CN105979938A - 用于包封粒子、胶体和细胞的芯-壳胶囊 - Google Patents

Abstract

本文描述用于自全水乳液制备胶囊，比如微米和/或纳米胶囊的方法。所述方法包括混合、合并或使含有第一种溶质的第一带电相与至少含有第二种溶质的任选带电的第二相接触。这些溶质互不相容。两种溶液之间的静电力诱导在连续相形成分散相的液滴。液滴然后固化形成胶囊。

Description

用于包封粒子、胶体和细胞的芯-壳胶囊

相关申请的交叉参考

本申请要求2013年12月9日递交的美国临时申请第61/913660号的权益。2013年12月9日递交的申请第61/913660号通过参考以其全部结合到本文中。

发明领域

本发明属于自全水乳液(all-aqueous emulsions)制备的微米和纳米胶囊领域。

发明背景

水凝胶胶囊已被用于包封细胞，因为它们可允许氧气和营养物向细胞简单扩散。这种组合物已开发为一系列疾病包括I型糖尿病、癌症和神经退行性疾病比如帕金森症的潜在疗法。

水凝胶粒子比如藻酸盐粒子的传统加工对胶囊的微观结构或尺寸(直径)几乎不提供控制。当活细胞被包封在粒子中时，氧气和营养物的扩散受到存在厚的水凝胶壳的限制。而且，细胞的增殖与融合由于缺乏水性空间而被阻止。

此外，制备这种粒子通常涉及使用有机溶剂。这种溶剂昂贵、有毒、易燃和对环境有害。在使分散相固化形成固体胶囊时，必须通过反复洗涤提取有机溶剂，这是耗费时间的。因此，非常期望用全水性溶质替代有机溶剂，以避免这些繁琐的除去有机相的步骤。另外，当蛋白溶液暴露于油相时，通常在水-油(w/o)界面发生蛋白变性，减少蛋白的生物活性。

采用可混溶的水溶液产生芯-壳水凝胶胶囊而不需要有机溶剂的最近方法一般导致有效载荷的渗漏。

因此，需要改进的方法制备水凝胶胶囊，特别是防止要包封的有效载荷渗漏，但是允许氧气和其它营养物有效通过，以促进细胞生长/存活的胶囊。

发明概述

本文描述自全水乳液制备胶囊，比如微米和/或纳米胶囊的方法。所述方法包括混合、合并或使含有第一种溶质的第一带电相与至少含有第二种溶质的任选带电的第二相接触。这些溶质互不相容。两种溶液之间的静电力诱导在连续相形成分散相的液滴。液滴然后固化形成胶囊。

在一些实施方案中，也可用全水电喷射方法产生芯-壳结构的乳液。可将具有锥形喷嘴的圆形毛细管共轴插入另一个锥形直角的(squared)毛细管，形成同向流动的几何形状。两个不混溶的水相分别注入到内外玻璃毛细管中，形成外相包内相(inner phase-in-outer phase)射流。外(壳)相可通过高压电源带电，并迫使复合射流在静电力下通过环形对电极。在射流分散(breakup)时，芯-壳结构的液滴最后落入连续相。乳液芯和壳的相对大小可通过改变两种流体的流速比易于进行调整。

本文描述的胶囊可用于多种应用，比如药物递送(例如小分子、生物分子、细胞等)及活性成分比如蛋白、杀虫剂、除草剂、盐和大分子等的包封。

附图简述

图1显示水性液滴的形成。小图a为以全水电喷射法形成水性液滴，并使液滴通过对电极的示意图。小图b和小图c为共轴射流/液滴的光学图像。

图2为显示作为所施加的DC电压(kV)的函数的富含PEG的液滴直径(微米)的图。

图3显示芯-壳胶囊的形成。小图a为形成水性液滴和葡聚糖壳与PEG芯相分离的示意图。小图b为PEG/葡聚糖芯-壳胶囊的显微照片。

发明详述

I. 定义

“全水乳液”和“含水双相系统(ATPSs) ”可互换使用，并且指的是在水性连续相中含有水性分散相的乳液。

本文使用的“不相容”通常意指两个同类溶质分子之间的结合能低于两个不同类溶质分子之间的结合能。

术语“直径”为本领域公认的，并且本文用于指物理直径或流体动力直径。乳液直径一般指的是流体动力直径。以球形或非球形形状存在的胶囊直径，可指以水合状态存在的物理直径。被包封在胶囊内的粒子、胶体和细胞的直径指的是以水合状态存在的物理直径。本文使用的非球形粒子或非球形胶囊的直径可指粒子表面两点之间的最大直线距离。当涉及多粒子或胶囊时，粒子或胶囊的直径一般指的是粒子或胶囊的平均直径。粒子或胶体的直径可采用多种技术测量，包括但不限于光学或电子显微镜以及动态光散射。

本文使用的术语“生物相容性的”指的是它们本身对宿主(例如动物或人)无毒，也不在宿主以一定速率降解(如果材料降解)，产生毒性浓度的单体或低聚亚基或其它副产物的一种或多种材料。

