低 HLB 的表面活性劑。

結論

本研究中使用的每種儀器都提供了有用的信息，用以指導研究乳劑的制備和穩定性分析。 LUMiFuge®可直接、快速測量乳劑的穩定性，并提供易于解釋的數據，量化乳劑的相對穩定性。 乳劑Low A 和High A 有意制備得非常不穩定，從而也開出LUMiFuge®可非常快速地量化穩定性差異。

Nicomp 提供快速、簡單的乳劑平均粒徑和zeta電位數據，為所研究的乳劑提供極_好的初始信息。常規而言，Zeta電位值越大，說明乳劑越穩定。但大多數乳劑只需要 zeta 電位值大于 10 mV 即可實現一定程度的穩定性。當涉及一種以上的表面活性劑時，僅查看zeta電位并不能回答一系列制備穩定性樣品的所有問題。

AccuSizer系列顆粒計數器測試快速、可以得到明確數據用來預測和追蹤乳劑穩定性。 也是制藥行業中用于確定脂質乳劑穩定性的標準技術，在乳劑研究中應得到更廣泛的應用。

參考

1       Entegris Application Note - Size Reduction by a Microfluidizer

2       Entegris Technical Note - DLS Data Interpretation

3       Driscoll, D. et. al., Physicochemical assessments of parenteral lipid emulsions: light obscuration versus laser diffraction, International Journal of Pharmaceutics 219 (2001) 21–37

4       Driscoll, D. et. al., Fat-globule size in a propofol emulsion containing sodium metabisulfite, Am J Health-Syst Pharm – Vol 61 Jun 15, 2004

5       USP<729>, Globule Size Distribution in Lipid Injectable Emulsions

6       Entegris Application Note - USP<729>

7       Vaughan, C.D. Rice, Dennis A.; Predicting O/W Emulsion Stability by the Required HLB Equation; Journal of Dispersion Science and Technology; 1990. Vol. 11 (1), pp 83 – 91