一种药物缓释海藻酸类栓塞微球及其制备方法
技术领域
本发明涉及生物医药材料的技术领域，尤其涉及一种药物缓释海藻酸类栓塞微球及其一步静电喷雾制备方法。
背景技术
据世界卫生组织发布的2018年全球最新癌症报告显示，中国新增肝癌患者已超过40万/年，占世界新增患者的一半以上，并且肝癌患者的5年生存率不到5％，肝癌已成为中国男性第二高死亡率的癌症。中国、美国和日本的肝癌诊疗指南均将经导管动脉化疗栓塞术(TACE)作为肝癌的推荐治疗手段。TACE可选择性地将栓塞剂和化疗药物递送至靶向部位，同时起到切断肿瘤供血从而引起肿瘤组织缺血坏死，以及在肿瘤部位持续释放化疗药物从而杀死肿瘤细胞的双重功效，达到治疗肿瘤的目的。传统的TACE是采用碘油加化疗药物(阿霉素、顺铂等)混合给药。碘油乳剂存在对动脉阻断不够彻底、对正常肝组织损伤大、在短时间内容易被肿瘤组织吸收等缺点，其次这种传统乳剂会导致化疗药物迅速释放到血液中，毒副反应大并且降低了局部效能。在肝癌的治疗中，药物的持续释放以及肿瘤局部药物浓度的维持对治疗结果的好坏起着重要决定作用。药物洗脱微球(drug-eluting bead，DEB)同时具有栓塞和载药的特性，是一种优良的化疗栓塞材料，但是目前的洗脱微球都是在微球固化成型后再去负载药物。微球固化后，由于基质比较致密，药物负载速率慢，载药量低，并且负载后的药物在微球中分布不均匀。例如目前市场上最主要的几种药物洗脱微球CalliSpheres、HepaSphere和DC Bead，每毫升微球能负载的最大阿霉素的质量分别为80、50和75mg。远低于本发明所述药物缓释海藻酸类栓塞微球的药物负载量。另外，目前没有一步法制备具备药物缓释海藻酸类栓塞微球的报道，并且针对静电喷雾工艺制备藻酸类微球的工艺研究、工艺放大化以及载药海藻酸类栓塞微球释放性能等方面缺少相关的研究。
发明内容
基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种药物缓释海藻酸类栓塞微球及其一步静电喷雾制备方法，化疗药物在本发明所述的微球中分布均匀，药物负载量可高达250毫克药物每毫升微球，可以将化疗药物集中在靶向部位，实现化疗药物的原位可控缓释，并降低身体毒副作用，能更有效的抑制肿瘤生长。该微球尺寸均一、可控，分散性好，可按需调节负载化疗药物的载药量，用于栓塞治疗和化疗的综合治疗。
本发明的另一目的在于提供一种药物缓释海藻酸类栓塞微球的一步多喷头静电喷雾制备工艺。该方法可以一步完成负载化疗药物的栓塞微球的制备，省去后续缓慢载药过程，使药物在微球中分布得更加均匀；多喷头静电喷雾技术，制备工艺简单，快速、方便、能源清洁、成本低廉，可以实现规模化生产。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种药物缓释海藻酸类栓塞微球的一步静电喷雾制备方法，包含如下步骤：
步骤一、
电喷溶液的配置：将海藻酸钠和带正电荷的化疗药物分别溶于超纯水中，配置成海藻酸钠溶液和化疗药物溶液，再将它们混合，使混合后的海藻酸钠浓度为0.5％-5％(g/mL)，带正电荷的化疗药物的浓度为1-20mg/mL，将混合溶液避光搅拌，使带正电的化疗药物与海藻酸钠发生离子交换反应从而吸附到海藻酸钠上，得到的均匀混合溶液作为电喷溶液；