本文使用的术语“可生物降解的”意指材料降解或分解成其组分亚基，或者例如通过生化过程，材料消化成较小(例如非聚合型)亚基。

术语“微米球”或“微米胶囊”为本领域公认的，并且包括例如自生物相容性的聚合物比如主题组合物形成的，具有约1或大至约1000微米范围内的尺寸的基本上球形固体或半固体结构。术语“微米粒子”也为本领域公认的，并且包括微米球和微米胶囊以及可能不易置于上述两类中任何一类的结构，全部具有平均小于约1000微米的尺寸。微米粒子可为球形或非球形的，并可具有任何规则或不规则的形状。如果结构直径小于约1微米，那么可使用相应的领域公认的术语“纳米球”、“纳米胶囊”和“纳米粒子”。在某些实施方案中，纳米球、纳米胶囊和纳米粒子具有约500 nm、200 nm、100 nm、50 nm、10 nm或1 nm的平均直径。

含有微米粒子或纳米粒子的组合物可包括一定粒度范围的粒子。在某些实施方案中，粒度分布可为均匀的，例如在小于平均体积直径的约20%标准偏差以内，并且在其它的实施方案中，还更均匀，例如在中值体积直径的约10%以内。本文使用的术语“胶囊”指的是例如自生物相容性的聚合物比如主题组合物形成的基本上球形固体或半固体结构。

本文使用的术语“粒子”指的是由附着于其上或附着于其的，或者掺入治疗药物、诊断用药物或预防药物，任选地包括一种或多种聚合物、水凝胶形成材料、脂质体胶束或其它结构材料形成的任何粒子。粒子可为球形或非球形的。粒子可用于例如诊断疾病或病症、治疗疾病或病症、或者预防疾病或病症。胶囊为粒子的一种形式。除非上下文另外指明，本文涉及粒子应理解为包括涉及胶囊。

短语“经肠胃外给予”和“经肠胃外给予”为本领域公认的术语，并且包括除了肠内和局部给予以外的给予模式，比如注射，并且包括但不限于静脉内、肌内、胸膜内、血管内、心包内、动脉内、鞘内、囊内、眶内、心脏内、真皮内、腹膜内、经气管、皮下、表皮下、关节内、被膜下、蛛网膜下、脊柱内和胸骨内注射和输注。

本文使用的术语“表面活性剂”指的是降低液体表面张力的物质。

术语“治疗药物”指的是可被给予以预防或治疗疾病或障碍的物质。实例包括但不限于核酸、核酸类似物、小分子、肽模拟物、蛋白、肽、碳水化合物或糖、脂质、或表面活性剂、或其组合。

术语“治疗”防止在可能易患疾病、障碍和/或病症但是尚未诊断为患有的动物发生疾病、障碍或病症；抑制疾病、障碍或病症，例如阻碍其发展；和缓解疾病、障碍或病症，例如导致疾病、障碍和/或病症的消退。治疗疾病或病症包括改善具体疾病或病症的至少一个症状，即使潜在的病理生理学不受影响，比如通过给予镇痛剂治疗受试者的疼痛，即使这种镇痛剂不治疗疼痛的原因。

短语“药学上可接受的”指的是处于合理的医疗判断范围内，适用于与人和动物的组织接触而没有过度的毒性、刺激、变态反应或者其它问题或并发症，与合理的效益/风险比相称的组合物、聚合物及其它材料和/或剂型。

短语“药学上可接受的载体”指的是参与从一个器官或身体的部分运载或运输任何主题组合物至另一个器官或身体的部分的药学上可接受的材料、组合物或媒介物，比如液体或固体填充剂、稀释剂、溶剂或包封材料。每一种载体在与主题组合物的其它成分相容并且不伤害患者的意义上必须是“可接受的”。

术语“药学上可接受的盐”为本领域公认的，并且包括化合物的相对非毒性的、无机和有机酸加成盐。药学上可接受的盐的实例包括衍生于矿物酸比如盐酸和硫酸的那些，和衍生于有机酸比如乙磺酸、苯磺酸和对甲苯磺酸的那些。用于形成盐的合适无机碱的实例包括氨、钠、锂、钾、钙、镁、铝和锌的氢氧化物、碳酸盐和碳酸氢盐。盐也可用合适的有机碱形成，包括非毒性和足够强以形成这种盐的那些。为了说明的目的，这种有机碱的种类可包括单-、二-和三烷基胺，比如甲胺、二甲胺和三乙胺；单-、二-或三羟基烷基胺比如单-、二-和三乙醇胺；氨基酸比如精氨酸和赖氨酸、胍、N-甲基葡萄糖胺(N-methylglucosamine)、N-甲基葡糖胺(N-methylglucamine)、L-谷氨酰胺、N-甲基哌嗪、吗啉、乙二胺和N-苄基苯乙胺。

