CN106140038B - 制备聚合物微粒的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了制备聚合物微粒的方法和装置。本发明实施例涉及一种方法，该方法包括将含有聚合物的液体和对所述液体惰性的气体分别从喷嘴的第一喷孔和第二喷孔喷入空气中，形成雾状液珠，以及用温度在‑10℃到80℃的范围的收集介质来收集所述液珠。所述收集介质包括水、醇或其任意组合。本发明实施例还涉及一种用来实施所述方法的系统。

Description

制备聚合物微粒的方法和装置
技术领域
本发明实施例涉及一种制备聚合物微球的方法和系统。
背景技术
生物分子制药过程中最为关键的步骤将“目标蛋白”，即药物中的活性成分与其他物质分离。这一分离步骤通常是利用色谱技术以合适的分离介质实现的。在色谱技术中最为常用的分离介质是聚合物微球，如多糖微球。
在传统的方法中，多糖微球是通过乳化法生产的，在该方法中，将多糖的水溶液倒入装有疏水性溶剂的搅拌槽中。由于该多糖溶液与疏水性溶剂互不相溶，通过搅拌可使两种液体变为乳液，其中多糖水溶液以液滴形式悬浮于疏水性溶剂中。往其中加入一种可溶于所述疏水性溶剂的油包水乳化剂可以稳定所述液滴，使其不会聚合形成更大的液滴。然后冷却所述乳液，使得所述液滴胶化形成多糖微球。由于所述乳化法使用了大量对环境有害的化学溶剂，例如甲苯，需要通过强力的洗涤步骤来洗脱所述多糖微球内的溶剂，使其满足下游应用的需求。
由于该产业面临越来越严苛的环境要求，所以目前需要一种更加环保的制备微球的方法。
发明内容
一方面，一种方法包括将含有聚合物的液体和对所述液体惰性的气体分别从喷嘴的第一和第二喷孔喷入空气中，形成雾状液珠，以及用温度在-10℃到80℃的范围的收集介质来收集所述液珠。所述收集介质包括水、醇或其任意组合。
另一方面，一种系统包括喷嘴，设置来将含有聚合物的液体和对所述液体惰性的气体分别从其第一和第二喷孔喷出，以形成雾状液珠。该系统还包括设置来将所述液体注入所述喷嘴的第一喷孔的液体输送装置、设置来将所述气体注入所述喷嘴的第二喷孔的气体输送装置、以及装有用来收集所述液珠的收集介质的收集单元。其中，所述收集介质包括水、醇或其任意组合。
附图说明
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，在附图中，相同的元件标号在全部附图中用于表示相同的部件，其中：
图1显示了根据本发明的一个实施方式的使用外混式两相喷嘴来制备聚合物微球的一种示例性系统的示意图。
图2显示了一种示例性的内混式两相喷嘴的示意图。
图3显示了一种单液或液压喷嘴的示意图。
图4A和4B显示了通过显微镜分别以两种不同的放大倍数观察到的本发明的一个实例中获得的琼脂糖微球样品的颗粒图像。
图5显示了所述琼脂糖微球样品和一份买来的琼脂糖微球产品各自的颗粒尺寸分布曲线。
图6显示了所述琼脂糖微球样品和所述买来的琼脂糖微球产品各自的柱的性能评估曲线。
具体实施方式
以下将对本发明的具体实施方式进行详细描述。除有定义外，本文中所用的技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。本文所用的术语“一”或“一个”不表示数量的限定，而是表示存在至少一个的相关项目。术语“或”、“或者”并不意味着排他，而是指存在提及项目(例如成分)中的至少一个，并且包括提及项目的组合可以存在的情况。本申请中使用的“包括”、“包含”、“具有”、或“含有”以及类似的词语是指除了列于其后的项目及其等同物外，其他的项目也可在范围以内。