接收溶液的配置：二价或三价金属盐溶解于超纯水中，制备成浓度为0.1-0.8mol/L的二价或三价金属盐溶液作为接收溶液；
步骤二、药物缓释海藻酸类栓塞微球的制备，将步骤一电喷溶液静置5-20min，采用多喷头静电喷雾方法喷入接收溶液中，喷雾过程缓慢搅拌接收溶液，得到富含海藻酸类微球的混合液；
步骤三、药物缓释海藻酸类栓塞微球的收集，将步骤二中制得的微球混合液，静置0.1-3小时后以2000-4000rpm离心收集微球，用超纯水洗涤3-10次，去除表面未吸附的化疗药物即得本发明所述的药物缓释海藻酸类栓塞微球。
作为上述技术方案的优选，本发明提供的药物缓释海藻酸类栓塞微球的一步静电喷雾制备方法进一步包括下列技术特征的部分或全部：
作为上述技术方案的改进，所述步骤一中带正电荷化疗药物为盐酸阿霉素、表阿霉素、伊利替康、表柔比星、吡柔比星、吉西他滨、博来霉素、长春瑞滨、奥沙利铂中的一种或几种。
作为上述技术方案的改进，所述步骤一中电喷溶液配置时，需将海藻酸钠溶液和带正电荷的化疗药物溶液避光搅拌5min-72hr，使带正电的化疗药物与海藻酸钠充分发生离子交换反应，得到吸附化疗药物的海藻酸钠、游离海藻酸钠、以及游离化疗药物的均匀混合溶液，再作为电喷溶液。
作为上述技术方案的改进，所述步骤一中金属盐由二价或三价金属离子和阴离子组成；其中二价或三价金属离子为Ca2+、Sr2+、Ba2+、Zn2+、Cd2+、Gd2+、Fe2+、Cu2+、Pb2+、Fe3+、Al3+等中的一种或几种；阴离子为Cl-、Br-、I-、NO3-、HCO3-、ClO-、ClO3-、ClO4-中的一种或几种。
作为上述技术方案的改进，所述步骤二中，静电喷雾方法具体为，将步骤一电喷溶液置入多喷头静电喷雾装置中，静置5-20min，采用静电喷雾技术，在高压电场下，通过多喷头静电喷雾装置，喷入接收溶液中；静电喷雾过程中电喷溶液的推注速度为0.1-20mL/hr；喷头型号为15G-30G，喷头数量1-200头；静电喷雾的电压为3-30kV，所述喷头与接收溶液液面的距离为2-25cm。
作为上述技术方案的改进，当喷头数量为1头时，所述喷雾装置的喷头下方设置有环形电圈，位于喷头下方2cm，环形电圈连接高压电源，电压为0-10kV。
作为上述技术方案的改进，当喷头数量超过1头时，喷头沿阵列布设，喷头间隔1-10cm。具体为，喷头可以一字排开，或者以2×2，3×3等方式扩增。
作为上述技术方案的改进，所述步骤二中，电喷溶液和接收溶液的体积比为1:(10-200)。
一种药物缓释栓塞微球，其特征在于：栓塞材料为浓度为0.5％-5％(g/mL)的海藻酸钠和1-20mg/mL的化疗药物混合溶液的电喷溶液，经过多喷头静电喷雾装置喷入浓度为0.1-0.8mol/L的二价或三价金属盐溶液的接收溶液中，静置0.1-3hr后收集的微球，并用超纯水洗涤所得。
一种药物缓释海藻酸类栓塞微球，其特征在于：所述药物缓释海藻酸类栓塞微球是由上述任一方法制备而成的。
