Box-Behnken 優(yōu)化痹痛寧凝膠膏劑基質(zhì)處方研究

李 智，于金英，蔣 瑤，嚴(yán)倩茹，王云紅，韓 麗，秦 劍，楊榮平*

1 成都第一骨科醫(yī)院，成都 610031;2 成都中醫(yī)藥大學(xué)，成都 611137;3重慶市中藥研究院，重慶 400065;4 重慶市食品藥品檢驗(yàn)所，重慶 401121

痹痛寧方由秦艽、青風(fēng)藤、白芍等中藥組成，具有祛風(fēng)除濕、活血止痛等功效，為臨床治療痹癥的驗(yàn)方。凝膠膏劑是以親水性聚合物或親水性物質(zhì)為基質(zhì)的新型外用貼劑，基質(zhì)由黏合劑、賦形劑、保濕劑、交聯(lián)劑、交聯(lián)調(diào)節(jié)劑等物質(zhì)組成，各組分性質(zhì)和作用不同，決定了加入量的差異，因此，各種物質(zhì)的合理配比是制作優(yōu)良基質(zhì)的關(guān)鍵［1］。Box-Behnken 設(shè)計(jì)是響應(yīng)曲面法(response surface methodology，RSM)中的一種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，近年來(lái)被廣泛用于生物、化學(xué)合成以及藥物處方篩選和劑型制備等過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與優(yōu)化［2-4］。該設(shè)計(jì)既能考察各個(gè)因素對(duì)效應(yīng)的影響以及各影響間的交互作用，也可以進(jìn)行各個(gè)因素的最優(yōu)化，比單因素考察全面客觀。因而，本研究以外觀膏體均勻性、涂展性、膜殘留性、滲出度、皮膚追隨性為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)基質(zhì)處方進(jìn)行初步篩選，又利用Box-Behnken 設(shè)計(jì)，以初黏力為評(píng)價(jià)指標(biāo)，優(yōu)選出最佳基質(zhì)處方。

1 儀器與材料

凝膠膏劑涂布機(jī)(自制);JJ-1 增力電動(dòng)攪拌器(金壇市富華儀器有限公司);BS224S(萬(wàn)分之一，北京賽多利斯科學(xué)儀器有限公司);DGG-9240 型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)。

聚丙烯酸鈉(廣東中盛生物科技有限公司);卡波姆(廊坊聚通化工有限公司);甘氨酸鋁(上海森磊化工有限公司);聚乙烯醇(成都市科龍化工試劑廠);羧甲基纖維素鈉(成都市科龍化工試劑廠);明膠(天津市大茂化學(xué)試劑廠);甘油(重慶川東化工有限公司);檸檬酸(重慶川東化工有限公司);酒石酸(重慶化學(xué)試劑廠);高嶺土(上海市奉賢奉城試劑廠)。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的測(cè)定方法與標(biāo)準(zhǔn)

2.1.1 初黏力測(cè)定

凝膠膏劑基質(zhì)應(yīng)具有一定的黏性，才能固貼于皮膚之上釋放藥物。目前對(duì)于凝膠膏劑黏性的評(píng)價(jià)有初黏力、黏結(jié)力、持黏力等，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的條件，選擇初黏力為為主要考察指標(biāo)。本研究參考美國(guó)壓敏膠帶協(xié)會(huì)PSTC-6 法——滾球斜面停止法［5］測(cè)定其初黏力。即滾球從一光滑斜面上滾下，經(jīng)過(guò)水平放置的凝膠膏表面，測(cè)定滾球在凝膠膏面的滾動(dòng)距離，判定凝膠膏的黏性大小，滾動(dòng)距離越小，黏性越大，如圖1 所示。每個(gè)樣品測(cè)定5 次，以平均值計(jì)算。經(jīng)過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)篩選，斜面以傾斜角30°為宜，滾球以10 號(hào)小球，直徑為7.144 mm，重量為1.50 g 為宜。

圖1 滾球平面停止法測(cè)定初黏力示意圖Fig.1 Schematic diagramof rolling ball method for the determination of early adhesion

2.1.2 感官指標(biāo)評(píng)分

1)膏體形狀:膏體均勻、無(wú)顆粒狀膠團(tuán)、無(wú)雜斑滿分5 分;2)殘留性:膏體揭除后，無(wú)殘留、膏面不破裂，滿分5 分;3)涂展性:涂布容易完成，滿分5分;4)滲出度:膏劑膠漿趁熱涂布，背面無(wú)滲出，滿分5 分;5)皮膚追隨性:手指觸摸黏性適中，貼于手腕部，用力甩5 下不脫落，滿分5 分。