本申请中的近似用语用来修饰数量，表示本发明并不限定于所述具体数量，还包括与所述数量接近的、可接受的、不会导致相关基本功能的改变的修正的部分。相应的，用“大约”、“约”、“左右”等修饰一个数值，意为本发明不限于所述精确数值。除此之外，当使用“大约某一值到另一值”的表达时，所述大约意图同时修饰两个值。在某些实施例中，近似用语可能对应于测量数值的仪器的精度。本发明中的数值范围可以合并及/或互换，除非另行清楚说明，数值范围包括其所涵盖的所有数值的子范围。
本发明的实施例涉及一种制备聚合物微球的对环境友好的方法和系统。在该方法和系统中，用两相喷嘴分别将含有聚合物的液体和基本对该液体惰性的气体从其第一和第二喷孔喷入空气中形成雾状液珠，再用一种包括水、醇、或其任意组合的收集介质来收集所述液珠。本方法和系统采用的收集介质不含有害溶剂，所述方法和系统对环境是友好的。而且由于不再需要强力洗涤步骤来去除溶剂，可以简化步骤并节约成本。此外，通过调整所述系统的参数，利用本方法和系统可以获得颗粒尺寸分布较窄的微球。其中，对该液体惰性的气体是指在所述制备聚合物微球的过程中，即在所述液体和气体从喷嘴喷出到形成微球的过程中不与所述液体发生化学反应的气体。
图1显示了一种用来制备聚合物微球，例如多糖微球的一个示例性系统100。所述系统100包括两相喷嘴110，其具有第一喷孔111和第二喷孔112，设置来将含有聚合物的液体和基本对该液体惰性的气体分别从第一喷孔111和第二喷孔112喷出。所述来自第一喷孔111的液体和第二喷孔112的气体相互作用，使得所述液体雾化形成雾状液珠120。所述系统100还包括装有收集介质131的收集单元130，用于收集所述雾状液珠120。所述收集介质131包括水、醇或其任意组合，比如，其可以是水、一种醇、水和一种醇的混合物、多种醇的混合物、水和多种醇的混合物。各种满足环保要求的醇类都可以使用。可用的醇类的例子包括但不限于甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇及其组合。还有液体输送装置140和气体输送装置150，分别设置来为所述喷嘴110的第一喷孔111注入所述含有聚合物的液体以及为所述喷嘴110的第二喷孔112注入所述气体。
所述喷嘴110的第一喷孔111和第二喷孔112与所述收集单元130中收集介质131的收集界面132分隔开，并且在所述第一和第二喷孔111、112与所述收集界面132之间有一定的空气间隔160(距离D)。所述液体和气体的相互作用和所述液体的雾化过程在所述空气间隔160中发生。在一些实施例中，所述空气间隔160的设置使得至少部分液珠能在其中固化，即在进入所述收集介质131之前凝固成微球。在一些具体的实施例中，所述喷孔111、112与所述收集界面132之间的距离不小于2厘米，或进一步地，不小于5厘米，或者再进一步地，不小于10厘米，具体取决于系统100的尺寸。特别的，所述喷孔111、112与所述收集界面132之间的距离不小于25厘米。
本文中的“两相喷嘴”，有时也被称为“双流体喷嘴”，是指通过引起液体和气体的相互作用来让该液体雾化的喷嘴。根据所述液体和所述气流的混合点相对于喷嘴表面的位置，两相喷嘴可分为内混式喷嘴和外混式喷嘴，这两种喷嘴均适合本申请中的系统。图1所示喷嘴110为外混式喷嘴，其液体和气体的相互作用发生在一个位于喷嘴110外的混合点，分别注入其第一喷孔111和第二喷孔112的液体和气体在离开喷嘴110之前并不发生相互作用。在其他实施例中，该外混式喷嘴110也可以用内混式喷嘴代替。图2显示了一种示例性的内混式喷嘴210，其液体和气体的相互作用发生在一个位于喷嘴210内的混合点，分别注入其第一喷孔211和第二喷孔212的液体和气体在离开喷嘴210之前发生相互作用来雾化所述液体。由于喷嘴内的混合点的环境更加可控，内混式喷嘴可提供比外混式喷嘴更好的雾化环境，可能对所述液体的微粉化更有利。