一种药物缓释海藻酸类栓塞微球，其特征在于：所述药物缓释海藻酸类栓塞微球的粒径为100-1000μm。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下有益效果：本发明采用一步多喷头静电喷雾技术制备药物缓释海藻酸类栓塞微球，一步完成负载化疗药物的栓塞微球的制备，省去后续缓慢载药过程。将均为溶液状态的化疗药物与载体材料进行复配，提高了它们之间的接触面积，增加了海藻酸钠对化疗药物的吸附量，因此将吸附化疗药物的海藻酸钠固化成为药物缓释微球后，大幅提高了微球的药物负载量。通过对静电喷雾参数：例如电压、流速、喷头尺寸、浓度、喷头个数的简单调控，得到粒径为100-1000μm的单分散微球，以适合不同口径的血管栓塞用途，由于静电喷雾技术具有简单快捷低成本的特性，使得该制备方法具有规模生产的潜力。本发明提供一种药物缓释海藻酸类栓塞微球，化疗药物在该微球中分布均匀，药物负载量远高于一般栓塞微球，可以实现化疗药物的原位可控缓释，降低身体毒副作用，更有效地抑制肿瘤生长，有效用于栓塞治疗和化疗的综合治疗，具有临床应用的潜力。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1、制备药物缓释海藻酸类栓塞微球的一步多喷头静电喷雾装置的照片；
图2、负载阿霉素的海藻酸钙微球的(A)光学显微镜照片和(B)荧光显微镜照片；
图3、不同电压下制备的药物缓释海藻酸钙微球的光学显微镜照片；A-D分别代表电压为3、5、10和26kV时制备的药物缓释海藻酸钙微球的光学显微镜照片；
图4、不同喷头尺寸下制备的药物缓释海藻酸钙微球的光学显微镜照片；A-E分别为喷头型号为30G、28G、25G、22G和18G时制备的负载阿霉素的海藻酸钙微球的光学显微镜照片，F为喷头尺寸与微球粒径分布关系图；
图5、负载阿霉素的海藻酸钙微球的药物累计释放曲线；
图6、栓塞前(A)及栓塞7天后(B)荷瘤兔肝脏的DSA图；
图7、用生理盐水、不载药的微球以及负载阿霉素的海藻酸钙微球栓塞VX2兔肝脏肿瘤7天时，各组肿瘤的体积增长率；
图8、栓塞6、12、24、72小时，荷瘤兔的肿瘤、心脏、脾脏、肺和肾脏的荧光照片。
具体实施方式
下面详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。
本发明通过一步多喷头静电喷雾技术来制备药物缓释海藻酸类栓塞微球。具体包括以下步骤：
步骤一：
电喷溶液的配置：将海藻酸钠和带正电荷的化疗药物分别溶于超纯水中，配置成海藻酸钠溶液和化疗药物溶液，再将它们按一定比例混合，使混合后的海藻酸钠浓度为0.5％-5％(g/mL)，带正电荷的化疗药物的浓度为1-20mg/mL，将混合溶液避光搅拌5min-72hr，使带正电的化疗药物与海藻酸钠发生离子交换反应从而吸附到海藻酸钠上，得到的均匀混合溶液作为电喷溶液；其中，带正电荷化疗药物为盐酸阿霉素、表阿霉素、伊利替康、表柔比星、吡柔比星、吉西他滨、博来霉素、长春瑞滨、奥沙利铂中的一种或几种；
接收溶液的配置：金属盐溶解于超纯水中，制备成浓度为0.1-0.8mol/L的金属盐溶液作为接收溶液；其中，金属盐由二价或三价金属离子和阴离子组成；二价或三价金属离子为Ca2+、Sr2+、Ba2+、Zn2+、Cd2+、Gd2+、Fe2+、Cu2+、Pb2+、Fe3+、Al3+等中的一种或几种；阴离子为Cl-、Br-、I-、NO3-、HCO3-、ClO-、ClO3-、ClO4-中的一种或几种；
步骤二：
