復雜制劑應用專題 | SPOS在醫藥微球制劑質量控制中的應用研究

本文隸屬于復雜制劑應用專題，全文共 6753字，閱讀大約需要 15 分鐘

摘要：微球制劑作為長效緩釋與靶向遞送的重要載體，其粒徑分布、顆粒數量濃度及異常大顆粒含量是影響藥物釋放行為、注射安全性與體內分布的關鍵質量屬性。本文系統梳理了醫藥微球的定義、制備工藝及質量控制要點，分析了傳統粒徑表征技術的局限性，闡述了單顆粒光學傳感技術（SPOS）的原理與優勢。結合PLGA微球的研究案例，展示了AccuSizer系列儀器在處方篩選、粒徑分布測定及批間一致性評價中的應用，為復雜微球制劑的研發與質量控制提供技術參考。

關鍵詞：微球制劑；粒徑分布；顆粒計數；SPOS；單顆粒光學傳感技術；AccuSizer

微球（microspheres）是指以天然或合成高分子材料為載體，在微米尺度（通常為1–1000 μm）形成的球形微粒給藥系統。根據經典藥劑學綜述文獻，微球屬于多單元給藥系統（multiparticulate drug delivery system, MDDS），其通過微觀結構設計實現對藥物釋放行為的調控，在長效制劑與靶向遞送領域具有重要應用價值。^[1][2]

從結構角度來看，微球具有顯著的多樣性，其內部形貌可表現為致密基質結構、多孔結構、核-殼結構或空心結構等類型。不同結構源于成球過程中聚合物相分離、溶劑遷移及固化動力學差異，并直接決定藥物在體系中的分布狀態及釋放路徑。^[3]例如，基質型微球中藥物通常均勻分散于聚合物網絡中，其釋放行為受擴散與材料降解共同控制；多孔結構則由于比表面積增大，可顯著加快藥物釋放速率；而具有明顯界面結構的微球則可通過調節界面性質實現更加精細的釋放控制。下圖1.1 展示了不同結構微球橫截面電鏡照片。

圖1.1 不同結構微球橫截面電鏡照片

在材料方面，微球通常采用生物相容性良好的聚合物，如聚乳酸（PLA）、聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）、蛋白質及多糖類材料。這些材料在體內可發生可控降解，其降解行為與藥物擴散過程協同作用，共同決定微球的釋放動力學特征。^[4]

綜上，醫藥微球制劑本質上是一類基于微尺度結構調控的先進藥物遞送系統，其核心特征在于粒徑可控、結構可設計及釋放行為可調節，是當前復雜注射制劑與長效制劑的重要發展方向。

微球的制備技術直接決定了其關鍵質量屬性（CQAs），包括粒徑分布、載藥量、包封率及表面形貌，這些屬性進而影響其體內行為與臨床療效。目前，主流的微球制備方法主要包括以下幾類：

乳化-溶劑揮發/萃取法：該方法是目前應用廣泛的微球制備技術之一。其基本原理是將含藥聚合物溶液分散于連續相中形成乳液體系，隨后通過有機溶劑的揮發或萃取使聚合物固化成球。該方法適用于PLGA等疏水性聚合物體系，具有工藝成熟、可放大性強等優點，但在乳化及固化過程中易引入粒徑分布寬化及顆粒不均一問題。

圖1.2乳化-溶劑揮發/萃取法

噴霧干燥法：噴霧干燥通過將藥物-聚合物溶液霧化并快速干燥形成微球顆粒，具有連續化生產及粒徑可控性較好的優勢，適用于工業規模制備^[4]。然而，高溫干燥過程可能對熱敏性藥物穩定性產生不利影響。

圖1.3噴霧干燥法示意圖

除上述主流方法外，微球的制備還包括多種其他技術路徑。例如：相分離法（凝聚法）通過改變溶劑體系或引入非溶劑，使聚合物從溶液中析出并包封藥物，適用于蛋白、多肽等生物大分子，但對工藝條件敏感；溶膠-凝膠法與離子凝膠法主要用于天然高分子體系，通過化學或離子交聯實現成球，具有條件溫和及良好生物相容性；微流控技術則通過精確控制微尺度流體行為，實現單分散微球的制備，在粒徑均一性方面具有顯著優勢，但目前在規?；a方面仍存在一定限制。