除了混合点相对于喷嘴表面的位置不同之外，所述喷嘴110和喷嘴210具有大致相同的配置和结构。下文将以喷嘴110为例对其结构进行详细描述。所述喷嘴110包括第一通道113和第二通道114。所述第一通道113与第一喷孔111流体连通，从而使得来自液体输送装置140的液体流入第一喷孔111。所述第二通道114与第二喷孔112流体连通，从而使得来自气体输送装置150的气体流入第二喷孔112。在图示的实施例中，所述第二通道144是环绕所述第一通道113的一个环形通道，并且所述第二喷孔112是环绕所述第一喷孔111的环形开口。
前述喷嘴110和210是用于进行示例性的说明，而不应对喷嘴的结构形状等构成限制。无论是外混式喷嘴还是内混式喷嘴都还有很多其他的结构和形状，各种形状的喷嘴，只要其能让液体和气体相互作用来雾化该液体，都可适用于本发明的系统。
所述两相喷嘴让所述液体和气体可彼此独立地被注入和喷出，因此可以通过调节所述液体和气体中的至少一个的注入或输送条件来调节和控制所获得的微球的尺寸。比如，可通过调节所述液体和气体的流量比来控制所获得的微球的尺寸。与如图3所示的一种利用液体动能使该液体破裂成为液滴的单液或液压喷嘴相比，所述两相喷嘴在控制微球尺寸方面具有明显的优势，使得微球的尺寸更加可控。因此，通过本文描述的系统可以获得尺寸更小的微球，且微球的尺寸更加可控。此外，通过所述两相喷嘴，所述液体和气体可在较低的压力下进行注入和输送。
所述系统100还可进一步包括控制装置170，设置来调节和控制将所述液体和气体注入所述喷嘴110的条件，使得所述液体和气体可分别在不同的条件下注入喷嘴110中。可调节的条件包括但不限于压力、温度、流量及其组合。在一个实例中，所述控制装置170使得所述液体和气体的质量流量比可在预定的范围调节，比如，可在约0.1到10之间的范围调节。
所述系统100可进一步包括热耦合到所述液体输送装置140和所述喷嘴110中的至少一个上的加热装置或热绝缘装置(未图示)或两者的组合。在一些实施例中，所述液体输送装置140与一热夹套耦合，该热夹套设置来保持液体输送装置140内输送的液体的温度。在一些实施例中，所述喷嘴110与一热夹套耦合，该热夹套设置来保持喷嘴110内的液体和气体的温度。此外，所述系统还可包括分散装置190，设置来让所述收集介质131在所述收集单元130中流动或分散。所述分散装置190可以是任何设置来搅动所述收集介质131或使所述收集介质131鼓泡、流动或以其它方式移动的装置，具体例子包括但不限于用来搅动收集介质131的搅拌器、用来使收集介质131在收集单元130中鼓泡的装置、用来让收集介质131流动的泵、或它们的任意组合。
在使用时，含有聚合物的液体，比如，聚合物的水溶液、以及基本对所述液体惰性的气体被分别注入所述第一和第二通道113和114，然后分别从所述第一和第二喷孔111和112中被喷出到空气间隔160中形成雾状液珠。所述液珠用所述收集单元130中的收集介质131进行收集，其中所述收集介质131被保持在约-10℃到80℃的温度范围，或进一步地，在约0℃到50℃的温度范围。所述液珠可在所述空气间隔160中冷却，并且在一些实施例中，所述液珠还可进一步在所述收集介质131中冷却，以形成固态微球。在一些实施例中，所获得的微球的直径在20微米到500微米的范围内。这些液珠和微球的圆度和强度足以使其在所述收集和冷却的过程中保持结构完整性，即便是当所述收集介质131包括水或不疏水的醇的情况下，仍能保持其结构完整性。
所述注入到第一喷孔11的液体可通过虹吸作用、液压动力或通过加压气体来进行驱动，其中所述用来驱动的加压气体可以与所述注入到第二喷孔112的气体前相同或不同。在一些实施例中，所述液体是在约65℃到100℃的温度范围内，或进一步地，在约75℃到85℃的温度范围内的一个温度下被注入所述喷嘴110的第一通道113中。在一些实施例中，所述气体是在约0℃到60℃的温度范围内，或进一步地，在约20℃到50℃的温度范围内的一个温度下被注入所述喷嘴110的第二通道114中。在一些实施例中，所述液体与所述气体的质量流量比被控制在所需范围内，比如，在约0.1到10的范围内，以获得颗粒尺寸分布较好的聚合物微球。在一些实施例中，可搅动所述收集单元130内的收集介质131或者使其流动，来防止液珠或微球聚集。
