基于星點設計效應面-人工神經(jīng)網(wǎng)絡法的復方活血化瘀噴膜劑的制備*

老蕊娟 ，趙 芳 ，金 鑫 ，陸 佳 ，劉 睿

（1.天津中醫(yī)藥大學中藥學院，天津 300193；2.武警后勤學院軍事藥學教研室，天津 300309）

傳統(tǒng)藥酒具有行血活絡的功效，且易于吸收和發(fā)散，因此酒劑常用于治療風濕痹痛，但攜帶、貯存不便，使用時易沾染衣物，且作用時間短，不易于質量控制，亟需改進[1]。傳統(tǒng)酒劑以乙醇為溶劑，易于揮發(fā)，不良氣味明顯，對皮膚黏膜刺激性較強[2]。噴膜劑是一種新劑型，結合了氣霧劑與膜劑的劑型特點[3]，噴于局部皮膚，即可形成一層薄膜，既能保護創(chuàng)面，又能釋放藥物而起到局部或全身治療作用。另外，該劑型也可避免口服給藥所引起的胃腸道刺激和肝臟首過效應。同時采用透皮給藥技術，大幅度延長了藥物作用時間，增強了給藥均勻度，使藥效更加持久。本實驗以當歸紅花酒作為模型藥物，以成膜性、成膜時間為主要指標確定復方活血化瘀噴膜劑（CHH-SF）最優(yōu)處方量，以期為臨床提供新型高效、安全可靠的皮膚用藥。

1 儀器與材料

1.1 儀器 BT125D型分析天平（德國Sartorius公司）；SPD－M20A高效液相色譜儀（日本島津公司）；KH3200B型超聲波清洗器（昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司）。

1.2 材料 紅花、當歸（市售）；聚乙烯吡咯烷酮（PVPK30）（成都市科龍化工試劑廠）；聚乙烯醇（PVA－124）（西隴科學股份有限公司）；羥丙甲纖維素（HPMC）（北京鳳禮精求商貿有限責任公司）；乙醇（色譜純，天津化學試劑批發(fā)公司）。

2 方法與結果

2.1 復方活血化瘀噴膜劑的制備

2.1.1 復方活血化瘀處方的提取液的制備 稱取當歸15 g，紅花15 g，粉碎，粗粉過40目藥檢篩，稱量，以1∶16質量比加入乙醇（60%）浸泡1周，抽濾，分裝。

2.1.2 復方活血化瘀噴膜劑的制備 稱取處方量PVPK30、PVA-124、HPMC，將其加入到加 10 mL 上述復方活血化瘀處方提取液中充分溶脹，攪拌，超聲，使其全部溶解后，分裝即得[4]。

2.2 成膜性評價 利用生物顯微鏡對各供試品成膜后表面形態(tài)進行觀察，以流動性、成膜時間、均一性等指標為評價指標，對成膜材料PVPK30進行初步評價[5-7]。此外，分別對加入PVA-124和HPMC后混合基質的成膜性能進行研究。

2.3 單因素試驗 根據(jù)成膜性初步考察結果設計單因素試驗，固定其他用量不變，按“2.1”項下方法制備噴膜劑，進行成膜時間考察。

2.3.1 PVPK30用量的考察 按2.1.1項下制備復方活血化瘀噴膜劑，固定處方中PVA-124含量為5%，HPMC含量為0.3%，分別對濃度為3%、5%、7%、9%和11%的PVPK30進行考察，研究成膜材料PVPK30用量對成膜性的影響。

2.3.2 PVA-124用量的考察 按2．1．1項下制備復方活血化瘀噴膜劑，固定PVPK30含量為7%，HPMC含量為0．3%，分別對濃度為1%、3%、5%、7%和9%的PVA-124進行考察，研究成膜材料PVA-124用量對成膜時間的影響。

2.3.3 HPMC用量的考察 按2．1．1項下制備復方活血化瘀噴膜劑，固定PVPK30含量為9%，PVA-124 含量為 5%，分別對濃度為 0．1%、0．3%、0．5%和0．7%的HPMC進行考察，研究成膜材料HPMC用量對成膜時間的影響。

2.4 星點設計-效應面優(yōu)化（CCD） 根據(jù)2．2．2－2．2．3項下單因素考察實驗結果分析，選擇對影響顯著的3個因素為考察對象，以PVPK30用量（X1），PVA-124用量（X2），HPMC 用量（X3）為自變量，以成膜時間Y1為評價指標，采用星點設計-效應面法對復方活血化瘀噴膜劑進行處方優(yōu)化[8]。根據(jù)星點設計的原理[9]，各因素設置 5 水平，用代碼值±a，±1，0來表示。對于三因素的星點設計a=1．682，代碼所代表的實際操作物理量見表1。

