PSS粒度仪用于乳剂稳定性评估

Nicomp® 和 AccuSizer®

乳液稳定性

大多数乳液并不是天然稳定的，需要仔细配制才能形成具有更长保质期的分散体。各种理论和仪器技术可帮助配方设计师选择最佳化学物质组合以达到所需的结果。本应用说明不是乳液配方指南，而是介绍可用于指导如何创建稳定乳液的分析技术。

乳剂是两种或多种不互溶液体的混合物。大部分是分散相（体积较小）和连续相（体积较大）的两相混合体系。乳剂的类型包括水包油 (o/w)、油包水 (w/o) 和复合乳，例如水包油包水 (w/o/w) 乳剂。 在 O/W 乳剂中，分散相是油，连续相是水。

制备乳剂通常需要能量源用于分散，例如振动、搅拌、超声波、均质或微流化1。大多数乳剂会随着时间的推移而不稳定，有时在能量停止后立即不稳定。添加乳化剂等化学品可延长稳定期并延迟相分离。

乳化剂通常是含有亲水性头和疏水性R-C链的表面活性剂。 疏水尾部朝向有机相，亲水头部朝向水。通过将自身定位在界面上，乳化剂会降低表面张力并增加液滴表面的电荷（zeta 电位），从而对乳液产生稳定影响，请参见图 1。乳化剂的类型包括食品，例如 卵磷脂、磷酸钠和表面活性剂（离子型和非离子型）。 还可以添加粘度调节剂，例如 PEG，以提高乳液稳定性。

图 1. 含有表面活性剂的乳液

乳液配方和稳定性研究

多种分析技术可研究乳剂的制备和稳定性。使用不同浓度的两种表面活性剂来制备水包油乳剂。使用 Nicomp® 动态光散射 (DLS) 仪检测乳剂液滴的平均粒径。

Nicomp 还可用于测量液滴的 zeta 电位。 Zeta 电位可用作分散体系稳定性的预测指标。 Nicomp DLS 测量的结果报告可出具平均粒径和多分散指数 PI值2。

AccuSizer® 单颗粒光学传感 (SPOS)技术用于测量尾端大颗粒，这是乳剂稳定性的指标。 在 AccuSizer 上测量的尾端大颗粒与乳剂稳定性之间的关系已得到充分证明3,4，并已编入药典 USP<729>粒径分布的注射脂肪乳中5,6。 在 USP<729>中，大于 5 μm (PFAT5) 的体积百分比作为乳剂稳定性的指标，应小于 0.05%。 USP<729>中还使用 DLS 来确定乳滴的平均粒径，要求光强径小于 500 nm。

虽然 DLS 平均粒径、zeta 电位和尾端大颗粒都是乳液稳定性的指标，但LUM公司的LUMiFuge®稳定性分析仪可用于快速分析分散体稳定性。 LUMiFuge®可以检测颗粒沉降和上浮的速率，以量化不稳定现象； 在这种情况下，乳剂的相分离（乳化）是时间的函数。样品被放置在样品管中，光源扫描整个装样区域，收集不同时间、空间的透光率，得到时间、空间指纹图谱。光源有NIR和蓝光可选，NIR几乎适用所有样品
，蓝光适用纳米, 透光率高的样品。通过离心加速的方式，最高可实现2300倍的重力加速。

图 2. LUMiFuge®检测原理STEP技术

在制备之初，使用这些技术来分析乳剂样品，并间几秒或者几分钟采集一次数据，可获得关于时间的函数。通过离心转速的设置，可实现最高至2300倍的加速，大大缩短对乳剂稳定性研究所需的时间，本研究的目标是简单地展示如何使用仪器和分析数据。本研究无意成为乳剂制备和长期稳定性分析的参考指南。

制备了几种水包油乳剂来研究稳定性。所有乳剂都是通过将 1 mL 矿物油混合到 19 mL 含有表面活性剂的去离子水中而制成的。两种表面活性剂以两种浓度使用：

A：阴离子表面活性剂和乳化剂

•        A High：10 g溶解在 100 ml去离子水中

•        A Low：2.5 g溶解在 100 ml去离子水中

B：非离子表面活性剂和乳化剂

•        B High：5 mL 溶于 100 mL 去离子水中

•        B Low：1 mL 溶于 100 mL 去离子水中

在所有的制备中，将表面活性剂加入水中，搅拌 10 分钟并升温至 50°C。 将矿物油升温至 40°C，然后加入到水/表面活性剂溶液中。 接下来使用超声波探头将油/水混合物超声处理两分钟。