2.2 凝膠膏劑基質(zhì)的制備

取適量聚丙烯酸鈉(PAAS)，甘油分散后均勻加入適量水，溶脹均勻;聚乙烯醇(PVA)、卡波姆、明膠、羧甲基纖維素鈉直接分散于水溶液中，水浴加熱使其溶脹均勻;高嶺土直接加入溶解好的明膠、聚乙烯醇溶液，攪拌均勻;AlCl3或甘羥鋁少量甘油分散，加入浸膏中攪拌均勻;檸檬酸或酒石酸溶于水配成水溶液。按設(shè)計(jì)順序?qū)⒏鞣N溶液依次加入，混勻，60 ℃、100 rpm 攪拌20 min，調(diào)節(jié)涂布厚度為2.5 mm，涂于無(wú)紡布上，60 ℃烘干，剪裁成7 cm×10 cm大小，即得。制備的膏體均勻性、涂布性較佳。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 基質(zhì)處方及加入順序的篩選及結(jié)果

根據(jù)各組分的性質(zhì)及在凝膠膏劑中的作用，結(jié)合文獻(xiàn)方法，對(duì)基質(zhì)處方及加入順序進(jìn)行篩選研究，各組分按“2.2”項(xiàng)下處理，實(shí)驗(yàn)安排及結(jié)果如表1，對(duì)成型基質(zhì)進(jìn)行綜合感官評(píng)分，結(jié)果如表2。

表1 痹痛寧凝膠膏劑基質(zhì)處方初步篩選實(shí)驗(yàn)安排Table 1 Preliminary screening testsofmatrix recipe of Bitongting Cataplasm

表2 結(jié)果顯示，處方2 與處方6 綜合評(píng)分較高，各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)較優(yōu)。由于兩處方的組成較為相似，處方6 比處方2 多了輔料PVA，因此以處方6 為基礎(chǔ)，優(yōu)化處方中各輔料的用量。

3.2 Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)-效應(yīng)面法優(yōu)化處方

在前期實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken 設(shè)計(jì)，選擇PAAS(X1)、高嶺土(X2)、PVA(X3)、甘氨酸鋁(X4)、檸檬酸(X5)為考察對(duì)象，以初黏力為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)基質(zhì)處方進(jìn)行優(yōu)化。采用Design-Expert8.0 軟件安排試驗(yàn)，考察因素與水平見(jiàn)表3，按“2.3”項(xiàng)下方法制備凝膠膏劑基質(zhì)，并測(cè)定其初黏力，結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 Box-Behnken 設(shè)計(jì)中的因素與水平Table 3 Factors and levels in the Box-Behnken design

表4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 4 Results of Box-Behnken experiments

3.3 數(shù)據(jù)處理

按照Box-Behnken 設(shè)計(jì)的要求，采用Design-Expert8.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)采用Linear、2FI、Quadratic、Cubic 等不同模型擬合處理，以模型擬合方程中的P值及R2為判斷標(biāo)準(zhǔn)選擇合適的模型，見(jiàn)表5。

表5 Design-Expert 軟件數(shù)據(jù)分析結(jié)果Table 5 Analysis of data by Design-Expert software

Linear 模型擬合方程中P=0.0085＜0.01，有極顯著性差異，但是R2=0.3117，模型不顯著;2FI模型擬合方程中P=0.2196＞0.05，無(wú)顯著性差異，且R2=0.4082，模型不顯著;Quadratic 模型擬合方程，P=0.0013＜0.01，有極顯著性差異，R2=0.7449，模型擬合不夠理想;Cubic 模型擬合方程P=0.0011＜0.01，有極顯著性差異，且R2=0.9616，模型擬合度高、模型理想。故對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行Cubic 模型擬合，設(shè)置一定的P 值水平，將P＞0.05 的項(xiàng)進(jìn)行剔除，分析結(jié)果見(jiàn)表6，簡(jiǎn)化后的擬合方程為:Y=10.67-1.75X1+0.049X2+0.22X3+2.09X4-0.65X5+0.24X1X2-1.28X1X4+0.85X2X4-1.56X3X4+0.8496)。

圖2 因素X1與X2(A)、X1與X4(B)、X2與X4(C)、X3與X4(D)、X3與X5(E)的等高線圖Fig.2 Contour plots of X1and X2(A)，X1and X4(B)，X2and X4(C)，X3and X4(D)，X3and X5(E)

表6 擬合模型方差分析Table 6 ANOVA of Cubic Mondle

從上表可以看出，X1、X4對(duì)凝膠膏劑的粘性有極顯著性影響，X1X4、X3X4之間有顯著的交互作用，X3X5之間也有微弱的交互作用。由于三維圖僅能表示效應(yīng)與其中2 個(gè)因素的關(guān)系，因此將另外3 個(gè)因素置為中心值，以擬合的目標(biāo)函數(shù)為模型，繪制等高圖，見(jiàn)圖2。以Y 值在7.2914 范圍內(nèi)為目標(biāo)函數(shù)，由等高線圖得PAAS(X1)、高嶺土(X2)、PVA(X3)、甘氨酸鋁(X4)及檸檬酸(X5)的最佳用量范圍分別為X1:0.50～0.73，1.10～1.50;X2:0.50～0.88，1.08～1.50;X3:0～0.44，0.95～1.0;X4:0.050～0.095;X5:0.115～0.15。

