CN1494455A - 形成微米和亚微米颗粒的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种通过气体抗溶解再结晶方法形成微米和亚微米颗粒的装置，其包括颗粒形成容器(22)及将物质溶液和超临界流体引入到该颗粒形成容器(22)中的手段，其中所述的手段包括喷嘴(27)，其具有用于传输溶液液流的中心出口(39)和用于传输纯的或混合有一调节剂的超临界流体液流的多个外侧出口(41)，因而利用超临界流体溶剂从溶液中被提取出来，并产生微米和亚微米颗粒的沉淀。而且描述了采用该装置的一种工艺。

Description

形成微米和亚微米颗粒的装置及其方法

技术领域

本发明涉及通过流体抗溶解沉淀作用(antisolvent precipitation)形成非常细的化合物颗粒的装置及方法。更具体地但不仅限于此地，本发明涉及一种形成例如药用的微小的蛋白质颗粒的方法。

背景技术

许多行业对生产用于不同应用的微米和亚微米颗粒具有兴趣。在药物领域，对生产微米和亚微米颗粒的装置及方法的需求尤其明显。

在药物学中采用细的粉末状的药物有几个原因，例如改善生物利用率的需要或如鼻用的、眼用的、注射用的和改良释放(release)的特殊药物类型的要求等等。

传统的减小颗粒尺寸的方法，例如研磨、碾磨、喷雾干燥和冷冻干燥，具有许多缺点，特别是对于生物活性原则来说。例如在冷冻干燥的最初阶段，药物蛋白质、缓冲生物和其它组分趋向于浓缩从而导致pH值和离子强度变化；这可能造成蛋白质变性。对于喷雾干燥来说，这种方法的主要限制是固有的高成本、热降解以及低产量和高残余水汽造成的低效率。

在最近的十年里，不同的工艺被提出来用于通过超临界流体(supercritical fluid)技术形成微米和亚微米颗粒，例如超临界溶液快速膨胀法(Rapid Expansion of Supercritical Solutions，RESS)、气体抗溶解再结晶法(GasAnti-Solvent recrystallization，GAS)、利用超临界溶液的溶液增强分散法(Solution Enhanced Dispersion by Supercritical Solution，SEDS)及PGSS方法。

因为可以获得直径小于1微米的均匀的颗粒，这些方法受到了大量的关注。除了这些工艺可以非常好地控制粉末的尺寸和形态之外，化合物避免了机械的和热的冲击，并且所得到的粉末不含任何溶剂。

两种通过超临界流体获得微小颗粒的工艺受到了高度的重视：超临界溶液快速膨胀法(RESS)(参见Tom，J.W.，Debenedetti，P.G.，“The formation ofbioerodible polymeric microsphere and micro particles by rapid expansion ofsupercritical solutions”BioTechnol.Prog.1991，7，403-411.)和气体抗溶解再结晶法(GAS)(参见Gallagher，P.M.，Coffey，M.P.，Krukonis，V.J.，Klasutis，N.，Am.Chem.Symp.Ser.，1989，No.406).

在超临界溶液快速膨胀法(RESS)中，所用的物质被溶解在超临界流体中并且该溶液通过喷嘴被喷射到一颗粒形成容器中：超临界溶液的快速膨胀使得溶质沉淀。在某些应用中，添加亚临界(subcritical)溶剂调节剂到超临界流体中是可能的。

这种技术的一个缺点是即使使用调节剂，也只有几种化合物可以充分溶解在超临界流体中。此外，通过喷嘴超临界溶液的快速膨胀造成超临界流体的凝结和喷嘴的堵塞。

在气体抗溶解再结晶法(GAS)中，所用的溶质被溶解在一与超临界流体互溶的液体溶剂中，而该溶质不能溶解在超临界流体中。

该溶液通过喷嘴被喷射到一通过超临界流体被加压了的颗粒形成容器之中。溶液和超临界流体之间的快速和精细的接触使得在超临界流体中溶剂从溶液中分离出来，并且导致溶质作为微小颗粒沉淀出来。采用调节剂增加液体溶剂在超临界流体中的溶解度是可能的。气体抗溶解再结晶法(GAS)克服了超临界溶液快速膨胀法(RESS)的缺点并且可以对工艺参数进行更好的控制。

