Plackett-Burman聯(lián)用Box-Behnken響應(yīng)面法優(yōu)化凝膠膏劑基質(zhì)研究

宋立華， 杜茂波， 劉淑芝， 葛克亞， 沈 碩

（中國中醫(yī)科學(xué)院中藥研究所，北京100700）

Plackett-Burman聯(lián)用Box-Behnken響應(yīng)面法優(yōu)化凝膠膏劑基質(zhì)研究

宋立華， 杜茂波， 劉淑芝*， 葛克亞， 沈 碩

（中國中醫(yī)科學(xué)院中藥研究所，北京100700）

目的 通過Plackett-Burman聯(lián)用Box-Behnken響應(yīng)面法優(yōu)化凝膠膏劑的基質(zhì)處方。方法 以凝膠膏劑的初黏力和拉力為綜合得分為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用Plackett-Burman設(shè)計(jì)對(duì)凝膠膏劑制備工藝影響因素，用Box-Behnken響應(yīng)面法對(duì)主要因素進(jìn)行優(yōu)化，并且進(jìn)行多元線性回歸與二項(xiàng)式方程擬合，預(yù)測(cè)最佳工藝。結(jié)果 聚丙烯酸鈉、聚乙烯醇、明膠對(duì)凝膠膏劑的性能影響顯著，二項(xiàng)式方程復(fù)相關(guān)系數(shù)r為0.971 2，最佳配比為聚丙烯酸鈉為5.25 g，聚乙烯醇為6.31 g，明膠為6.23 g。結(jié)論 兩法可預(yù)測(cè)凝膠膏劑基質(zhì)的性能，且工藝上可行。

凝膠膏劑；Plackett-Burman；Box-Behnken；響應(yīng)面優(yōu)化；聚丙烯酸鈉NP-700；聚乙烯醇；明膠

凝膠膏劑是由水溶性高分子材料或親水性物質(zhì)為基質(zhì)與中藥提取物或藥物粉末制成的外用貼膏劑，具有載藥量大，對(duì)皮膚有生物相容性、親和性、透氣性、耐汗性好、生物利用度高、給藥恒定、對(duì)皮膚的追隨行好等優(yōu)點(diǎn)［1-4］。除了治療風(fēng)濕類風(fēng)濕以化血化瘀、消腫止痛的凝膠膏劑較多外，近些年來在治療心血管疾病、癌癥、肝病、支氣管病等的專病專治凝膠膏劑也越來越多，成為研究熱門的經(jīng)皮給藥新劑型［5-6］。制備凝膠膏劑其處方組成是影響其質(zhì)量的重要因素［7-8］，原料包括了黏性劑、保濕劑、交聯(lián)劑、交聯(lián)調(diào)節(jié)劑等多種材料，各原料對(duì)基質(zhì)的性能貢獻(xiàn)不同［9-10］，本實(shí)驗(yàn)采用Plackett-Burman實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)選擇對(duì)基質(zhì)性質(zhì)影響的主要因素，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合Box-Behnken響應(yīng)面法對(duì)主要因素的用量進(jìn)行優(yōu)化。

1 實(shí)驗(yàn)儀器與材料

Z92-BD多功能攪拌器 （天津利華儀器廠）；BSA224S CW型電子分析天平 （德國賽多利斯公司）；凝膠膏劑材料均為藥用或食用級(jí)；甘油 （保定市金鐘制藥有限公司）；純凈水。

2 方法與結(jié)果

2.1 基質(zhì)的制備 稱取處方量卡波姆、聚乙烯醇（PVA）分別加入適量甘油、水，放置使其充分溶脹，加入處方量明膠至溶解；稱取處方量聚丙烯酸鈉NP-700及其他填充劑依次加入適量甘油分散，甘羥鋁、檸檬酸加入適量水溶解，按順序混合均勻即得空白基質(zhì)。

2.2 考察指標(biāo) 根據(jù) 《中國藥典》2010年版凝膠膏劑主要考察初黏力，并參考本實(shí)驗(yàn)室以往實(shí)驗(yàn)及相關(guān)文獻(xiàn)，確定以初黏力和拉力的綜合得分為考察指標(biāo)［11］。

2.2.1 初黏力 采用滾球法實(shí)驗(yàn)裝置，取供試品3片5 cm×5 cm凝膠膏劑，在室溫下除去保護(hù)層，將滾球從傾角30度的斜面上滾下，記錄能黏住滾球的質(zhì)量，重復(fù)測(cè)量3次，取平均值。以測(cè)得最大值為70分，其余的與之相比（測(cè)得值/最大值）× 70計(jì)算得分。