表1 星點設計因素水平表Tab.1 Independent variablesand levelsof experiment design

2.5 人工神經(jīng)網(wǎng)絡模擬 使用由遺傳算法修改的BP神經(jīng)網(wǎng)絡對復方活血化瘀噴膜劑進行優(yōu)化。優(yōu)化程序由Metlab b2012b（MathWorks）編寫。選擇3種可控處方因素（PVPK－30用量，PVA用量，HPMC用量）進行優(yōu)化。基于成膜時間作為指標，通過隨機選擇3個因子獲得3個代表性原始數(shù)據(jù)[10]。處方輸入神經(jīng)網(wǎng)絡用于處方優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡的結構和參數(shù)的優(yōu)化構建了神經(jīng)網(wǎng)絡模型。

2.6 CCD與ANN的比較 基于與人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型（ANN）的預測輸出，計算各種參數(shù)，如均方根誤差（RMSE），預測標準誤差（SEP）和平均絕對相對偏差（AARD），比較RSM與ANN方法對復方活血化瘀噴膜劑的模擬效果[11]。RMSE、SEPA、ARD分別由公式（1）、（2）、（3）求出。

3 實驗結果

3.1 成膜性評價 實驗結果表明，PVPK30與提取藥液相容性好，選擇其為主要成膜材料，將基質中PVPK30含量分別設定為1%、3%、5%、7%、9%時，隨著PVPK30濃度的升高，流動性逐漸降低，肉眼可觀察到氣泡逐漸消，制劑均勻度增加，但顯微鏡下觀察仍有大量氣泡，且各組成膜時間均＞20 min，在以上含各濃度的PVPK30的基質中，加入0．2%的HPMC后，所得制劑肉眼觀察無顯著性差別，而將所得各組噴膜劑置于顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)氣泡消失，高濃度組仍具有較高的均一性。由于不同濃度的PVPK30單獨作為成膜材料成膜時間均過長，故在處方中加入PVA-124。實驗結果表明，在含0．2%的 HPMC的各不同濃度（1%、3%、5%、7%、9%）的PVPK30基質中，加入7%的PVA-124后，成膜時間均呈現(xiàn)不同程度的縮短，大部分處方的成膜時間減少到10 min以下。所以本實驗選擇PVPK30、PVA-124和HPMC作為混合成膜基質材料，并對各成分比例進行進一步優(yōu)化。

3.2 單因素考察 實驗結果表明，各基質用量對成膜時間的影響較大。當固定處方中PVA-124含量為 5%，HPMC含量為 0．2%，PVPK30含量為 3%、5%、7%、9%、11%時，成膜時間分別為 8．22 min、10．17 min、13．23 min、7．23 min、8．57 min；當固定處方中 PVPK30含量為 7%，HPMC含量為 0．3%，PVA-124含量為 1%、3%、5%、7%、9%時，成膜時間分別為 4．73 min、4．62 min、4．52 min、6．00 min、4．63 min；當固定PVPK30含量為9%，PVA-124含量為5%，HPMC 含量為 0．1%、0．3%、0．5%、0．7%時，成膜時間分別為 4．32 min、4．08 min、5．50 min、5．58 min、4．87 min。根據(jù)實驗結果，篩選出各基質較優(yōu)用量范圍分別為 PVP K30（7%～11%），PVA－124（1%～5%），HPMC（0．1%～0．5%）。

3.3 星點實驗 星點設計結果見表2。根據(jù)實驗結果以成膜時間為因變量Y，運用Design-Expert 7．0．0軟件對各個因素進行多元二次方程擬合，得到的方程式，見公式（4）：

各方程擬合及相關系數(shù)，見表3。

表2 星點效應面優(yōu)化法實驗設計安排及效應值表Tab.2 Chart of experiment design arrangement and effect value of central compositedesign

表3 優(yōu)化實驗中各擬合方程及相關系數(shù)Tab.3 Each fitting eqnation and correlation coefficient in optimizing experiment

由Design Expert 7.0.0軟件得出的復方活血化瘀噴膜劑星點設計三維效應圖見圖1。從優(yōu)化方程的3個影響因素的系數(shù)和效應面圖可知，PVA-124對成膜時間影響最小，PVPK30和HPMC對成膜時間影響較大，當HPMC濃度為0.3%時，PVPK30和PVA124用量對成膜時間影響較大。

圖1 成膜時間獨立變量三維效應面圖Fig.1 Surface response chart of independent variableson film formation time