气体抗溶解再结晶法(GAS)的关键步骤是溶液与超临界流体的混合：为了获得精细的和快速的混合，要求溶液以小液滴的方式分散到超临界流体中。不同的装置已经被提出用来注射溶液和超临界流体到颗粒形成容器中以获得好的混合。

最早采用的是直径在0.1mm至0.2mm之间的简单的毛细管喷嘴(参见Dixon，D.J.and Johnston，K.P.，Formation of microporous polymer fibers andoriented fibrils by precipitation with a compressed fluid antisolvent，J.App.Polymer Sci.，50，1929-1942，1993)。

这种装置表现出沿它的长度的高的压力下降，造成在毛细管出口处压力转化为动能的效果差。

Debenedetti P.G.、Lim G.B.和Prud’Homme R.K.(参见美国专利006063910，2000年5月16日)采用气体抗溶解再结晶法(GAS)来形成蛋白质微小颗粒。在这个例子中，蛋白质溶液通过具有直径20微米、长240微米的激光钻孔的铂圆盘被喷射到含有通过其它入口注入的超临界流体的颗粒形成容器中。该经过激光钻孔的铂圆盘具有3mm的外径，0.24mm的厚度，喷嘴的直径为20微米。这种技术已被用于以二氧化碳为超临界流体，从乙醇/水(9∶1v/v)溶液中形成过氧化氢酶(catalase)和胰岛素(0.01％w/v)。这些实验是在8.8MPa和35℃的条件下进行的；超临界流体的流速为大约36克/分钟，而溶液的流速为大约0.35立方厘米/分钟。

与毛细管喷嘴相比，激光钻孔圆盘带来了一个主要优势：喷嘴的长度和直径之比使得压力下降最小并且能量压力几乎全部转化为动能；以这种方式，可以获得非常高的溶液流速和非常小的液滴。

在这种方法中，超临界流体的入口未被优化：溶液注入发生在几乎静态的超临界流体气氛下，具有低的涡流。

Subramaniam B.、Saim S.、Rajewskj R.A.和Stella V.(参见Methods forparticle micronization and nanonization by recrystallization from organicsolutions sprayed into a compressed antisolvent，美国专利5874029，1999年2月23日)公开了使用一种商业化的同轴的收敛-发散(convergent-divergent)喷嘴来将溶液注入到颗粒形成容器中。该喷嘴具有一用于气体膨胀的收敛-发散通路和一内部的同轴的毛细管。通过毛细管注入的溶液被膨胀气体赋予能量。在收敛-发散喷嘴中膨胀的气体可以达到超音速的速度。

在喷嘴中由亚音速到超音速的转变导致形成马赫(Mach)圆盘，其促进了溶液的分散及溶液与超临界流体之间的混合。Subramaniam等人提出以如氦气的惰性气体或超临界流体作为赋能气体(energizing gas)。在引述的例子中，作者采用超临界流体作为赋能气体。

虽然为了达到超音速的速度需要非常高的赋能气体压降，大约40MPa，但是该些发明人在较温和的条件下操作，其采用了大约40巴即4Mpa的压降，因此他们未能达到超音速的速度。尽管如此，他们声称与传统的气体抗溶解再结晶法(GAS)相比获得了显著的改善。

实验上，他们再结晶了氢化可的松(hydrocortisone)和喜树碱(camptothecin)，获得了0.5μm～1μm纳米颗粒范围的粉末。

这种技术的一个优点是为了获得非常细小的液滴，超临界流体改善了溶液的喷射；另一个优点是在喷嘴的出口处的一个非常小的区域，溶液和超临界流体发生精细的混合。

这种技术的缺点是在进入到颗粒形成容器之前溶液和超临界流体发生混合：这种情况导致在流体进入颗粒形成容器之前就形成颗粒因而造成喷嘴堵塞。

Hanna M.和York P.(参见国际专利96/00610，1996年1月11日)提出一种新方法和一种新装置来通过称为利用超临界溶液的溶液增强分散法(SEDS)的超临界流体技术获得非常小的颗粒。