2.2.2 拉力 取3塊2.5 cm×10 cm凝膠膏劑，貼在不銹鋼板上，用2 kg橡膠滾輪均勻壓緊3次，放置20 min后，采用拉力機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，記錄結(jié)果，重復(fù)3次，取平均值。以測(cè)得最大值為30分，其余與之相比 （測(cè)得值/最大值） ×30計(jì)算得分。

2.3 Plackett-Burman實(shí)驗(yàn)方法 本實(shí)驗(yàn)旨在篩選出對(duì)凝膠膏劑制備工藝影響的因素，為下一步的響應(yīng)面分析提供指導(dǎo)。

2.3.1 實(shí)驗(yàn)因素及水平的規(guī)定 選用Plackett-Burman設(shè)計(jì)對(duì)凝膠膏劑制備工藝影響因素的重要性考察，包括卡波姆、PVA、明膠、NP-700、檸檬酸和甘羥鋁6個(gè)因素做12次試驗(yàn)，根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)［12］及預(yù)試驗(yàn)，每個(gè)因素取高 （+1）、低 （-1）兩種水平，具體實(shí)驗(yàn)因素及水平見表1。

表1 Plackett-Burman實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.1 Plackett-Burman design

2.3.2 Plackett-Burman實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 6個(gè)因素12個(gè)實(shí)驗(yàn)，按照Plackett-Burman設(shè)計(jì)表進(jìn)行試驗(yàn)，按“2.2”項(xiàng)進(jìn)行考察，綜合得分。Plackett-Burman實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及響應(yīng)值如表2。

用Design-Expert8.0.6軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從表3中可以看出，該模型回歸顯著，模型r2=0.949 4，說明回歸擬合程度較好，PVA、明膠、NP-700具有顯著性，其中PVA的P值小于0.01，極具顯著性，其影響凝膠膏劑性能的的顯著性排列為PVA＞明膠＞NP-700＞甘羥鋁＞卡波姆＞檸檬酸，因此選擇PVA、明膠、NP-700這3個(gè)因素作為主要因素作進(jìn)一步響應(yīng)面分析，以確定這些水平的最優(yōu)水平。

表2 Plackett-Burman實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experim ental results of Plackett-Bu rman

表3 Plackett-Burman方差分析Tab.3 Variance analysis of Plackett-Burman

2.4 Box-Behnken響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn) 通過Plackett-Burman實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)確定凝膠膏劑制備工藝的主要因素為NP-700、PVA、明膠，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果與最高和最低水平制備基質(zhì)的可行性，將上述因素設(shè)置若干水平，采用單因素考察凝膠膏劑性能的影響，確定各個(gè)因素的最高最低水平，為響應(yīng)面優(yōu)化的水平提供參考，其結(jié)果得出上述因素水平范圍為：NP-700為4.3～6.5 g，PVA為4.6～6.8 g，明膠為5.9～10.3 g。

2.4.1 Box-Behnken設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) 在上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，以NP-700、PVA、明膠為因素，以初黏力和拉力綜合得分進(jìn)行Box-Behnken響應(yīng)面法優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合分析，具體Box-Behnken設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以素水平及結(jié)果見表4、5。

表4 Box-Behnken設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)因素水平Tab.4 Factors and levels of Box-Behnken

表5 Box-Behnken設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Experimental results of Box-Behnken

2.4.2 模型的建立及顯著性檢驗(yàn)

2.4.2.1 模型擬合 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)用Design-Expert 8.0.6軟件，以評(píng)價(jià)指標(biāo)分別對(duì)各因素進(jìn)行二項(xiàng)式擬合，表5所示為不同制備工藝效應(yīng)值的相應(yīng)變化。表6為本實(shí)驗(yàn)的方差分析結(jié)果，經(jīng)F檢驗(yàn)顯示總模型方程顯著 （P=0.000 7），r2=0.952 9，r=0.971 2，表明該回歸模型的擬合情況良好，回歸方程的代表性較好，能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)實(shí)際情況。由上表可知B、C、A2、B2、C2有顯著性差異，利用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行多元回歸擬合，得二次多項(xiàng)回歸模型：Y=-675.371 79+75.609 17A+ 111.439 44B+14.069 94C-25 111AB+2.236 67AC-0.717 78BC-5.724 11A26.40967B2-2.875 22C2。式中Y為響應(yīng)值，A，B，C分別為NP-700、PVA、明膠。該方程相關(guān)系數(shù)r2=0.952 9。由表6可知，整體模型達(dá)到顯著水平 （P=0.005 4，P＜0.05），表示該二次方程模型比較顯著，失擬值沒有顯著性，該方程對(duì)實(shí)驗(yàn)擬合較好。