药物缓释海藻酸类栓塞微球的制备，将步骤一电喷溶液静置5-20min，采用多喷头静电喷雾技术，在高压电场下，通过多喷头静电喷雾装置，喷入接收溶液中，喷雾过程缓慢搅拌接收溶液，得到富含海藻酸类微球的混合液。静电喷雾过程中电喷溶液的推注速度为0.1-20mL/hr；喷头型号为15G-30G，喷头数量1-200头；静电喷雾的电压为3-30kV，所述喷头与接收溶液液面的距离为2-25cm。单喷头加工时关键工艺参数为，所述喷雾装置的喷头下方设置有环形电圈，位于喷头下方2cm，环形电圈连接高压电源，电压为0-10kV。多喷头加工过程的关键工艺参数为，喷头沿阵列布设，喷头间隔1-10cm。具体为，喷头可以一字排开，或者以2×2，3×3等方式扩增。
步骤三：
药物缓释海藻酸类栓塞微球的收集，将步骤二中制得的微球混合液，静置0.1-3小时后以2000-4000rpm离心收集微球，并用超纯水洗涤3-10次，去除表面未吸附的化疗药物即得本发明所述的药物缓释海藻酸类栓塞微球。优选的，步骤三为：药物缓释微球的收集。将步骤二中制得的微球的混合液，静置0.5hr，离心3000rpm收集微球，并用超纯水洗涤5次即得本发明所述的药物缓释海藻酸类栓塞微球。微球-4℃保存。
实施例1：通过一步多喷头静电喷雾技术制备药物缓释海藻酸钙微球
本实施例仅用四头静电喷雾设备来列举部分例子，表明可以通过一步多喷头静电喷雾技术制备药物缓释海藻酸钙微球。
将海藻酸钠溶液和盐酸阿霉素溶液避光搅拌3小时，得到的混合溶液中海藻酸钠浓度为2.5％(g/mL)，盐酸阿霉素浓度为2mg/mL。将混合溶液作为电喷溶液，放入如图1所示的四头静电喷雾设备的进样装置中，通过静电喷雾技术喷入0.4mol/L的氯化钙(CaCl2)溶液中，并缓慢搅拌接收溶液。氯化钙接收溶液置于喷头正下方9cm处并接地；四个喷头型号为30G，平行放置一字排开，间隔2cm；喷头连接一个直流高压电源，电压为26kV；进样速度为2mL/hr。反应完成后，静置0.5hr使药物缓释海藻酸钙微球充分凝胶化。离心3000rpm收集微球，并用去离子水洗涤3次，-4℃保存。
图2A和B分别为制得的负载阿霉素的海藻酸钙缓释微球的光学显微镜照片和荧光显微镜照片。从图2A可以看出，制备的载药微球形貌圆润，尺寸均一，平均粒径为180μm。由于阿霉素可以显示红色荧光，所以载药微球的荧光显微镜照片为红色。通过比较光学显微镜照片和荧光显微镜照片可以得出，阿霉素均匀分布于整个海藻酸钙微球中。该实验结果说明先将海藻酸钠和化疗药物进行复配，再将它们的混合溶液作为电喷溶液通过一步多喷头静电喷雾技术制备成载药微球，可以提高化疗药物在微球中分布的均匀性。
实施例2：通过一步多喷头静电喷雾技术制备药物缓释海藻酸钡微球
本实施例仅用来列举部分例子，表明负载的药物可以是不同的带正电荷的化疗药物，以及接收溶液可以为不同的二价或三价金属盐溶液。
将实施例1中电喷溶液中的药物改为2mg/mL的伊利替康溶液，接收溶液改为0.4mol/L的硝酸钡Ba(NO3)2溶液，制备方法的其他同实施例1相同。通过一步多喷头静电喷雾技术制备负载伊利替康的海藻酸钡微球，得到微球的形貌与尺寸与实施例1中得到的负载阿霉素的海藻酸钙微球相同。说明电喷溶液中化疗药物的改变以及接收溶液中二价或三价金属盐的改变，对于得到的药物缓释海藻酸盐微球的形貌与尺寸无明显影响。
实施例3：药物缓释海藻酸钙微球的粒径控制