總體而言，不同制備方法在粒徑控制能力、結構均一性及工業適用性方面存在顯著差異。傳統方法雖具備成熟的產業基礎，但往往伴隨顆粒分布寬化及異質性問題，而新興方法則在精確控制方面展現出潛力?？筛鶕幬锏男再|、制備微球的目的選擇合適的方法。此處，介紹一種微球的制備流程，見圖1.4，制備藥物水溶液和聚合物溶液，經過混合、剪切步驟形成混懸劑，再經微射流均質機均質得到較小粒徑的制劑。

圖1.4 注射用微球制備方法

在實際制備過程中，由于成球機理復雜及多因素耦合作用，微球體系中普遍存在粒徑分布寬化、結構差異顯著及少量異常顆粒（如大顆粒或缺陷顆粒）等問題。下文將系統闡述微球制劑的質量評價體系。

微球將藥物包埋或吸附于聚合物載體中，通過皮下或肌肉注射進入體內后，經表面快速釋放、藥物擴散、聚合物溶蝕降解等方式實現藥物的緩慢釋放，可顯著延長藥物半衰期。作為一種典型的微粒制劑，微球的粒徑及其分布是其質量評價的核心要素之一。根據《中國藥典》2025年版第四部通則9014<微粒制劑指導原則>，微粒制劑的質量控制應圍繞粒徑及粒度分布、顆粒形態、載藥特性（如載藥量與包封率）以及體外釋放行為等關鍵指標展開。這些參數共同決定了微粒制劑的結構特征及其在體內外環境中的行為表現^[5]。其中，粒徑及粒度分布作為基礎性參數，不僅影響制劑的均一性和制備工藝的穩定性，還在很大程度上影響微球的體內分布、釋放特征及給藥安全性，是微粒制劑質量評價中的核心控制指標之一^[6]。

粒徑均一性不僅影響產品批次間的制備重復性，還直接影響應用效果。尺寸均一、可控的微球產品是醫藥制劑的關鍵核心^[5]。同時，粒徑尺寸直接影響微球的體內分布與給藥途徑。注射用微球直徑一般需控制在20~50 μm左右，直徑過小易被巨噬細胞吞噬或進入毛細血管導致栓塞，直徑過大則影響通針性^[4]。對于特定給藥部位，粒徑要求更為精準，例如關節腔注射用微球的研究顯示，平均粒徑PLGA微球可實現長時間的體外緩釋，滿足關節腔內注射使用要求^[7]。

從實際應用來看，粒徑分布的均一性對微球在體內的輸運行為同樣具有重要影響。傳統栓塞微球由于粒徑分布不均，在血管內的運動軌跡難以預測，從而增加誤栓風險；四川大學相關CN113198041A通過制備高單分散性微球（粒徑變異系數≤5%），可顯著提升其在血管內分布的均勻性與可控性，降低非靶向栓塞發生的可能性。

由此可見，粒徑特性從釋放行為、體內分布到給藥途徑，全面影響著微球制劑的療效與安全性。

微球數量（數量濃度，particle number concentration）是指單位體積或質量體系中微球顆粒的實際數目，是區別于質量濃度或體積分數的關鍵參數。在微球制劑體系中，數量濃度不僅決定單位劑量中有效載體的實際顆粒數，還直接影響藥物釋放動力學、體內分布行為及最終治療效果。因此，數量濃度作為反映顆粒群體結構的重要參數，在復雜微球制劑研究中逐漸受到關注，并常與粒徑分布等指標聯合用于評價制劑質量一致性與性能。

從藥物釋放機制來看，微球體系的整體釋放行為可視為單顆粒釋放過程在群體尺度上的疊加結果。Klose等人在《International Journal of Pharmaceutics》發表的研究表明，在PLGA微球體系中，體系結構參數（如孔隙度與粒徑）會通過改變擴散路徑及界面條件影響藥物釋放過程^[8]。在此基礎上，微球投加量（即顆粒數量或濃度）的變化會進一步改變體系與外界介質之間的比例關系，例如“微球質量/釋放介質體積比"的變化可影響擴散驅動力及濃度梯度分布，從而對整體釋放動力學產生影響。因此，在相同粒徑和載藥量條件下，數量濃度的變化可能導致釋放曲線出現差異。

從體內分布與劑量控制角度來看，數量濃度的影響更加直接。Kafantaris等人在《Mathematics》發表的研究基于數值模擬方法分析了放射性栓塞過程中微球在血流中的分布行為，結果表明，在特定流體動力學模型條件下，微球數量濃度會顯著影響其在血管分支中的分配比例及在靶組織中的沉積密度^[9]。該研究從模型分析角度表明，微球數量濃度是影響其體內分布均勻性與靶向效率的重要因素之一。