本发明的系统和方法适用于很多聚合物，尤其适用于多糖类，包括但不限于琼脂糖(agarose)、葡聚糖(dextran)、纤维素(cellulose)、甲壳素(chitosan)、淀粉(starch)及其任意组合。以下将以制备琼脂糖微球的实例来举例论证本发明的方法，但该实例不应限制本发明的保护范围。
实例
在本实例中，以琼脂糖粉末(购自西班牙BioWest公司)作为制备液体的原料，以乙醇(购自国药集团化学试剂有限公司)作为收集介质。以分液器(购自美国BioDot公司，型号：Biodot AirJet Quanti 3000)作为两相喷嘴来雾化所述琼脂糖的溶液以获得雾状液珠。以蠕动泵(购自保定兰格恒流泵有限公司)作为液体输送装置，来将所述琼脂糖溶液注入喷嘴的第一喷孔。以10L/min规模的气流控制器(购自北京七星华创电子股份有限公司，型号：CS 100)作为气体输送装置，来将气体注入喷嘴的第二喷孔。
将16g琼脂糖粉末其加入384ml水中，得到400ml质量百分比浓度为4％的琼脂糖溶液。用微波炉加热所述琼脂糖溶液约5分钟，得到均匀的溶液。然后，将所述均匀的琼脂糖溶液倒入一个置于约90℃的水浴中的容量约为250ml的烧杯中。利用所述蠕动泵以3L/min的流量将所述均匀的琼脂糖溶液从所述烧杯输送至所述喷嘴，并且保持该琼脂糖溶液的温度在约75℃至85℃的范围。将一股空气以4.3L/min的流量注入所述喷嘴。用一个装有800ml温度约为4℃的体积百分比浓度约为95％的乙醇溶液的容器，来收集所述喷嘴产生的琼脂糖溶液液滴，并对其进行冷却，在该过程中以200-300rpm的搅拌速度对收集介质，即乙醇溶液进行搅拌。然后用离心机将所述容器内形成的琼脂糖微球收集起来，并将其保存于冰箱中，用于后续评估或研究。
利用显微镜对所述琼脂糖微球的颗粒圆整度进行测量。图4A和4B分别显示了在20倍和400倍的放大倍数下用显微镜观察所述琼脂糖微球得到的图像。可以看出，所述琼脂糖微球具有良好的颗粒圆整度。
在本实例中，还通过实验对所述琼脂糖微球的颗粒大小分布进行研究。利用贝克曼库尔特(Beckman Coulter)公司的粒度分析仪分别对本实例中获得的琼脂糖微球(样品)和一份用乳化法制得的商用琼脂糖微球(商用产品)的颗粒尺寸分布进行测量，获得的具体颗粒尺寸分布信息如下表1所示，颗粒尺寸分布曲线如图5所示。
表1：具体颗粒尺寸分布信息
所述表1和图5中的D值，例如D10、D50和D90，是用来表征颗粒尺寸分布的重要参数。D10是累计粒度分布百分数达到10％时所对应的粒径，其物理意义是粒径小于它的的颗粒占10％。类似地，D50是粒度分布百分数达到50％时所对应的粒径，也称中值直径或者颗粒尺寸分布的中值。D90是粒度分布百分数达到90％时所对应的粒径。例如，如果D10＝32.46μm，那么所述样品中10％的颗粒小于32.46μm，如果D90＝114.3μm，那么所述样品中90％的颗粒小于114.3μm。
由此可知，本实例中获得的所述琼脂糖微球具有良好的颗粒尺寸分布，优于用乳化法制得的所述商用琼脂糖微球的颗粒尺寸分布。
此外，还通过实验对本实例中获得的琼脂糖微球的分离性能进行研究。使用色谱分析仪(来自通用电气公司，型号：AKTA Avant 150)分别对所述样品和所述商用产品的分离性能进行分析。所述分析在如下条件下进行：
缓冲液：0.05M磷酸盐，0.15M氯化钠(NaCl)，pH＝7.2；
平衡液：2管柱体积(Column Volume，CV)
洗脱液：3CV