这种工艺基于一种新的同轴喷嘴：溶液通过直径0.25mm的内部毛细管膨胀；超临界流体通过具有逐渐变细的锥形末端的外部同轴通路膨胀；在末端处锥形区域的直径为大约0.2mm。超临界流体与溶液之间的混合发生在该锥形区域。他们还提出使用三通路喷嘴：在所增加的通路中可以添加调节剂以改善混合。他们采用利用超临界溶液的溶液增强分散法(SEDS)来沉淀水溶性化合物的小颗粒，即例如乳糖、麦芽糖、海藻糖(trehalose)和蔗糖的糖类以及例如R-TEMβ型内酯酶(R-TEM beta-lactamase)的蛋白质。

例如甲醇或乙醇的调节剂与溶液一起或通过一个不同的入口被引入到颗粒形成容器中。

这种喷嘴可以很好地和精细地混合超临界流体和溶液：超临界流体和溶液的最初接触发生在锥形末端，两种流体从喷嘴出口高速喷出，超临界流体赋予液体溶液能量使其在颗粒形成容器中分散成小液滴。

这种技术的缺点为在进入颗粒形成容器之前超临界流体与溶液之间接触；粉末的沉淀可能发生在喷嘴中并且最终导致喷嘴堵塞。

在喷嘴出口处的超临界流体的速度因喷嘴的直径很大而受到限制。

发明内容

名词“超临界流体”意指一处于或超过临界压力和温度的流体。

名词“溶剂”意指一液体，其能够与物质形成一溶液。

名词“物质”意指一药用固体，其可以溶解在溶剂中并且大致上不溶于超临界流体。

名词“调节剂”意指一化学制剂，其增强溶剂在超临界流体中的溶解度。

本发明的一个目的是克服上述的已有技术的缺点。

特别地，本发明的一个目的是提供一种用于获得一物质的细小的粉末的工艺以及一种制作物质溶液与超临界流体的精细混合物的装置。

从一方面来看，本发明提供通过采用GAS方法形成一物质的微米及亚微米颗粒的装置，该装置包括颗粒形成容器和将该物质和超临界流体引入上述的颗粒形成容器中的手段，其特征在于，上述的手段包括一具有分别用于溶液和超临界流体的分开的出口的喷嘴，因此在使用中，溶液和超临界流体的接触最初发生在位于分开的出口的下游的颗粒形成容器中。

从另一方面来看，本发明提供一种喷嘴，该喷嘴用于在颗粒形成容器中引入一物质的溶液和一超临界流体，并通过采用GAS方法形成微米和亚微米颗粒，其特征在于，该喷嘴包括分别用于溶液和超临界流体的分开的出口，因此在使用中，溶液和超临界流体的接触最初发生在位于分开的出口的下游的颗粒形成容器中。

从再一个方面来看，本发明提供一种通过采用GAS方法形成微米及亚微米颗粒的工艺，其包括通过一喷嘴，在控制的压力和温度下将一纯的或混合有调节剂的超临界流体和溶液输送到颗粒形成容器中，由此溶剂利用超临界流体被从溶液中分离出来，并产生微米和亚微米颗粒的沉淀，其特征在于，超临界流体和溶液分别通过分开的喷嘴出口来输送，并且溶液和超临界流体的接触最初发生在位于分开的出口的下游的颗粒形成容器中。

根据本发明的工艺包括将溶液或在溶剂中的物质悬浮物、超临界流体以及，优选地，调节剂共同引入到颗粒形成容器中。调节剂为可以溶于溶剂和超临界流体的化合物。当溶剂大致上与超临界流体不相溶或具有低的溶解度时使用调节剂。