术语“治疗有效量”指的是当掺杂和/或掺入本文描述的粒子中时，以适用于任何医疗的合理的效益/风险比产生一些期望的效果的治疗药物的量。有效量可依这种因素比如被治疗的疾病或病症、被给予的具体靶向构建物、受试者的大小或者疾病或病症的严重性而定变化。本领域的普通技术人员可凭经验确定具体化合物的有效量而不需要过度的实验。在一些实施方案中，术语“有效量”指的是减小或减少一种或多种脑的疾病或障碍的症状，比如减小肿瘤大小(例如肿瘤体积)，或者减小或减少神经障碍的一种或多种症状，比如记忆或学习能力缺失、震颤或发抖等的治疗药物或预防药物的量。在还其它的实施方案中，“有效量”指的是修复受损神经元和/或诱导神经元再生需要的治疗药物的量。

术语“掺杂的”和“包封的”指的是把活性剂掺杂、配制或者包含至使得能够在期望的应用中释放比如持续释放这种活性剂的组合物中和/或其上。术语考虑治疗药物或其它材料借以掺杂到聚合物基质中的任何方式，包括例如：连接于这种聚合物的单体(通过共价、离子或其它结合相互作用)、物理混合、把活性剂包封在聚合物包衣层中、和使这种单体为聚合的一部分给出聚合物制剂、分布在整个聚合物基质、附于聚合物基质的表面(通过共价或其它结合相互作用)、包封在聚合物基质内等。术语“共掺杂(co-incorporation)”或“共包封(co-encapsulation)”指的是把治疗药物或其它材料和至少一种其它治疗药物或其它材料掺杂到主题组合物中。

更具体地讲，其中任何治疗药物或其它材料包封于聚合物中的物理形态可随着具体实施方案变化。例如，治疗药物或其它材料可首先包封于微米球中，然后以至少一部分微米球结构得以保持的方式与聚合物合并。或者，治疗药物或其它材料可在聚合物中足够地不混溶，其作为小液滴分散而不是被溶解在聚合物中。

II. 用于产生全水乳液的静电方法

本文描述用于制备全水乳液，包括稳定的乳液和/或具有高粘度和/或超低界面张力的乳液的方法。所述方法包括混合、合并或使含有第一种溶质的第一种带电溶液(例如分散相)与含有第二种溶质的任选带电的第二种溶液(例如连续相)接触。这些溶质互不相容。已经发现两种溶液之间的静电力诱导在连续相形成分散相的液滴。

乳液可用于形成微米和纳米胶囊，比如水凝胶胶囊。在一些实施方案中，通过使第一芯相在含有水凝胶形成材料的第二壳相中同向流动形成共轴射流。迫使射流通过对电极，以使射流分散，并形成芯-壳结构的液滴。通过诱导形成水凝胶使液滴固化形成胶囊。

A. 不相容的溶质

通过把两种不相容的溶质高于相分离的临界浓度溶于水中，形成含水双相系统(ATPSs)。如果焓的减少足以克服与增加的熵有关的能量消耗，则这些不相容的溶质可在水中重新分配并形成不混溶的水相。这通常需要ATPS的各溶质类物质与其本身比与其它类物质更强烈地相互作用，导致相同类物质的溶质的分离和相分离。

本领域已知的多种溶质可用于形成全水乳液。示例性的溶质包括但不限于聚合物，比如聚乙二醇(PEG)、葡聚糖、甲基纤维素、聚乙烯醇(PVA)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、酪蛋白酸盐和藻酸盐；盐类，比如磷酸盐(例如磷酸三钾和磷酸二钠)、枸橼酸盐(例如柠檬酸钠)、硫酸盐(例如硫酸钠)和碳酸盐。在一些实施方案中，一相含有PEG和另一相含有葡聚糖。

溶质的浓度可依溶质的性质而变化。通常，浓度为约3.5 wt%-水中受限制的溶解度。在其中溶质为PEG和葡聚糖的那些实施方案中，PEG的浓度为约3.5 wt%-约20 wt%和葡聚糖的浓度为约3.5 wt%-葡聚糖的溶解度极限。

PEG的重均分子量为约1000道尔顿-约100000道尔顿，优选地为约2000道尔顿-约20000道尔顿，优选地为约2000道尔顿-约10000道尔顿，更优选地为约5000道尔顿-约10000道尔顿。在一些实施方案中，PEG的分子量为约8000道尔顿。

葡聚糖的重均分子量为约40000道尔顿-约1000000道尔顿，优选地为约70000道尔顿-约500000道尔顿。在一些实施方案中，分子量为约500000道尔顿。

B. 治疗药物、预防药物和诊断用药物

一种或多种溶液可含有一种或多种治疗药物、预防药物和/或诊断用药物。在一些实施方案中，形成分散相的溶液含有一种或多种在形成乳液时包封在液滴内的治疗药物、预防药物和/或诊断用药物。一种或多种治疗药物、预防药物和/或诊断用药物可为小分子治疗药物(例如具有小于2000 amu、1500 amu、1000 amu、750 amu或500 amu的分子量的药物)和/或生物分子，比如蛋白、核酸(例如DNA、RNA、siRNA等)、酶等。