2.4.2.2 響應(yīng)面優(yōu)化與預(yù)測(cè) 根據(jù)分析結(jié)果 （見表5），分別將NP-700、PVA、明膠固定為5.4 g，5.7 g，8.1 g，繪制另外兩個(gè)變量對(duì)凝膠膏劑性質(zhì)的響應(yīng)面圖，考察NP-700、PVA、明膠及其交互作用，對(duì)凝膠膏劑性質(zhì)的影響。圖1顯示NP-700和PVA的用量增加基質(zhì)性能隨之增加，最優(yōu)點(diǎn)趨近于NP-700用量為5.25 g和PVA的用量為6.31 g，并在這點(diǎn)附近達(dá)到最大，再增大用量基質(zhì)性能下降。圖2顯示隨著NP-700和明膠的用量增加基質(zhì)性能隨之增加，最優(yōu)點(diǎn)趨近于NP-700用量為5.25 g和明膠的用量為6.23 g，并在這點(diǎn)附近達(dá)到最大。圖3顯示隨著PVA和明膠的用量增加基質(zhì)性能隨之增加，最優(yōu)點(diǎn)趨近于PVA用量為6.31 g和明膠的用量為6.23 g，并在這點(diǎn)附近達(dá)到最大。此外，每個(gè)響應(yīng)面都具有其較優(yōu)區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)凝膠膏劑的性能呈增高趨勢(shì)，可達(dá)到最優(yōu)。

表6 二次回歸方差分析Tab.6 Variance analysis of quadratic regression

圖1 NP-700和PVA對(duì)凝膠膏劑性能影響的響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.1 Response surfacemap and contour p lots of multip le effects of NP-700 and PVA on catap lasm ability

根據(jù)以上分析，使用Design-Expert8.0.6軟件進(jìn)行處方優(yōu)化，得出最優(yōu)處方為：NP-700為5.25 g，PVA為6.31 g，明膠為 6.23 g，預(yù)測(cè)值為91.65。

2.4.2.3 驗(yàn)證試驗(yàn) 為了確定建立模型預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否相符，通過進(jìn)一步試驗(yàn)對(duì)模型的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。按照最優(yōu)處方制備3批凝膠膏劑，測(cè)定初黏力與拉力，并計(jì)算總分，平均得分為90.45，與預(yù)測(cè)值相差不大，其3批RSD為0.87%，說明模型是比較可靠的，用效應(yīng)面法需求凝膠膏劑制備最佳處方是可行的。

3 討論

凝膠膏劑的基質(zhì)輔料較多，成分復(fù)雜，本實(shí)驗(yàn)采用Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，可以用較少的實(shí)驗(yàn)達(dá)到分析各因素主效應(yīng)的效果，快速的從眾多影響因素中篩選顯著影響因素［13］，即NP-

700、明膠、PVA，NP-700、明膠既為黏性劑也可作為骨架材料，PVA作為增黏劑，使凝膠膏劑保持良好的黏彈性。

圖2 NP-700和明膠對(duì)凝膠膏劑性能影響的響應(yīng)面和等高線Fig.2 Response surfacemap and contour p lots ofm ultip le effects of NP-700 and gelatin on catap lasm ability

圖3 PVA和明膠對(duì)凝膠膏劑性能影響的響應(yīng)面和等高線Fig.3 Response surfacem ap and contour p lots of multip le effects of PVA and gelatin on catap lasm ability

確定影響凝膠膏劑的主要影響因素，運(yùn)用Box-Behnken效應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方法優(yōu)化凝膠膏劑的處方，Box-Behnken實(shí)驗(yàn)可以在因素與響應(yīng)值之間建立數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)學(xué)模型的處理得出多變量之間的相互關(guān)系與影響因素［14］，從而獲得最佳工藝條件為NP-700為5.25 g，PVA為6.31 g，明膠為6.23 g，按此比例制得的凝膠膏劑加入中藥提取物，黏性無明顯變化，膏體均勻細(xì)膩，柔軟性好，貼敷舒適，能夠滿足臨床使用要求。

［1］ 劉淑芝.中藥巴布劑研究現(xiàn)狀分析及展望［J］.中醫(yī)外治雜志，2005，14（5）：3-5.