当溶剂在超临界流体中的溶解度低时，调节剂的使用使得溶液和超临界流体之间的混合更好。

当使用调节剂时，调节剂流速与溶液流速之比必须如此选择以使在超临界流体中溶剂的溶解度有显著的增加。调节剂可以与超临界流体一起引入，或者与溶液一起引入，或者部分与超临界流体一起引入并且部分与溶液一起引入；调节剂引入的方式严重影响溶剂的提取和所形成的颗粒的形状。

对于采用二氧化碳作超临界溶剂和采用乙醇作调节剂来从水溶液中沉淀粉末，超临界流体流速与调节剂流速之比大约为7，同时调节剂流速与溶液流速之比大约为20。

因此，在一种情况下，物质溶液以及超临界流体和调节剂的混合物被分开地引入到颗粒形成容器中。或者，调节剂可以在引入前与溶液混合。在本工艺的另一种情况下，调节剂部分与超临界流体一起并且部分与溶液一起被引入到颗粒形成容器中。

如果溶剂与超临界流体不互溶，溶剂中的物质溶液和超临界流体被分开地引入到颗粒形成容器中，在颗粒形成容器中发生超临界流体与溶液的混合并通过超临界流体提取溶剂。

优选地，该物质为可溶于溶剂和调节剂而大致上不溶于超临界流体的药用化合物。

在颗粒形成容器中，溶液与超临界流体和调节剂的化合物混合，或者与纯的超临界流体混合。通过这种方式，溶剂被从溶液中提取出来并且该物质沉淀为细小的颗粒。

用于形成细小颗粒的工艺的关键点在于溶液与超临界流体的混合：快速和精细的混合使得颗粒以小的直径沉淀并且可以获得高的粉末产量。

为了获得好的混合，溶液必须以小液滴的形式被分散到超临界流体中，因而为质量传输提供了高的界面面积而且为在溶液液滴中超临界流体的扩散提供短的路径，进而防止溶质颗粒的长大。此外，提高溶液和超临界流体之间的质量传输速度使得操作可以在温和的温度和压力条件下进行。本发明允许这样的操作。

此外，超临界流体流速与溶液流速之间的高的比值允许在它们接触时相对溶液产生大量过剩的超临界流体，从而提高超临界流体进入溶液以及溶质进入超临界流体的质量传输的驱动力。

如上指出的，为了获得非常小的溶液液滴，溶液很好地分散到超临界流体中是必需的。

所形成的溶液液滴的尺寸决定于混合区域的流体动力条件以及溶液和超临界溶剂的物理性质，例如粘性系数、表面张力和密度。这些性质受到超临界流体的温度和压力的很大影响。

在喷嘴出口处溶液和超临界流体的速度与质量流动速度和出口的直径有关。另外，溶液和超临界流体的能量压力必须以最小的能量损失被转化为动能。

为了获得这个目标设计了一种新的喷嘴。

溶液和纯的或混合有调节剂的超临界流体通过喷嘴以顺流(co-current)流动的方式被引入到颗粒形成容器中，该喷嘴为超临界流体和溶液提供了不同的出口。溶液和超临界流体的接触最初发生在位于分开的出口的下游的颗粒形成容器中。这使得由所形成的颗粒造成的喷嘴堵塞的可能最小。超临界流体和溶液各自的排出物可以在颗粒形成容器中膨胀并彼此混合。

出口优选地为彼此相邻，例如中心线相距3mm。出口优选地为公面的。

优选地，出口具有一个中心出口和多个外侧出口。中心出口可以用于传输超临界流体。通过提供多个外侧出口，促进了超临界流体和溶液的混合。优选地，外侧出口被设置在距中心出口相同距离处。因此它们可以位于相同的半径上，并且优选地等角度间隔。这也有助于混合。

出口可以位于分开的管道或诸如此类的末端。但是出口优选地形成在穿过喷嘴体(nozzle body)的各个通路的下游方向的末端。该些通路例如可以为激光钻孔。喷嘴体可以为一盘。因此优选的设置包括为一盘的形式的一喷嘴，其具有一位于中心的出口和两个或更多的距中心等距离的沿圆周等距离间隔的出口。所有的出口与颗粒形成容器的内部连通。溶液优选地通过中心出口引入到颗粒形成容器中，同时纯的或混合有调节剂的超临界流体通过外侧出口被引入。