在一些实施方案中，所述药物为生物分子，比如蛋白、酶、核酸等。生物分子在有机溶剂存在下可变性。因此，全水乳液提供用于递送这种药物，同时保持所述药物的生物活性的媒介物。

要递送的物质包括治疗、营养、诊断和预防性化合物。蛋白、肽、碳水化合物、多糖、核酸分子和有机分子以及诊断用药物可被递送。要掺杂的优选物质为药物和显像剂。治疗药物包括抗生素、抗病毒药物(尤其是单独或与用于治疗HIV或者乙型或丙型肝炎的核苷联合的蛋白酶抑制剂)、抗寄生虫药(寄生虫、原生动物)、抗癌药(本文称为“化学疗法”，包括细胞毒药物比如多柔比星、环孢霉素、丝裂霉素C、顺铂和卡铂、BCNU、5FU、甲氨蝶呤、阿霉素、喜树碱和紫杉醇)、抗体及其生物活性片段(包括人源化、单链和嵌合抗体)、抗原和疫苗制剂、肽类药物、抗炎药、营养物质比如维生素以及寡核苷酸药物(包括DNA、RNAs、反义的、适配子、核糖酶、核糖核酸酶P的外部引导序列及三链体形成剂)。要递送的特别优选的药物包括抗血管生成剂、抗增殖和化学治疗药物比如雷帕霉素。

示例性的诊断用物质包括顺磁分子、荧光化合物、磁性分子和放射性核素。

基于肽、蛋白和DNA的疫苗可用于对多种疾病或病症诱导免疫力。例如，性传播的疾病和意外怀孕为影响女性健康和福利的世界性问题。在女性生殖道内诱导特异性免疫的有效疫苗可大大降低STDs的风险，而引发抗精子抗体的疫苗起免疫避孕的作用。广泛的研究已经证实，在远端部位-例如经口、鼻或直肠-接种疫苗可在女性生殖道内诱导粘膜免疫。在这些选项中，经口给予由于其潜在的患者依从性、易于给予和适合广泛使用而获得最大兴趣。蛋白口服疫苗接种是可能的，但是通常效率不高或需要很高剂量。DNA口服疫苗接种尽管在较低剂量下可能有效，但是在大多数情况下已经无效，因为‘裸DNA’易受胃肠道中胃的酸度和消化酶两方面影响。

C. 细胞

本文描述的胶囊自水性分散相和水性连续相制备，并且因此不含任何有机溶剂。这种胶囊对于包封细胞是合乎需要的，细胞的活力可受到有机溶剂的不利影响。可将细胞加入到变为芯的相中和/或变为壳的相中。

示例性的细胞类型包括但不限于角质形成细胞、成纤维细胞、韧带细胞、内皮细胞、肺细胞、上皮细胞、平滑肌细胞、心肌细胞、骨骼肌细胞、胰岛细胞、神经细胞、肝细胞、肾细胞、膀胱细胞、泌尿道上皮细胞、干或祖细胞、神经母细胞瘤、软骨细胞、皮肤细胞和成骨细胞。

D. 乳液稳定化

尽管已经用不同方法产生了具有可控和可调结构的全水乳液，但是所有这些乳液都仅是暂时性的稳定，并且往往随后聚结。因此这些乳液的稳定在科学研究和实际应用两方面是有用的。在优选的实施方案中，通过向壳形成相加入水凝胶形成材料，形成芯-壳液滴，并使材料固化形成胶囊来稳定乳液。

1. 全水乳液为模板的材料

通过选择性地使分散相固化，形成水凝胶珠粒或胶囊，可产生稳定化的乳液结构。为了防止液滴聚结，可向乳相加入光致固化单体比如PEGDA或葡聚糖-HEMA，并且快速的光致聚合帮助使乳液在数秒内固化。然而，光致聚合一般产生毒性的自由基，可能危害所包封的种类，尤其是活的种类。为了实现无自由基凝胶化，乳相可通过向乳相中的凝胶前体扩散生物相容性的交联剂来固化。例如，当藻酸钠溶液用作乳相时，乳液可通过引入钙离子而在1分钟内快速固化。所包封种类的渗漏在乳液凝胶化的时间量程内可以忽略。然而，许多生物相容性的凝胶化反应，比如酶诱导的凝胶化，持续数小时至数天，此时所包封种类的渗漏不能忽视。在这种方式中，必须在w/w界面快速形成致密的膜，防止所包封种类的渗漏。

合适的水凝胶形成材料包括但不限于藻酸钙、聚合物比如改性PEGs (例如PEG二丙烯酸酯)、蛋白比如胶原或改性胶原及嵌段共聚物比如PLURONICS®。在一些实施方案中，水凝胶形成材料为生物相容性的。在其它的实施方案中，水凝胶形成材料为生物相容性的和可生物降解的。