流量：0.3mL/min
样品或商用产品体积：100μL(通过200μL样品环注射)
所获得的用来评估分离性能的数据如下表2所示。管柱性能评估曲线如图5所示。其中，理论塔板数N是一个用来确定液相色谱柱性能的指标，塔板数值高的管柱相较于塔板数值较低的管柱具有更高的性能(例如：更高的柱效率)。V0是柱体空隙体积。Kav表示给定的分子的洗脱体积和管柱的可用总体积之间的比例，定义其为(Ve-V0)/(Vt-V0)，其中Ve是洗脱体积，V0是空隙体积，Vt是管柱总体积，Kav值总在0到1之间。
表2：微球的分离性能
可见，当放入玻璃空柱中用来基于体积排阻进行分离时，本实例中获得的琼脂糖微球与乳化法获得的商用琼脂糖微球产品具有相似的分离性能。
虽然结合特定的实施例对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (14)

1.一种方法，其特征在于，其包括：
将含有聚合物的液体和对所述液体惰性的气体分别从喷嘴的第一和第二喷孔喷出，使得所述含有聚合物的液体雾化形成雾状液珠；以及用温度在-10℃到80℃的范围的收集介质来收集所述液珠，所述收集介质包括水、醇或其任意组合，
其中，在所述雾化步骤和所述收集步骤之间没有用来去除溶剂的洗涤步骤。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述收集介质的收集界面与所述第一和第二喷孔之间有一定空气间隔，所述液珠在所述空气间隔或所述收集介质的至少一个中凝固成微球。
3.如权利要求2所述的方法，其中，至少部分所述液珠在所述空气间隔中凝固成微球。
4.如权利要求2所述的方法，其中，至少部分所述液珠在所述收集介质中凝固成微球。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述含有聚合物的液体为所述聚合物的水溶液。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述聚合物包括多聚糖。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述多聚糖包括琼脂糖、葡聚糖、纤维素、甲壳素、淀粉或其任意组合。
8.如权利要求1所述的方法，其进一步包括在65℃到100℃的温度范围将所述液体注入所述喷嘴。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述液体和气体在不同条件下被注入所述喷嘴，所述条件包括压力、温度、流量、或其任意组合。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述液体与所述气体的质量流量比在0.1到10的范围内。
11.如权利要求1所述的方法，其进一步包括搅拌所述收集介质或使得所述收集介质流动。
12.一种系统，其特征在于，其包括：
喷嘴，设置来将含有聚合物的液体和对所述液体惰性的气体分别从其第一和第二喷孔喷出，以将所述含有聚合物的液体雾化形成雾状液珠；
液体输送装置，设置来将所述液体注入所述喷嘴的第一喷孔；
气体输送装置，设置来将所述气体注入所述喷嘴的第二喷孔；以及
收集单元，其装有用来收集所述液珠的收集介质，所述收集介质包括水、醇或其任意组合，
其中，在所述第一和第二喷孔与所述收集介质之间没有用来去除溶剂的洗涤装置。
13.如权利要求12所述的系统，其中，所述第一喷孔和第二喷孔与所述收集介质的收集界面之间的距离不小于5厘米。
14.如权利要求12所述的系统，其进一步包括控制装置，设置来让所述液体和气体可在不同条件下被注入所述喷嘴，所述条件包括压力、温度、流量、或其任意组合。
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