此外，數量濃度還與制劑均一性及工藝穩定性密切相關。在微球制備過程中，顆粒團聚、破碎或分散不均均會導致實際數量濃度偏離理論值，從而引起劑量偏差及批間差異。相關研究指出，微球的粒徑分布、載藥量及比例關系共同決定最終體系中“有效顆粒群體結構"，其中不同粒徑顆粒在數量分布上的差異會進一步影響整體藥物負載與釋放貢獻^[10][11]。例如，單分散栓塞微球制備（如CN104829851B）通過微流控技術精確控制微球粒徑，實現粒徑變異系數≤5%的單分散性。粒徑的高度均一意味著每顆微球的體積和載藥量趨于一致，這使得在總給藥劑量固定的情況下，單位劑量中所含的微球數量也具有了高度的可預測性，為精準劑量控制奠定了基礎。

綜上，微球數量濃度不僅是描述顆粒體系結構的重要參數，還在藥物釋放行為、體內分布特征及制劑均一性控制中發揮著重要作用。在現有質量評價框架下，數量濃度雖尚未形成統一的強制性控制指標，但作為補充性關鍵參數，已在研究開發及工程實踐中得到廣泛應用。隨著復雜制劑表征體系的不斷發展，其在微球制劑質量控制中的作用有望進一步增強。

在微球粒徑表征領域，傳統技術如動態光散射、激光衍射、靜態圖像分析及沉降法等已被廣泛應用，并在許多標準化場景中展現出良好的重復性與操作便捷性。這些方法通?；趯Υ罅款w粒的集體響應進行統計平均，從而獲得體系的整體粒徑分布信息，能夠滿足常規質量控制的基本需求。在多分散體系中，傳統方法易受采樣代表性不足和信號疊加效應的影響，粒徑分布曲線可能出現一定程度的平滑化或畸變，對于低濃度但具有重要質量意義的亞可見顆粒，其檢測靈敏度存在一定局限。^[12]基于圖像的統計方法雖能提供形貌信息，但其分析通量相對較低，且在高濃度或顆粒重疊情況下的自動識別仍面臨一定挑戰。

上述方法在微球粒徑表征中均發揮著重要作用，但其共同特點是通常以顆粒總體散射或圖像統計為基礎，難以對體系中的每一個顆粒進行逐一測量。當微球體系中存在少量大顆?；蝾w粒聚集體時，這些顆粒在整體統計數據中占比較低，其貢獻容易被稀釋，對真實粒徑分布的精細呈現存在一定局限。同時，傳統方法在提供顆粒數量和濃度信息方面也存在不足，對于需要精確捕捉分布尾部特征、評估體系穩定性或監測早期聚集傾向的應用場景，現有技術手段仍有待進一步*。

單顆粒光學傳感技術（Single Particle Optical Sizing, SPOS）基于傳統光阻法的原理發展而來。傳統的光阻法(Light Extinction，LE，也稱為光消減，Light Obscuration，LO)檢測粒徑的原理為：當粒子通過光感區域的阻礙了一部分入射光，引起到達檢測器的光強降低，此信號的衰減幅度理論上與粒子的橫截面成比例關系。在儀器中，將光強信號轉換成電信號，具體表現為電壓值，不同粒徑大小的粒子產生的電壓值不同，根據對應關系，就可以建立標準粒子和粒徑大小的校準曲線。傳統光阻法的范圍下限一般1.8μm。

為突破這一下限，單顆粒光學傳感技術（SPOS）結合了光阻效應和光散理論，圖3.1所示，該技術通過有機融合光阻（LE）信號和光散射（Light Scattering, LS）信號，實現了技術突破：利用光阻效應保證較寬的粒徑檢測范圍，同時通過光散射技術增強對小顆粒的檢測靈敏度，從而將單顆粒計數的檢測下限拓展至0.5μm。這不僅迎合了更嚴苛的質量要求，也助力于精密制造領域對環境雜質的高標準控制。

3.1單顆粒光學傳感技術（SPOS）原理圖

基于SPOS這一技術原理，Entegris（PSS）推出AccuSizer系列顆粒計數器。該系列產品結合了自動稀釋技術，檢測范圍覆蓋從納米級到微米級，能夠在檢測液體中顆粒數量的同時，精確測量顆粒的粒度分布；搭載新一代AccuSizer*的軟件分析功能，能夠提供真實精細的分布結果，廣泛應用于精細化工、半導體、醫藥、光電及過濾等領域。圖3.2為AccuSizer系列顆粒計數器的產品實物圖。