2. 水/水界面为模板的材料

在其它的实施方案中，乳液可通过在分散相液滴的表面形成膜或屏障，以防止聚结而得到稳定。粒子或大分子表面活性剂在w/w界面聚集，是乳液不稳定的主要机制。亚微米尺寸的胶乳微球和蛋白粒子能够不可逆地捕集在w/w界面。该特征表明，吸附能大于热激活所施加的动能。由于足够大浓度的蛋白粒子和高w/w界面张力，蛋白粒子成功地使PEG/葡聚糖乳液稳定几周。然而，在剪切流存在下，这些粒子与w/w界面脱离且不能使乳液稳定。加强蛋白粒子间的结合力，可防止由剪切流引起的与界面脱离。

大分子在w/w界面的自组装，提供稳定全水乳液的另一种可能的解决方案。为了形成稳定的乳液，大分子表面活性剂应在w/w界面聚集，并形成致密的膜。表面活性剂在w/w界面聚集受到其与水相中溶解的溶质相互作用的强烈影响。通过观察包封两个不混溶的水相的脂质体形成，证实这种相互作用的存在。在该实例中，自脂质体提取水后，两个水相选择性地接近不同的脂质区域。膜与不相容溶质间的相互作用还在w/w界面保持膜。该假设通过采用共聚物自w/w乳液模板形成囊泡得到证实。在该研究中，PEG-聚已内酯(PCL)和葡聚糖-PCL共聚物分别被加入到富含PEG和富含葡聚糖的相中。在涡旋混合这两相时，两种共聚物在w/w界面自发聚集。更重要的是，可能是由于疏水性相互作用，PCL部分促进形成致密的膜。

E. 制造技术

本领域已知的技术可用于制备本文描述的稳定化的乳液。在一些实施方案中，乳液采用电喷射技术制备。

电喷射为通过静电带电产生非常精细的液体气溶胶的方法。在电喷射中，液体通过喷嘴。通过使液体带电到很高电压产生一缕缕液滴。当被迫带有越来越多的电荷，喷嘴中的带电液体变得不稳定。很快液体达到临界点，此时它可能不再带有更多的电荷，且在喷嘴的尖端它被吹开，成为一团微小的、高度带电的液滴。这些微小的液滴一般直径小于10 μm，并且四处飞散寻找电荷与其自身相反的潜在的表面降落。当液滴四处飞散，它们由于溶剂分子自其表面蒸发而快速收缩。因为电荷很难蒸发，液滴中电荷之间的距离显著减小。如果液滴不能发现在其中及时驱散其电荷的表面，电荷达到临界状态，并且液滴将再次猛烈地吹开。

在本文描述的方法中，电喷射用于使含有第一种溶质的第一种水溶液与含有第二种溶质的第二种水溶液接触，其中这些溶质是不相容的。其中一种溶液变为乳液中的分散相，而另一种变为连续相。分散和连续的水相由空气的中间相分开，防止高电压诱导的带电溶质混合。在一些实施方案中，分散相(例如含有PEG的溶液)用高DC电压带电，并通过空气喷射到含有第二种溶质(例如葡聚糖)的不混溶的水溶液中。分散相与空气之间大的表面张力帮助使射流快速分散成液滴。在增大所施加的电压时观察到下滴至射流转变。在下滴状态中，带电射流在喷嘴的末端立即分散，产生具有少于5%、4%、3%、2%或1%的多分散性的单分散液滴。在射流态中，在泰勒圆锥(Taylor cone)的末端形成多分散的液滴。减小喷嘴尺寸减小射流直径，因此促进在电滴态快速形成液滴。

分散液滴的直径可作为所施加电压的函数变化。例如，通过把电压从4.2 kV增大至5.0 kV，在葡聚糖连续相中分散的PEG-液滴的直径从约800微米变化至约120微米。在这些电压下，液滴为单分散的。进一步增大所施加的电压，得到多分散液滴。

用全水电喷射方法可产生芯-壳结构的乳液。可将具有锥形喷嘴的圆形毛细管共轴插入另一个锥形直角的毛细管，形成同向流动的几何形状。两个不混溶的水相分别注入到内外玻璃毛细管中，形成外相包内相射流。外相可通过高压电源带电，并迫使复合射流在静电力下通过环形对电极。在射流分散时，芯-壳结构的液滴最后落入连续相。乳液芯和壳的相对大小可通过改变两种流体的流速比易于进行调整。例如，把壳(例如富含PEG的相)与芯(例如富含葡聚糖的相)的流速比从4:1调整至1:1至1:5，导致芯的尺寸增大，如由光学成像显示的那样。

通过在全水电喷射法中利用单乳液(single emulsion)的相分离也可产生芯-壳结构的乳液。含有两种或更多种不相容溶质的单相射流经全水电喷射分散成单一乳滴。当单一乳滴进入连续相时，两相之间的渗透压驱使乳液相的凝结。这导致液滴中两种不相容溶质的相分离。在相分离的液滴聚结时，单一乳滴转变成芯-壳结构的乳滴。