［2］ 徐 敏，馬偉斌.巴布劑研究及新方向［J］.中華中醫(yī)藥學(xué)刊，2007，25（6）：1272-1274.

［3］ 賈 偉，高文遠(yuǎn)，王 濤，等.中藥巴布劑的研究現(xiàn)狀［J］.中國中藥雜志，2003，28（1）：7-11.

［4］ 沈 靜，郭立瑋，潘林梅.中藥巴布劑研究現(xiàn)狀［J］.時(shí)珍國醫(yī)國藥，2005，16（1）：52-54.

［5］ 王 群，曹曉慧.中藥巴布劑的臨床研究進(jìn)展［J］.時(shí)珍國醫(yī)國藥，2009，20（9）：2373-2374.

［6］ 朱景麗，趙春蓓，張廣慶.巴布劑的研究概況［J］.民營科技，2009，2：72.

［7］ 何海珍.淺談?dòng)绊懼兴幇筒紕┵|(zhì)量的幾個(gè)因素［J］.中成藥，2007，29（8）：24-26.

［8］ 潘偉三，李 華，李佳煜，等.中藥巴布劑的技術(shù)難點(diǎn)及解決方案［J］.中醫(yī)外治雜志，2004，13（3）：3-4.

［9］ 劉淑芝，郭春燕，金日顯.中藥巴布劑的研究思路與方法［J］.中國實(shí)驗(yàn)方劑學(xué)雜志，2008，13（5）：62-64.

［10］ 樓步青，何偉棠.中藥巴布劑研究思路探討［J］.時(shí)珍國醫(yī)國藥，2001，12（7）：617-619.

［11］ 孫 影，于子軒，嚴(yán)俊芳，等.巴布劑基質(zhì)配比研究［J］.遼寧醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，29（4）：292-294.

［12］ 劉淑芝，李軍紅，金日顯，等.面心設(shè)計(jì)效應(yīng)面法優(yōu)化巴布劑基質(zhì)的研究［J］.中國中藥雜志，2009，34（24）：3211-3213.

［13］ 李文婧，李學(xué)國，呂建良，等.Plackett-Burman法設(shè)計(jì)篩選優(yōu)化谷物飲料中的香精［J］.飲料工業(yè)，2011，14（1）：21-23.

［14］ Tao Z，Hyo JH，Kyung H R.Optimization of crude polysaccharides extraction from Hizikiafusiformis using response surface methodology［J］.Carbohydr Polym，2010，82（1-2）：106-110.

Optim ization of thematrix formulation for catap lasm by Plackett-Burman combined w ith Box-Behnken response surfacemethodology

SONG Li-hua， DU Mao-bo， LIU Shu-zhi*， GE Ke-ya， SHUO Shen

（Institute of ChineseMedicine，China Academy of ChineseMedical Science，Beijing 1OO7OO，China）

AIM To optimize thematrix formulation for cataplasm by Plackett-Burman combined with Box-Be-

cataplasm；Plackett-Burman；Box-Behnken；response surfacemethodology；NP-700；polyvinyl alcohol（PVA）；gelatin

R944

A

1001-1528（2015）12-2623-05

10.3969/j.issn.1001-1528.2015.12.011

2015-04-20

國家 “重大新藥創(chuàng)制”科技重大專項(xiàng) （2014ZX09301306-009）

宋立華（1987—），男，碩士生，研究方向?yàn)橹兴幹苿?。Tel：13581800341，E-mail：songlihua4835@163.com

*通信作者：劉淑芝，女，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹兴幮聞┬图靶录夹g(shù)。Tel：01084043227，E-mail：liushuzhi2004@sina.com

hnken response surfacemethodology.METHODS Plackett-Burman design was used to figure out themajor influential factors in the process with a comprehensive scoring on indices of initial adhesion and tensile strength.With Box-Behnken response surfacemethod in optimizing themain factors，the results from themultiple linear regression and the two term equation fitting were applied to forecasting the optimum process.RESULTS With multiple correlation coefficient r of binomial equation being 0.9712，the suitable ratio for keymaterials of NP-700，PVA and gelatin was determined to be 5.25（g）∶6.31（g）∶6.23（g）.CONCLUSION The experimental results demonstrate that the combined method is predictable of a fine and feasible preparation process.