在喷嘴体中的通路具有上游末端，在使用中其分别用来输送超临界流体和溶液。优选地，喷嘴体形成形成有一密封件，其用于密封地分开穿过喷嘴体的通路的各自的上游末端。因此，喷嘴体的使用允许通过钻孔或其它形成方式来形成具有理想尺寸的通路，从而优化流体的流动，同时该些通路可以在它们的上游末端处彼此密封。在具有一个中心出口和多个沿半径外侧间隔分布的出口的情况下，密封件可以为环形的，例如为一O圈，且设置在沿半径方向上中心出口的外侧和多个外侧出口的内侧。另一环形密封件优选地形成在沿半径方向多个外侧出口的外侧。优选地，每个密封件嵌入在喷嘴体的一凹槽内，例如一环形凹槽。

喷嘴体优选地具有用于各个流体的通路，其包括一大直径的上游部分，该上游部分向一小直径的下游部分输送。该下游部分为了减小沿该部分的压降可以是短的，以更好地实现将压力转化为动能。这克服了已有技术所采用的喷嘴的问题，该些喷嘴本质上为同轴管状设计，其中沿喷嘴的全长保持小的直径，从而造成压力显著下降。

出口优选地被形成在喷嘴逐渐变细的锥形部分的末端的下游。在具有通有通路的喷嘴体的优选实施例中，通路可以形成有逐渐变细的锥形部分。因此，通路可以具有一相对大的直径的上游部分，例如1mm，接下来由一逐渐变细的锥形部分过渡到一小直径的部分，例如20微米。小直径部分这里称为小孔。大直径部分和锥形部分可以通过例如机械钻孔来形成，而小直径部分或小孔可以采用激光钻孔。大直径部分的长度明显大于小孔的长度，故而允许喷嘴体在液流方向相对较厚，例如5mm，因而在没有造成小孔具有过长的长度的情况下易于操作。大直径部分的长度例如可以比小孔的长度至少大5倍，优选地为10倍。

在另一设计中，具有小直径的小孔可以贯穿喷嘴体，但是由于喷嘴体在液流方向上必须是薄的而难于操作，所以这种设计不是优选的。

因此，溶液和超临界流体的膨胀发生在小孔的下游。优选的小孔的特征在于长度与直径之比为5到10。它具有在毛细管上使压力能量损失最小化和有效地将压力能量转化为动能的优势。

喷嘴优选地具有直径0.02mm至0.1mm的小孔，更为优选地为0.02mm至0.04mm，长度为0.1mm至0.2mm。这种尺寸使得溶液和超临界流体在小孔的出口处可以获得非常高的速度。

在优选实施例中，多个超临界流体出口为设置在溶液出口的周围并且相距非常短的距离，大约3mm：这种结构使得溶液被超临界流体赋予能量，因而促进溶液分散成非常小的液滴，并且在两相之间提供了高的界面表面及快速地抽取溶剂以进入超临界流体。当在出口处超临界流体速度达到或者大于音速时，这些现象特别地有效。当超临界流体速度达到或者大于音速时，形成一马赫盘，其使得溶液分散成非常细小的液滴。这种现象是人们熟知的并且被广泛地应用于超临界溶液快速膨胀法(RESS)中(参见Matson D.W.，Fulton J.L.，Petersen R.C.，Smith R.D.，“Rapid expansion ofsupercritical fluid solutions：solute formation of powders，thin films，and fibers”Ind.Eng.Chem.Res.，1987，26，2298-2306)。

虽然超临界流体速度较小，但是具有音速的数量级，因而溶液分散的明显增强得以获得(参见Subramaniam B.，Saim S.，Rajewskj R.A.，Stella V.，Methods for particle micronization and nanonization from organic solutionssprayed into a compressed antisolvent，美国专利5874029，1999年2月23日)。