通过采用全水乳液为模板，可制备芯-壳结构的胶囊。例如，为了自本文描述的乳液形成水凝胶胶囊，制备含有水凝胶形成材料比如藻酸钠和第一种溶质比如PEG的壳相溶液。然后按照以上描述的相同方法，通过使壳相溶液与含有与第一种溶质不相容的第二种溶质的第二种溶液(例如芯溶液)接触，以形成全水乳液，产生芯-壳结构的液滴。在藻酸钠的情况下，把液滴注入含有钙离子的溶液，比如氯化钙溶液，形成具有相同尺寸和几何特征的乳滴模板的藻酸钙胶囊。

为了形成芯-壳结构的胶囊，通过聚合含有胶体或大分子单体的壳相也可实现壳相的固化。例如，通过作为水凝胶形成材料把基于蛋白的胶体或单体分散至壳相，可形成芯-壳结构的蛋白胶囊。合适的胶体包括但不限于β-乳球蛋白(例如直径在20 nm-1000 nm范围内)、淀粉样蛋白原纤维(例如长度在30-1000 nm)和胶原纤维(例如来自鼠尾的I型胶原)。合适的基于蛋白的单体包括但不限于溶菌酶、白蛋白、胰岛素等。

在一些实施方案中，基于蛋白的胶体和单体可最初分散于含有4 wt%羟丙基甲基纤维素溶液的壳相溶液中。不混溶的水相比如10 wt%葡聚糖用作芯液相，其形成含有羟丙基甲基纤维素溶液的乳液。按照以上描述的相同方法产生芯-壳结构的液滴。把所产生的液滴例如在65-90℃下温育多于24小时，或注入到氯化钠溶液中，形成含有水性芯的蛋白胶囊。

胶囊的直径可以变化。在一些实施方案中，胶囊具有约500 nm-约5 mm，优选地为约100微米-约5 mm的平均直径。直径可通过改变所施加的电场、喷嘴直径和/或流速而变化。

III. 应用

本文描述的微米和/或纳米胶囊可用于本领域已知的包封应用，例如用于体内药物递送、包封用于化妆品应用的活性剂、包封杀虫剂和/或除草剂等。

A. 药物递送

这里描述的乳液可用于向有需要的患者递送一种或多种治疗药物、预防药物和/或诊断用药物和/或细胞。如以上讨论的那样，其中描述的乳液不含有机溶剂，并因此对于包封可能受到存在有机溶剂的不利影响的生物分子(蛋白、核酸等)和/或细胞是合乎需要的。此外，存在带相反电荷的大分子形成的膜提高乳液的稳定性，使其能够制备并在使用前储存一段时间。

乳液可配制成用于多种给予途径。在一些实施方案中，乳液肠内(例如经口)或经肠胃外给予。

本文使用的“经肠胃外给予”意指通过除了经消化道或非侵入性的局部或区域途径以外的任何方法给予。例如，经肠胃外给予可包括经注射和经输注，静脉内、皮内、动脉内、腹膜内、病灶内、颅内、关节内、前列腺内、胸膜内、气管内、玻璃体内、瘤内、肌内、皮下、结膜下、囊泡内、心包内、脐带内给予患者。

乳液可纯净(neat)给予，即不含另外的载体/赋形剂。或者，乳液可与一种或多种载体和/或赋形剂组合制备药用组合物。

载体可为含有例如水、乙醇、一种或多种多元醇(例如甘油、丙二醇和液体聚乙二醇)、油类比如植物油(例如花生油、玉米油、芝麻油等)及其组合的溶剂或分散介质。例如通过使用包衣比如卵磷脂、通过在分散体的情况下保持所需的粒度和/或通过使用表面活性剂，可保持适当的流动性。在许多情况下，优选地包括等渗剂例如糖类或氯化钠。

合适的表面活性剂可为阴离子、阳离子、两性离子或非离子型表面活性剂。合适的阴离子型表面活性剂包括但不限于含有羧酸根、磺酸根和硫酸根离子的那些。阴离子型表面活性剂的实例包括长链烷基磺酸和烷基芳基磺酸的钠、钾、铵盐比如十二烷基苯磺酸钠；磺基琥珀酸二烷基酯钠比如十二烷基苯磺酸钠；磺基琥珀酸二烷基酯钠比如双-(2-乙基硫醇基(thioxyl))-磺基琥珀酸酯钠；和烷基硫酸盐比如月桂基硫酸钠。阳离子型表面活性剂包括但不限于季铵化合物比如苯扎氯铵、苄索氯铵、西曲溴铵、硬脂基二甲基苄基氯化铵、聚氧乙烯和椰油胺。非离子型表面活性剂的实例包括乙二醇单硬脂酸酯、丙二醇肉豆蔻酸酯、甘油单硬脂酸酯、甘油硬脂酸酯、聚甘油-4-油酸酯、脱水山梨糖醇丙烯酸酯、丙烯酸蔗糖酯、PEG-150月桂酸酯、PEG-400单月桂酸酯、聚氧乙烯单月桂酸酯、聚山梨醇酯、聚氧乙烯辛基苯基醚、PEG-1000十六烷基醚、聚氧乙烯十三烷基醚、聚丙二醇丁基醚、泊洛沙姆^®401、硬脂酰单异丙醇酰胺和聚氧乙烯氢化牛脂酰胺。两性离子表面活性剂的实例包括N-十二烷基-β-丙氨酸钠、N-月桂基-β-亚氨基二丙酸钠、肉豆蔻酰两性基乙酸盐(myristoamphoacetate)、月桂基甜菜碱和月桂基磺基甜菜碱。