3.4 人工神經(jīng)網(wǎng)絡 60.0%的數(shù)據(jù)集用于訓練網(wǎng)絡，20.0%用于神經(jīng)網(wǎng)絡模型的測試和驗證。發(fā)現(xiàn)由3個輸入層（HPMC%，PVA-124%和PVPK30%）和1個輸出層（成膜時間）組成的4-10-2 ANN（包括偏置神經(jīng)元）模型能夠更準確的預測估計成膜時間。如表4所示，R值為0.998，在每種情況下均接近1（1.0），ANN預測值（成膜時間）與實驗數(shù)據(jù)具有較高的一致性。此外，還檢查了不同自變量對輸出的相對影響。觀察到輸入?yún)?shù)的影響程度遵循該順序：P VA124（50．0%）＞PVPK30（27．0%）＞HPMC（23．0%）。

3.5 CCD與ANN的比較 RMSE，SEP和AARD的計算結果如表4所示。與CCD模型相比，ANN模型具有較低的 RMSE（2.54），SEP（29.94）和AARD（4.69）。CCD模型的r值為0.943，而ANN模型的r值為0.998，更接近于1，說明了ANN模型的可靠性和適用性。

表4 CCD模型和ANN模型對成膜時間預測值與實際值的比較Tab.4 Comparion of predicted and observed valueon film formation time between CCD and ANN model

這些結果證實，兩種模型與實驗數(shù)據(jù)都吻合良好。但與CCD模型相比，人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型的實驗值和預測值之間的偏差非常小。所以與CCD相比，人工神經(jīng)網(wǎng)絡具有更好的預測能力。

3.6 最優(yōu)處方及驗證 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡模擬，最優(yōu)處方見表5。按照所優(yōu)化的處方，制備3批復方活血化瘀噴膜劑，并對實際成膜時間進行測定，結果見表6，成膜時間的預測值和實測值的偏差均較小，說明實驗所得數(shù)學模型可以很好的預測各因素和評價指標之間的關系，適用于復方活血化瘀噴膜劑處方的優(yōu)化。

表5 復方活血化瘀噴膜劑最優(yōu)處方預測Tab.5 Prediction of optimal prescription of CHH-SF

4 討論

目前，噴膜劑成膜材料的關鍵在于能在皮膚溫度下迅速成膜。所成膜要求均勻、表面光滑、細膩、完整[12]。成膜材料[13-14]中應用較為廣泛的有聚乙烯毗咯烷酮類（PVP）、聚乙烯醇類（PVA）。PVP類和PVA類兩者均為水溶性高分子材料，具有優(yōu)異的溶解性、低毒性、成膜性、化學穩(wěn)定性、生理惰性和粘連能力等特性。一般作為成膜材料使用的型號有PVPK-30、PVA-124、PVA-1788 及 PVA-1788 低粘度型等[15-16]。同時，卡波姆、羧甲基纖維素鈉、殼聚糖和甲殼素等，由于柔軟性好、本身具有吸附傷口滲出物、減少創(chuàng)面滲出、促進創(chuàng)面愈合的作用，也常作為混合成膜材料使用。在本研究中，使用復合基質材料，即 PVPK30、PVA-124和HPMC，使三者優(yōu)勢相結合。單獨使用PVPK30，成膜時間較長，且噴膜劑均一性較差。加入HPMC可明顯消除噴膜劑中氣泡，增加制劑均一性。而PVPK30、PVA-124和HPMC三者的聯(lián)合使用，可顯著縮短成膜時間。

星點設計-效應面法[17-19]是在析因設計的基礎上，加上星點及中心點而形成的實驗次數(shù)較少、可進行線性或非線性擬合的實驗設計方法，在制劑處方和工藝的優(yōu)化中應用廣泛。人工神經(jīng)網(wǎng)絡[20]由MATLAB軟件完成的一個監(jiān)督多層感知器，由輸入，隱藏和輸出層組成。人工神經(jīng)網(wǎng)絡的功能不受限制，可以靈活地捕捉復雜的模式，并且可以在模擬中保持穩(wěn)定。盡管缺少數(shù)據(jù)，它仍能找到模式。在本實驗中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡具有更好的預測性能，可應用于更多制劑的處方優(yōu)化及篩選。

實驗中，根據(jù)星點設計效應面-人工神經(jīng)網(wǎng)絡法，復方活血化瘀噴膜劑的最優(yōu)處方為PVPK30 2.24 g、PVA-124 0.75 g、HPMC 0.07 g，成膜時間為4.63 min。

5 結論

本實驗制得的復方活血化瘀噴膜劑黏度適宜，使用方便，成膜時間短，均一性好。劑型改造后，制得的復方活血化瘀噴膜劑較藥酒原方滯留時間明顯增長，藥效發(fā)揮時間明顯延長。星點設計效應面和人工神經(jīng)網(wǎng)絡法與實驗數(shù)據(jù)都吻合良好，均可用于該制劑處方的優(yōu)化和預測。但在本實驗中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型的實驗值和預測值之間的偏差更小，預測更準確。