已知在真实流体通过一收敛-发散喷嘴绝热膨胀时，超临界流体借以达到音速的通常称为临界压力的下游压力与上游压力具有如下关系：

$\frac{P_c}{P}={\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{\frac{k}{k-1}}$

其中P为上游压力，P_c为下游压力，k为超临界流体在常压下的比热C_p和在等容条件下的比热C_v之间的比值。举例而言，如果超临界流体为二氧化碳，其k＝4.81，如果下游压力为10MPa，那么为了达到音速，上游压力必须为38.4MPa，即需要28.4MPa的压降。

但是，对于10MPa的下游压力，在40℃条件下，采用4MPa的压降来获得音速数量级的超临界流体速度是可能的。

流体的音速强烈地依赖于压力和温度：在超临界区域二氧化碳的音速的最小值在8MPa和40℃条件下为208米/秒。为了获得上述现象的优点，当二氧化碳被用作超临界流体时很容易工作在这些操作条件下。

用于本发明的装置的优选的喷嘴具有经过激光钻孔的小孔。在小孔的出口处，超临界流体的速度可以从小孔上游的超临界流体通路部分(部分1)与小孔出口部分(部分2)之间的能量平衡估算出来。忽略了能量损失的能量平衡可以通过以下公式计算：

H₁+1/2ρ₁υ₁ ²＝H₂+1/2ρ₂υ₂ ²

其中，H₁和H₂分别为小孔上游和下游处超临界流体的比焓；ρ₁和ρ₂分别为小孔上游和下游处超临界流体的密度；υ₁和υ₂分别为小孔上游和下游处超临界流体的速度。

对于采用二氧化碳作超临界溶剂和采用乙醇作调节剂，通过气体抗溶解再结晶法(GAS)从水溶液中形成细小的粉末，已经发现优化的操作条件为压力在8～12MPa范围内，温度在35～50℃范围内。在用于执行实验测试的实验装置中，超临界流体的质量流动速度为30克/分钟，溶液的流速为0.2克/分钟，调节剂的质量流动速度为4克/分钟，所设定的超临界流体与调节剂的质量流动速度之比为7，调节剂与溶液的质量流动速度之比为20，并且在喷嘴出口处的超临界流体速度为大约300米/秒。

作为如上描述的比较方案，超临界流体可以为乙烷、乙烯、丙烷、硫化六氟化物(sulfur hexafluoride)、氧化亚氮、三氟氯甲烷(chlorotrifluoromethane)、一氟甲烷(monofluoromethane)、氙以及它们的混合物；药用化合物溶液的溶剂可以为与超临界流体不互溶的溶剂，例如乙醇、甲醇、二甲化砜(DMSO)、异丙醇、丙酮、四氢呋喃(THF)、乙酸、甘醇、聚乙烯乙二醇、氮氮二甲基苯胺(N，N-dimethylaniline)。当使用药用化合物的水溶液时相同的溶剂可以用于调节剂。

附图说明

现在将通过举例的方式并参考附图对本发明的某些优选实施例做以描述，其中：

图1示出的是用于执行根据本发明的工艺的装置的示意流程图；

图2示出的是用于执行根据本发明的工艺的喷嘴的一个示意区域，其沿图3中的线A-A截取，喷嘴的一些部分被放大显示在圆圈中；

图3示出的是沿图2中的线B-B截取的喷嘴的一个区域；

图4和5分别示出的是与图2和3相似的更详细的视图；

图6示出的是喷嘴设计的剖面图；

图7和8示出的是在实施例1的条件下制备的SIGMA碱性磷酸酶(ALP)的扫描电子显微镜(SEM)显微镜片；

图9，10和11示出的是在实施例2的条件下制备的SIGMA溶菌酶的扫描电子显微镜(SEM)显微镜片；

图12和13示出的是在实施例3的条件下制备的海藻糖的显微镜片；以及

图14示出的是在实施例3的条件下制备的海藻糖的颗粒尺寸分布。

具体实施方式

参考图1，所示的装置包括颗粒形成容器22。这是一个具有适当体积的标准的反应容器。容器内的温度通过加热套(heating jacket)21保持恒定。容器内的压力通过微计量阀25来控制。