本实施例仅用来列举部分例子，表明通过对静电喷雾参数的简单调控，即可得到不同粒径的单分散微球，可适用于不同口径的血管栓塞用途。
静电喷雾的电压从3、5、10增大到26kV时，制备方法的其他同实施例1相同，负载阿霉素的海藻酸钙微球的粒径从为1520、430、260减小到180μm。所得药物缓释微球的形貌如图3所示，图3A-D分别代表电压为3、5、10和26kV时制备的药物缓释微球的光学显微镜照片。说明当电压为变量时，电压越高，静电喷雾所得到的药物缓释海藻酸钙微球的粒径越小。
静电喷雾的电压为10kV，喷头的型号分别为30G、28G、25G、22G和18G时，制备方法的其他同实施例1相同，负载阿霉素的海藻酸钙微球的粒径依次是260、290、410、570和980μm。图4A-E分别为喷头型号为30G、28G、25G、22G和18G时制备的负载阿霉素的海藻酸钙微球的光学显微镜照片，图4F为喷头尺寸与微球粒径分布关系图，说明当喷头尺寸为变量时，喷头尺寸越大，静电喷雾所得到的药物缓释海藻酸钙微球的粒径越大。
实施例4：药物缓释海藻酸钙微球的载药和释放行为研究
本实施例仅用来列举部分例子，表明通过一步多喷头静电喷雾技术制备药物缓释海藻酸类栓塞微球具有高的载药量和药物缓释功能。
将实施例1电喷溶液中盐酸阿霉素浓度调为10mg/mL，海藻酸钠溶液和盐酸阿霉素溶液避光搅拌72小时，制备方法的其他同实施例1相同，通过一步多喷头静电喷雾技术制备负载阿霉素的海藻酸钙微球。量取1mL微球，用柠檬酸钠溶液溶解微球，然后用荧光分析仪测量溶液中阿霉素的浓度，溶液中阿霉素的总量即为1毫升微球的载药量。经计算，每毫升微球可负载250毫克阿霉素，而目前市售的栓塞微球的载药量一般在80毫克每毫升微球左右。所以，通过本发明的一种药物缓释海藻酸类栓塞微球的一步静电喷雾制备方法可以大幅提高栓塞微球的载药量。
电喷溶液中化疗药物的浓度，以及海藻酸钠与化疗药物的复配时间决定了最终药物缓释微球的载药量，随着化疗药物浓度的提高以及复配时间的延长，载药量相应提高。
将上面制备的负载阿霉素的海藻酸钙微球置于磷酸缓冲盐溶液中洗脱，采取恒温摇床法使其释药。即用温度设定为37℃的恒温水浴摇床振荡分散药物缓释微球的PBS溶液，在特定的时间间隔每次取出5mL溶液，并补充等体积的新鲜PBS。通过荧光分析仪测量取样样品的阿霉素浓度，并计算微球的累积释放量。图5是缓释微球的阿霉素累计释放曲线，由图分析得，负载阿霉素的海藻酸钙微球具有长期缓释效果，可以提高肿瘤部位药物含量。
实施例5：药物缓释微球的应用
本实施例仅用实施例1制备的药物缓释栓塞微球栓塞具有肝癌模型的大耳兔肝脏肿瘤，仅用来说明药物缓释微球的部分应用，以及用于说明药物缓释微球可以提高肿瘤部位的局部药物浓度，同时降低身体其他脏器中的药物浓度。
首先建立大耳兔VX2肝癌模型，栓塞前12小时禁食、水。静脉注射戊巴比妥钠麻醉兔子，右侧腹股沟备皮并消毒，切开腹股沟皮肤，然后在兔子的右股动脉处切开小口，在数字减影血管造影仪(DSA)下，用碘海醇溶液进行动脉血管造影，超选至荷瘤兔肝脏的肿瘤血管后，经微导管注入负载阿霉素的海藻酸钙微球。当肿瘤血管被栓塞完全后，撤出微导管结扎穿刺点远端股动脉，缝合后继续饲养。