制剂可含有防腐剂，以防止微生物的生长。合适的防腐剂包括但不限于对羟基苯甲酸酯类、氯丁醇、苯酚、山梨酸和硫汞撒。制剂还可含有抗氧化剂，以防止活性剂的降解。

对于经肠胃外给予，制剂在重新组成时一般地缓冲至pH 3-8。合适的缓冲剂包括但不限于磷酸盐缓冲剂、醋酸盐缓冲剂和枸橼酸盐缓冲剂。

水溶性聚合物通常用于经肠胃外给予的制剂。合适的水溶性聚合物包括但不限于聚乙烯吡咯烷酮、葡聚糖、羧甲基纤维素和聚乙二醇。

肠内制剂采用药学上可接受的载体制备。本文通常使用的“载体”包括但不限于稀释剂、防腐剂、粘合剂、润滑剂、崩解剂、膨胀剂、填充剂、稳定剂及其组合。用于剂型的聚合物包括疏水性或亲水性聚合物及pH依赖性或非依赖性聚合物。优选的疏水性和亲水性聚合物包括但不限于羟丙基甲基纤维素、羟丙基纤维素、羟乙基纤维素、羧甲基纤维素、聚乙二醇、乙基纤维素、微晶纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯和离子交换树脂。

载体还包括包衣组合物的所有组分，其可包括增塑剂、颜料、着色剂、稳定剂和助流剂。制剂可采用一种或多种药学上可接受的赋形剂制备，包括稀释剂、防腐剂、粘合剂、润滑剂、崩解剂、膨胀剂、填充剂、稳定剂及其组合。

延迟释放剂量制剂可如在标准参考文献中描述的那样制备，比如“药用剂型片剂”，Liberman等编辑(纽约, Marcel Dekker, Inc., 1989)、“雷明顿-药剂学的科学与实践”，第20版，利平科特威廉姆斯&威尔金斯(Lippincott Williams & Wilkins)，巴尔的摩(Baltimore)，MD，2000及“药用剂型和药物递送系统”，第6版，Ansel等(Media, PA: 威廉姆斯和威尔金斯(Williams and Wilkins), 1995)。这些参考文献提供了关于用于制备片剂和胶囊剂及片剂、胶囊剂和颗粒剂的延迟释放剂型的赋形剂、材料、设备和方法的信息。这些参考文献提供了关于用于制备片剂和胶囊剂及片剂、胶囊剂和颗粒剂的延迟释放剂型的载体、材料、设备和方法的信息。

稳定剂用于抑制或延缓药物分解反应，包括例如氧化反应。合适的稳定剂包括但不限于抗氧化剂、丁羟甲苯(BHT)、抗坏血酸、其盐和酯；维生素E、生育酚及其盐；亚硫酸盐比如偏亚硫酸氢钠；半胱氨酸及其衍生物；枸橼酸；没食子酸丙酯和丁基化羟基茴香醚(BHA)。

实施例

实施例1: 采用静电效应制备全水乳液

将通过高DC电压带电的分散相8 wt% PEG (Mw=8000)溶液通过空气喷射到其不混溶的水相15 wt%葡聚糖(Mw=500000)溶液中。分散相与空气之间大的表面张力帮助使射流快速分散成液滴(图1, 小图a)。在增大所施加的电压时观察到下滴至射流转变。在下滴状态中，带电射流在喷嘴的末端立即分散，产生具有少于5%的多分散性的单分散液滴(图1, 小图b)。通过把所施加的电场从2.1 kV/cm增大至2.5 kV/cm，所产生的液滴直径从810 μm显著减小至120 μm (图2)。在这种情况下，带正电的喷嘴与带负电的电极环之间的距离为2 cm，和喷嘴直径为40微米。进一步增大电场强度导致具有更小尺寸的多分散液滴。减小喷嘴尺寸可产生具有更小尺寸的单分散液滴。例如当喷嘴尺寸减小至20 μm时，产生具有小于50 μm直径的均匀液滴。

实施例2: 采用静电效应制备芯-壳全水乳液

把两个不混溶的水相10%葡聚糖(Mw=500000)和8 wt% PEG (Mw=8000)溶液分别注入到内外玻璃毛细管中，形成PEG包葡聚糖的射流(图1, 小图a)。富含PEG的相通过高压电源带电，并迫使复合射流在静电力下通过环形对电极。在射流分散时，芯-壳结构的液滴落入葡聚糖溶液连续相中或固体基体的表面上(图1, 小图c)。芯的直径通过改变富含PEG (壳)和富含葡聚糖(芯)相的流速比来改变。当流速比从4:1变为1:1至1:5，芯的直径增大。