仪器

粒度通过两种技术测量：

•        使用动态光散射（DLS）的Nicomp Z3000 测量压微米粒径和zeta电位

•        使用单颗粒传感（SPOS）技术的AccuSizer A7000APS 对 0.5 – 400 μm 尾端大颗粒进行检测

使用两种技术来测量乳剂的粒径大小和稳定性，这是一种有据可查的方法，并已纳入药物检测 USP <729>脂肪乳检测中。

使用LUMiFuge®测量乳剂稳定性。

仪器设置

DLS 粒径：平均粒径和 PI 值使用Nicomp 测量的，设置如下：

•        通道宽度：自动； 通常值为 38 μs

•        温度：23°C

       液体粘度：0.933 c

•        强度设定点：自动

•        激光波长：658 nm

•        测量角度：90°

•        样品池类型：一次性方形比色皿

•        基线调整：自动

•        算法：高斯算法

Zeta 电位：zeta 电位测量使用如下所示的设置条件进行测试：

•        温度：23°C

•        液体粘度：0.933 cP

•        散射角：-14.14°

•        介电常数：78.5

•        样品池类型：方形比色皿

•        电极间距：0.4 厘米

•        电场强度：4 V/cm

•        分析类型：PALS相位分析（非恒流）

SPOS 粒径：AccuSizer APS 测量使用如下所示的设置条件进行测试：

•        数据收集时间：60 秒

•        通道数：128

•        稀释剂流速：60 毫升/秒

•        目标浓度：4500 颗/毫升

•        背景阈值：100 颗/秒

•        传感器：LE400

•        校准：Summation模式

•        进样环：0.5 mL

•        注射器体积：1 毫升

•        样品流动时间：5 秒

•        初始 DF2：1200

稳定性分析：使用如下所示的设置条件进行测试

•        测量时间：3000秒

•        扫描速率：每 30 秒

•        温度：25 摄氏度

•        数据报告：稳定性指数谱图。

结果

如图3展示了四个样品不稳定性指数谱图。

图 3. 所有样品的LUMiFuge®透光率谱图

参考原图在上面的图谱中标准样品名称

结果表明：

•        Low A 和 High A 都是极不稳定的乳剂，其中High A 比 Low A 稳定。

•        Low B 和High B 是非常稳定的乳剂，其中High B 比Low B 略稳定。

解释上面收集的数据的另一种简单方法是查看图4 中所示的 AccuSizer A7000APS 仪的体积分布。

图 4. 相对体积百分比分布

由图可知，尾端大颗粒的百分比递减顺序为：Low A> High A> Low B> High B。 与图 3 中看到的LUMiFuge®结果一致。

乳剂大颗粒的体积百分比越高表明乳剂稳定性越差。 在 USP<729>中，选择大于 5 μm 的百分比作为规定的临界值。图 4 中显示的 AccuSizer 结果是在制备每种乳剂后 10 分钟内测量的，在大于5 μm 的范围内还没有出现乳滴。因此，一个值（例如大于 1 μm 的体积百分比）可能是一个更好的计算方法，可以在一开始制备时专注以区分这些样品。 图 4 中显示的为四小时后再次分析样品High A的结果。图 5 显示乳剂的粒径显著增加，发现了较多的大于 5 μm 的颗粒。

图 5. 制备后 10 分钟（蓝色）和 4 小时（红色）的 High A

需要注意的是，本文中显示的 AccuSizer 结果并不代表整个粒径分布，仅代表为尾端大颗粒。用于本研究的LE400传感器具有 0.5-400 μm 的动态范围，但绝大多数乳剂颗粒低于这个检测范围，这也是为什么使用 DLS 来确定乳剂的平均粒径。所分析样品的 DLS 平均粒径、PI值 和 zeta 电位如表 1 所示。

表 1.DLS 大小和 zeta 电位结果

表面活性剂 B 的平均粒径越小表明乳剂越稳定，如图 3 所示的LUMiFuge®数据和图 4 中的 AccuSizer 数据所示。对于 A 和 B，较高的表面活性剂浓度导致较小的粒径和 PI 值，以及较高的 zeta 电位值。但是 A 的两个 zeta 电位值都大于 B ，事实表明仅仅参考 zeta 电位并不能确定最佳的制备条件。 更重要的考虑是对于一定的乳剂类型，哪种表面活性剂是更好的乳化剂。亲水亲油平衡 (HLB) 是表面活性剂亲水部分和疏水部分之间关系的经验表达式7。将 HLB 计算应用于乳剂制备通常可以更深入地了解表面活性剂的选择和预估乳剂的稳定性。一般来说，o/w 乳剂需要较高 HLB 的表面活性剂，w/o 乳剂需要较低 HLB 的表面活性剂。

结论

本研究中使用的每种仪器都提供了有用的信息，用以指导研究乳剂的制备和稳定性分析。 LUMiFuge®可直接、快速测量乳剂的稳定性，并提供易于解释的数据，量化乳剂的相对稳定性。 乳剂Low A 和High A 有意制备得非常不稳定，从而也开出LUMiFuge®可非常快速地量化稳定性差异。

Nicomp 提供快速、简单的乳剂平均粒径和zeta电位数据，为所研究的乳剂提供极_好的初始信息。常规而言，Zeta电位值越大，说明乳剂越稳定。但大多数乳剂只需要 zeta 电位值大于 10 mV 即可实现一定程度的稳定性。当涉及一种以上的表面活性剂时，仅查看zeta电位并不能回答一系列制备稳定性样品的所有问题。

AccuSizer系列颗粒计数器测试快速、可以得到明确数据用来预测和追踪乳剂稳定性。 也是制药行业中用于确定脂质乳剂稳定性的标准技术，在乳剂研究中应得到更广泛的应用。

参考

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