3.4 效應(yīng)面優(yōu)化預(yù)測(cè)及驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)在較優(yōu)取值區(qū)域的基礎(chǔ)上，結(jié)合節(jié)約輔料、較小成本成本及Design-Expert8.0 軟件給出的解決方案，優(yōu)選出痹痛寧凝膠膏劑最佳基質(zhì)處方:PAAS1.1 g、高嶺土1.3 g、甘氨酸鋁0.09 g、檸檬酸0.14 g。按此處方制備了3 批痹痛寧凝膠膏劑基質(zhì)，進(jìn)行初黏力測(cè)定，計(jì)算實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間的誤差，如表7 所示，結(jié)果表明實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的誤差在5%之內(nèi)，表明本實(shí)驗(yàn)建立的數(shù)學(xué)模型可用來(lái)預(yù)測(cè)痹痛寧凝膠膏劑基質(zhì)總評(píng)指標(biāo)。

表7 預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的比較Table 7 Comparison of predicted value and actual value of matrix

3.5 處方基質(zhì)載藥量的考察

凝膠膏劑基質(zhì)的載藥量亦影響制劑的性能，若載藥量過(guò)小，因單位面積含藥量小而需要較大的給藥面積，造成基質(zhì)的浪費(fèi)。本研究在優(yōu)選出的基質(zhì)基礎(chǔ)上，對(duì)痹痛寧凝膠膏劑的最大載藥量進(jìn)行了考察，結(jié)果如表8 所示。

表8 不同載藥量對(duì)凝膠膏劑性能的影響Table 8 Effects of different loading amount of drug onthe performance of Cataplasm

表8 表明，優(yōu)選出的基質(zhì)中加入6 g 浸膏所制備出的痹痛寧凝膠膏劑均一、細(xì)膩，氣泡較少，皮膚追隨性好，因此優(yōu)選出的基質(zhì)可承受6 g 以內(nèi)的浸膏。

4 討論

凝膠膏劑的基質(zhì)的性能決定著凝膠膏劑的黏著性、舒適性、物理穩(wěn)定性等特征，因此基質(zhì)處方研究是凝膠膏劑研究的基礎(chǔ)，也是凝膠膏劑研究的關(guān)鍵技術(shù)［6］。同時(shí)，基質(zhì)制備過(guò)程中各組分的加入順序，攪拌的時(shí)間及溫度和速度，對(duì)基質(zhì)性能也有一定的影響。因此，基質(zhì)配方合理，制備過(guò)程恰當(dāng)，是制備出好基質(zhì)膏體的關(guān)鍵。

基質(zhì)處方對(duì)基質(zhì)性能的影響:痹痛寧凝膠膏劑為交聯(lián)型凝膠膏劑，其基質(zhì)處方中，聚丙烯酸鈉、甘氨酸鋁的用量對(duì)初黏力有極顯著性影響。聚丙烯酸鈉是構(gòu)成痹痛寧凝膠膏劑親水性凝膠骨架形體的基本物質(zhì)，與初黏力起正相關(guān)的作用，隨著其用量的增加，凝膠膏劑黏和外觀性能漸好。甘氨酸鋁為交聯(lián)劑，提供Al3+與高分子化合物聚丙烯酸鈉交聯(lián)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生凝膠，形成交聯(lián)型基質(zhì)，交聯(lián)劑用量不足，基質(zhì)交聯(lián)不完全，膏體內(nèi)聚力差，用量過(guò)多，基質(zhì)交聯(lián)過(guò)度，膏面黏性降低，甚至沒(méi)有黏性。

基質(zhì)制備過(guò)程對(duì)基質(zhì)性能的影響:基質(zhì)的制備過(guò)程中，攪拌時(shí)間和速度要適當(dāng)，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或攪拌速度過(guò)快，易入大量氣泡，且持續(xù)的剪切力會(huì)破壞膏體形成的氫鍵而使黏性下降;反之則膏體不易混勻。溫度一般不宜高于80 ℃，溫度高，膏體形變較快，雖易混合均勻，但會(huì)使膏體的黏性下降。膏體制備完成6 h 后，膏體開(kāi)始交聯(lián)、彈性增強(qiáng)，因此涂布應(yīng)在膏體制備完成后0～6 h 內(nèi)完成。制備成型的痹痛寧凝膠膏劑于60 ℃下烘干，膏體性能良好。

本實(shí)驗(yàn)采用Box-Behnken 設(shè)計(jì)-效應(yīng)面優(yōu)化法對(duì)凝膠膏劑基質(zhì)成型影響較大的因素進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)選基質(zhì)處方，并確定了最佳制備工藝，為痹痛字方的開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供參考，為其下一步臨床的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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