颗粒形成容器内的温度和压力通过热电偶29和压力转换器30来测量。

所形成的颗粒通过过滤器23筛选。这是一不锈钢篮子，其底部由0.5微米的烧结不锈钢盘构成。0.5微米的第二过滤器24被放置在容器的出口处。

超临界流体被从圆柱体3中抽出，它通过冷凝器4凝结并通过泵8经管线34被抽至颗粒形成容器。在进入颗粒形成容器前，超临界流体通过预加热器14和加热器17被加热到所要的温度。预加热器14也用作脉动阻尼器(pulsation damper)。超临界流体也通过0.5微米过滤器15来过滤。

超临界流体在进入沉淀容器前的温度和压力分别通过热电偶28和压力转换器43来测量。

调节剂被从罐2中抽出，它通过泵9被抽至管线34并且在进入颗粒形成容器前与超临界流体混合。调节剂也通过0.5微米过滤器12来过滤。

管线34安装有安全阀16。

溶液被从罐1中抽出，它通过泵10经由管线6被抽至颗粒形成容器。溶液也通过0.5微米过滤器13来过滤。

在本工艺的另一个方案中，调节剂可以部分地与溶液一起并部分地与超临界流体一起被引入到颗粒形成容器中。

纯的或混合有调节剂的超临界流体和溶液通过喷嘴27被输送到颗粒形成容器22中。

在颗粒形成容器22的下游，超临界流体、调节剂和溶剂的混合物通过0.5微米过滤器24被过滤以筛取此前未被过滤器23滤掉的颗粒。超临界流体、调节剂和溶剂的混合物通过微计量阀25得以减压，并且超临界溶剂被从分离器26中的调节剂和溶剂中分离出来，它的流速通过质量流量计31来测量，并被排出。

图2和3显示了用于执行根据本发明的工艺的喷嘴。该喷嘴是根据本方法的工艺方法的一个明显特征。

该喷嘴可以以顺流流动的方式将溶液和纯的或混合有调节剂的超临界流体引入到颗粒形成容器中。

该喷嘴为超临界流体和溶液提供了各自的出口。喷嘴可以由不锈钢或其它适合的材料构成。

喷嘴27具有形状如盘36的喷嘴体，并具有位于中心的小孔39和两个或更多的距中心等距离且沿圆周均匀间隔分布的小孔41。小孔与颗粒形成容器的内部相通。溶液通过中心小孔被引入到颗粒形成容器中，而纯的或混合有调节剂的超临界流体通过外侧小孔被引入到颗粒形成容器中。

用于溶液的通路37包括具有直径D3的孔。该孔的末端具有锥形40。在锥形末端40的底部排出口有激光钻孔形成的小孔39。小孔的长度L1为它的直径D1的5到10倍。直径D1可以以这样一种方式来选择以在小孔出口处获得任何想要的溶液速度。

用于超临界流体的通路38为具有直径D4的孔。每个孔的末端具有锥形42。在锥形末端42的底部排出口有激光钻孔形成的小孔41。小孔的长度L2为它的直径D2的5到10倍。直径D2可以以这样一种方式来选择以在小孔出口处获得任何想要的超临界流体速度。

小孔39和41的长度L1或L2与直径D1或D2之间的比值如此选择以使能量损失最小并通过将能量压力转换为动能来获得更高的速度。

在图4和5中显示了本发明所使用的喷嘴的详细视图。小孔可以被钻孔以形成最小可达0.02mm的直径。已被用于执行实验测试的喷嘴具有0.02mm到0.04mm直径的小孔。

在本发明的另一个实施例中，一个或更多的外侧小孔以这样一种方式来钻孔使得它们的轴会聚在中心小孔的轴上。外侧小孔的轴与中心小孔的轴所形成的角度被包括在1°和30°之间。