图6为栓塞前及栓塞7天后荷瘤兔肝脏的DSA图。图6A显示栓塞前注射造影剂时，肝脏肿瘤血管清晰可见(红色圆圈所圈区域为肿瘤部位)，表明可以进行栓塞；图6B为栓塞7天复查时的DSA图，注射造影剂后，由于造影剂无法进入肿瘤部位，红色圆圈处肿瘤血管消失，表明肿瘤部位被药物缓释微球完全栓塞，无复通现象，说明负载阿霉素的海藻酸钙微球栓塞效果良好。
为了进一步展示药物缓释微球的栓塞效果，用生理盐水、不载药的微球以及负载阿霉素的海藻酸钙微球栓塞VX2兔肝脏肿瘤。不载药的微球制备方法与实施例1相同，只是没有在电喷溶液中加入化疗药物。图7是术后第七天各组肿瘤体积增长率。如图所示，药物缓释微球栓塞的肿瘤，其肿瘤生长率明显低于生理盐水组和不载药的微球组，且具有显著性差异，说明负载阿霉素的海藻酸钙微球具有良好的栓塞能力，且负载化疗药物阿霉素能够增强栓塞的疗效。
术后6、12、24和72hr分别处死3只荷瘤兔，取出肝脏上的肿瘤、心脏、脾、肺和肾脏，用小动物成像仪观测阿霉素在各脏器中的荧光分布。图8为各时间点，肿瘤、心脏、脾脏、肺和肾脏的荧光照片。由于阿霉素能够荧光成像，故荧光照片中越亮的部位代表阿霉素的浓度越高。可以看到，肿瘤的荧光强度远远高于其他脏器，说明阿霉素局限在肿瘤部位。随着栓塞时间的延长，肿瘤部位的荧光强度逐渐增强，说明阿霉素的浓度逐渐增加。这是因为负载阿霉素的海藻酸钙微球为缓释微球，如实施例4所示，该微球在体外可以实现45天的缓释，所以在介入化疗栓塞后的72小时内，阿霉素不断从药物缓释微球中释放出来，进入肿瘤组织中进行局部化疗；而小动物成像仪只能检测到物体表面的荧光，故随着时间的推移，肿瘤部位的荧光强度逐渐增强。另外，值得指出的是，随着栓塞时间的延长，心脏的荧光强度一直维持在一个较低的水平并逐步下降，由于阿霉素具有严重的心肌毒性，这对于阿霉素的化疗来说是一个非常显著的优势，这个结果说明药物缓释微球可以实现局部化疗并降低心脏毒性。其它脏器，如肺一直维持在一个很低的荧光强度，说明阿霉素对肺部无影响；脾脏和肾脏的荧光强度在12-24小时之间达到高峰，后逐渐下降；这是因为部分阿霉素需通过尿液排出。这些结果都表明药物缓释微球能够在肿瘤组织内长时间高浓度释放阿霉素，而其他脏器中阿霉素浓度很快下降，从而证明药物缓释海藻酸类栓塞微球可以实现化疗药物的局部缓释，并降低身体其他脏器的毒副作用。
本发明具有如下优点：
1、通过一步法制备出药物缓释海藻酸类栓塞微球。一步完成负载化疗药物的栓塞微球的制备，省去后续缓慢载药过程；
2、大幅提高缓释微球的载药量。一般市售药物洗脱栓塞微球的载药量是80mg/mL，本发明制备的药物缓释海藻酸类栓塞微球的载药量可以达到250mg/mL；
3、本发明制备的药物缓释海藻酸类栓塞微球，药物在微球中分布均匀(见微球的荧光照片)；
4、本发明制备的药物缓释海藻酸类栓塞微球在体外可以实现50天的药物缓释；
5、用本发明制备的药物缓释海藻酸类栓塞微球栓塞荷瘤兔肝脏肿瘤后，各脏器药物分布荧光照片显示，药物主要集中在肿瘤部位，其它脏器浓度低，毒副反应小；
6、药物缓释微球比不载药微球具有更好的肿瘤抑制能力；
7、多喷头技术为扩大化生产提供了可能。
本发明所列举的各原料，以及本发明各原料的区间取值，以及工艺参数的区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。