芯-壳结构的胶囊可通过采用全水乳液为模板进行制备。例如，为了自以上乳液形成藻酸钙水凝胶胶囊，把1 wt%-4 wt%藻酸钠溶解于8% PEG作为壳液相。然后按照以上描述的相同方法产生芯-壳结构的液滴。把液滴注入2 wt-8 wt%氯化钙溶液，形成与乳滴模板具有相同尺寸和几何特征的藻酸钙胶囊。

基于蛋白的胶体和单体可最初分散于含有4 wt%羟丙基甲基纤维素溶液的壳相溶液中。不混溶的水相比如10 wt%葡聚糖用作芯液相，其形成含有羟丙基甲基纤维素溶液的乳液。按照以上描述的相同方法产生芯-壳结构的液滴。把所产生的液滴例如在65-90℃下温育多于24小时，或注入到氯化钠溶液中，形成含有水性芯的蛋白胶囊。

实施例3: 采用静电效应制备芯-壳全水乳液

把溶解有5%葡聚糖(Mw=500000)和1% PEG (Mw=20000)的单相溶液注入玻璃毛细管中。该溶液通过高压电源带电，并迫使复合射流在静电力下通过环形对电极。在射流分散时，单一乳滴落入连续相8% PEG (Mw=8000)。由于两相之间的渗透压，自液滴相逐渐提取水。液滴凝结导致在液滴内的相分离，产生富含葡聚糖的壳和富含PEG的液态芯(图3)。芯的直径通过改变分散相中PEG和葡聚糖的浓度而改变。当葡聚糖和PEG的浓度比从4:1变为10:1，壳和芯相的体积比相应地降低。

通过采用全水乳液为模板可制备芯-壳结构的胶囊。例如，把1 mg/ml-5 mg/ml I型胶原溶解于5%葡聚糖和1% PEG的单相溶液中。在形成芯-壳结构的乳液后，胶原积聚到富含葡聚糖的壳中。随后通过在37-60℃下加热8-24小时，或用2%戊二醛化学交联2小时固化胶原，可导致形成芯-壳结构的胶囊。

除非另外定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与所公开的发明所属领域技术人员通常理解的相同含义。本文引用的出版物和它们所引用的材料通过参考具体结合。

本领域的技术人员将认识到，或者仅仅采用常规实验就能够确定，本文所描述发明的具体实施方案的许多等同方案。这种等同方案打算由以下权利要求包括在内。

Claims (20)

1. 一种制备包含芯和壳的胶囊的方法，所述方法包括(a)形成共轴射流，所述射流包含含有第一种溶质的带电水性芯相与含有壳形成材料和与第一种溶质不相容的第二种溶质的任选带电的水性壳相；(b)使射流分散，形成芯-壳结构的液滴；和(c)使液滴固化，形成胶囊。

2. 权利要求1的方法，其中所述液滴通过迫使共轴射流通过对电极形成。

3. 权利要求1的方法，其中所述第一和第二种溶质选自聚乙二醇(PEG)、葡聚糖、甲基纤维素、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、

磷酸三钾、柠檬酸钠、硫酸钠和磷酸二钠。

4. 权利要求3的方法，其中所述第一种溶质为PEG和所述第二种溶质为葡聚糖。

5. 权利要求4的方法，其中PEG的分子量为约8000-20000道尔顿，和PEG的浓度为8%，和所述葡聚糖的分子量为约500000道尔顿，和所述葡聚糖的浓度为约5-15%。

6. 权利要求1的方法，其中所述第一种溶液和/或所述第二种溶液还含有一种或多种包封在分散相的液滴中的治疗药物、预防药物和/或诊断用药物。

7. 权利要求1的方法，其中所述第一种溶液和/或所述第二种溶液还含有包封在分散相的液滴中的细胞。

8. 权利要求1的方法，其中所述壳相还包含水凝胶或水凝胶形成材料。

9. 权利要求8的方法，其中所述水凝胶或水凝胶形成材料为藻酸钠。

10. 权利要求9的方法，其中所述液滴通过加入钙离子固化。

11. 包含芯和壳的胶囊，所述胶囊通过任何一种权利要求1的方法制备。

12. 权利要求11的胶囊，其中所述芯为液体。

13. 权利要求11的胶囊，其中所述壳为固体或半固体。

14. 权利要求11的胶囊，其中所述胶囊的平均直径为约500 nm-约5 mm，优选地为100微米-5 mm。

15. 一种用于给予有需要的患者一种或多种治疗药物、预防药物和/或诊断用药物的方法，所述方法包括给予权利要求11的胶囊。

16. 权利要求15的方法，其中所述药物为生物分子、小分子或其组合。

17. 权利要求15的方法，其中所述乳液经口给予。

18. 权利要求15的方法，其中所述乳液经肠胃外给予。

19. 一种用于给予有需要的患者细胞的方法，所述方法包括给予权利要求11的乳液。

20. 权利要求19的方法，其中所述乳液经肠胃外给予。