圖3.2 AccuSizer系列顆粒計數器產品圖

• 檢測范圍為0.5μm-400μm(可將下限拓展0.15μm)。

• 0.01μm的超高分辨率，AccuSizer系列具有1024個數據通道，能反映復雜樣品的細微差異，為研發及品控保駕護航。

• 靈敏度高達10 ppt級別，即使只有微量的顆粒通過傳感器，也可以精準檢測出來。

Aurizio等人在研究聚乳酸-羥基乙酸(PLGA)作為給藥系統，以保護不穩定的前藥LD-LA(治療帕金森病癥狀)免受酶促和化學降解，并獲得完整化合物的持續釋放的過程中，采用 AccuSizer 系列儀器對微球粒徑大小和粒徑分布進行檢測。^[13]

帕金森病(PD)是一種進行性神經退行性疾病，其主要病理特征為中腦黑質致密部多巴胺(dopamine，DA) 能神經元進行性變性丟失，導致紋狀體DA水平下降，在臨床上主要表現為靜止性震顫、運動遲緩、肌強直和姿勢平衡障礙等癥狀。

圖4.1 神經元示意圖

PD的病因學具有多因素，包括氧化應激和腦鐵失調。目前的化學療法基本上是使用外源性左旋多巴(LD)(DA的直接前體)作為藥物進行對癥治療。然而，LD給藥與三個重要問題有關:

1.  LD代謝可產生細胞毒性自由基，破壞尚未受損的黑質紋狀體的多巴能神經元，可加速帕金森病的發展；

2. LD在中樞神經系統的生物利用度較低；

3. 在長期治療期間，給藥后LD的血藥濃度波動明顯，進而導致大腦內突觸間隙的多巴胺水平波動劇烈，對突觸后多巴胺受體造成脈沖樣刺激，從而導致運動并發癥的出現。

為了克服這些問題，最近合成了一種含有LD和天然硫辛酸部分(LA)的多功能前藥(LD-LA，圖4.2)。硫辛酸很容易穿過血腦屏障并在神經元中積累，具有抗氧化和鐵螯合特性，可以減少兒茶酚胺的自動氧化(由過渡金屬加速)和清除LD代謝產生的ROS。

圖4.2 LD-LA 前藥分子結構

通過油包水乳液/溶劑蒸發技術(O/W，ESE)制備了LD-LA PLGA微球(Wischke和Schwendeman，2008)。簡單地說，將PLGA和LD-LA以不同的濃度和藥物/聚合物比例(PLGA/mLDCM 為200、400、800mg/mLDCM;藥物/聚合物比例為2%、5%或20%(w/w))溶解在DCM中，可制得 0.5 mL的油相。

對于聚合物濃度較高的溶液，在室溫下超聲處理30min。使用均質機，將o-ph 與含PVA2%(w/w)的水相(aq-ph)乳化(30s，室溫，25000 r/min)。將得到的乳液滴入PVA水溶液(0.5%(w/w))中;2.5或5ml)，硬化浴(hb)，在室溫下磁力攪拌兩小時，使DCM蒸發和微球凝固。

或者，在不稀釋的情況下攪拌乳液(表1)。在室溫(3min，3000Xg)下離心收集微球，然后用水洗兩次，用液氮迅速冷凍，冷凍一夜進行干燥。

使用AccuSizer A7000 AD對微球粒徑分布進行表征分析，使用顯微鏡掃描電鏡(SEM)對 AccuSizer測量的微球粒徑大小結果進行佐證。

表4.1 不同前藥載藥微球處方表征

圖4.3 AccuSizer 粒徑分布結果

圖4.4 微球 SEM 形貌圖

該實驗考察了配方參數(聚合物在有機溶劑中的濃度、相體積比、有機溶劑蒸發速率)對微球粒徑大小的影響。表1顯示，PLGA濃度的增加導致微球尺寸和多分散性增加(例如比較F2和F4)。這些現象可歸因于油相粘度的增加導致攪拌效率的降低，從而產生多分散和更大的乳化液滴，從而產生尺寸范圍相當寬的微球。

為獲得可儲存的注射劑，通常粒徑范圍控制在20-100 μm，上述所有的配方都達到目標粒徑范圍。微球的多分散性與乳液基的制備技術相關。測量(圖 4.3)表明，使用 200 Accusizer mg PLGA/mL的 DCM 溶液制備的微球具有相當窄的粒徑分布，而隨著聚合物濃度的增加(800mg/mL)，粒徑范圍變寬。

使用具有高PLGA濃度(800mg/mL)的DCM溶液制備的顆粒是無孔的，且與 AccuSizer數據(圖4.3)一致，顯示出相當寬的粒徑分布(圖4.4， F8)。

關鍵配方和加工參數會影響微球的粒徑大小和孔隙率，從而影響藥物釋放速率。有機相中的聚 合物濃度、相體積比和水相與有機溶劑的預飽和 度對攪拌效率和油滴凝固速率具有重要影響，從而影響微球粒徑大小、多分散性和孔隙率。使用 AccuSizer A7000 系列可快速、準確測量粒徑大小和粒徑分布、從而篩選配方，節省研發時間。

微球制劑的粒徑均一性、數量濃度及大顆粒含量是決定其釋放行為、體內分布與臨床療效的核心質量屬性。傳統粒徑分析方法在低濃度大顆粒檢測與顆粒數量測定方面存在明顯局限，難以滿足日益嚴格的質量控制要求。單顆粒光學傳感技術（SPOS）通過逐顆粒檢測模式，實現了粒徑與數量的高精度同步分析，有效突破了傳統技術的檢測局限。

基于SPOS原理的AccuSizer系列顆粒計數器，檢測范圍覆蓋0.5μm~400μm，具備高靈敏度大顆粒檢測能力與顆粒數量濃度直接測量優勢。結合PLGA微球的實際研究案例，驗證了AccuSizer系列儀器在微球制劑研發、工藝優化、質量控制中的實際應用價值，為其研發與產業化提供堅實的技術支撐。

參考文獻

[01] Anusha R, Gayathri K, Sindhu T, 等. Formulation and characterization studies of microspheres [J]. International Journal of Basic & Clinical Pharmacology, 2025, 14(2): 307–315.

[02] XU W, ZHOU X. Application of drug delivery microspheres in cancer Therapy [J]. Journal of Zhejiang University (Medical Sciences), 2024, 53(5): 641–649.

[03] Bentley E R, Subick S, Pezzillo M, 等. Identification and Characterization of Critical Processing Parameters in the Fabrication of Double-Emulsion Poly(lactic-co-glycolic) Acid Microparticles [J]. Pharmaceutics, 2024, 16(6): 796.

[04] 郭寧子,辛中帥,楊化新.微球制劑質量控制研究進展[J].中國新藥雜志,2015,24(18):2115-2121.

[05] 國家藥典委員會. 《中國藥典》2025年版四部通則 9014“微粒制劑指導原則"

[06] 韋祎,馬光輝.尺寸均一微球制劑的研究進展[J].化工學報,2021,72(12):6176-6187.

[07] 車坷科,王麗娟,張如超,等.關節腔注射用雷公藤甲素PLGA微球的制備與體外釋放研究[J].中國新藥雜志,2016,25(23):2745-2749.

[08] KLOSE D, SIEPMANN F, WILLART J F, et al. How porosity and size affect the drug release mechanisms from PLGA-based microparticles[J]. International Journal of Pharmaceutics, 2010, 397(1-2): 153-161.

[09] KAFANTARIS I, KARATZAS G, KALOGERAKIS N. Computational study of the microsphere concentration in blood during radioembolization[J]. Mathematics, 2022, 10(22): 4280.

[10] FREITAS S, MERKLE H P, GANDER B. Microencapsulation by solvent extraction/evaporation: reviewing the state of the art of microsphere preparation process technology[J]. Journal of Controlled Release, 2005, 102(2): 313-332.

[11] MAHAPATRO A, SINGH D K. Biodegradable nanoparticles are excellent vehicle for site directed in-vivo delivery of drugs and vaccines[J]. Journal of Nanobiotechnology, 2011, 9: 55.

[12] Kozlov A A, Abdullaev S D, Flid V R, 等. Algorithm and criterion of quality for assessing the packing of polymer Microspheres [J]. Russian Journal of Physical Chemistry A, 2016, 90(9): 1835–1838.

[13] E. D' Aurizio, C.F. van Nostrum, M.J. vanSteenbergen, P. Sozio, F. Siepmann, J.Siepmann,W.E. Hennink, A. Di Stefano;Prepa-ration and characterization of poly(lac-tic-co-glycolic acid) microspheres loaded witha labile antiparkinson prodrug.