喷嘴27的盘36的上表面形成有环绕中心通路37的入口端的内部环形凹槽50和环绕通路38的入口端的外部环形凹槽52。

图6显示了喷嘴27的装配结构。盘36的环形凹槽50嵌入有第一O圈密封件54而外部环形凹槽52嵌入有第二O圈密封件56。盘36嵌入在杯状物58之中，杯状物58还嵌入有喷嘴块(puzzle block)60，该喷嘴块60的低部端面与第二O圈56配合。喷嘴块60在它的长度的底部区域形成有中心底腔62，该腔62在它的顶端与侧向腔64连通。喷嘴块60在它的长度的顶部区域形成有中心顶腔66。喷嘴筒(puzzle shaft)68沿中心顶腔66和中心底腔62延伸并且其底部端面与第一O圈密封54配合。喷嘴筒68形成有中心筒孔70。另一密封件(未示出)通常环绕喷嘴筒68形成以密封喷嘴块60的顶部。

在使用中，液体溶液被输送中心筒孔70并且通过盘36流到中心通路37的入口端。中心筒孔70与盘36之间的接合处采用第一O圈密封件54来密封。超临界流体，可选择地含有调节剂，被输送与中心底腔62相通的侧向腔64，并通过盘36流到通路38。中心底腔62与通路38之间的接合处在内侧采用第一O圈密封件54密封而在外侧采用第二O圈密封件56密封。

溶液以高速从中心小孔39中喷出并且分散将与超临界流体接触的细小液滴。如果超临界流体速度非常高，在工作的温度和压力条件下其速度可达到音速的数量级的话，溶液液体喷射的分散被从小孔41中喷出的超临界流体极大地增强。超临界流体增强溶液液体喷射的分散的作用是关键之所在，决定了产品的形状、尺寸和产量。

实验步骤

超临界流体通过泵8被输送沉淀容器，泵8可以设定超临界流体的流动速度。考虑到由于通过喷嘴小孔而膨胀造成的温度的降低，在管线35中流动的超临界流体的温度通过加热器17被设定为比颗粒形成容器内部更高的温度。调节剂随后通过泵9以预定的流速被添加到超临界流体中。当稳定状态条件得以获得时，溶液通过泵10被抽到颗粒形成容器中。

在一定量的溶液被送入到颗粒形成容器之后，泵9和10被停止，只有超临界流体被送入到颗粒形成容器中，直到所沉淀的粉末完全脱去溶剂和调节剂。

颗粒形成容器被减压，粉末得以回收。

实施例

以下的实施例采用根据本发明的方法来实施。所用的装置与图1所示的相似。

第一实施例

碱性磷酸酶(ALP)颗粒的制备

在被实施例中，本发明的方法被用来通过碱性磷酸酶制备蛋白质粉末。

所采用的为SIGMA化学品公司生产的碱性磷酸酶溶于去离子水中的溶液，浓度为0.2％w/w。二氧化碳和乙醇分别被用于超临界流体和调节剂。

溶液通过泵10以0.2克/分钟的流速被送入到颗粒形成容器22中。超临界二氧化碳通过泵8以30克/分钟的流速被送入，乙醇通过泵9以4克/分钟的流速被送到管线34中并在进入颗粒形成容器之前与超临界流体混合。

超临界流体通过喷嘴的四个直径为0.04mm的外侧小孔被注入到颗粒形成容器中。溶液通过喷嘴的直径为0.04mm的中心小孔被注入到颗粒形成容器中。所有小孔的长度为0.2mm。

颗粒形成容器内的温度和压力保持在T＝40℃和P＝10.0MPa。所沉淀的颗粒被收集在颗粒形成容器底部的过滤器23上，同时超临界流体、调节剂和水在大气压力下被收集到圆柱体26中。

溶液和混合有调节剂的超临界二氧化碳被输送240分钟，在溶液输送停止后，为了从沉淀的粉末中提取残余的溶剂合调节剂，纯的二氧化碳被送入颗粒形成容器。典型地，为了获得干燥的粉末，使用两倍体积的二氧化碳来冲洗颗粒形成容器。

在减压之后，打开颗粒形成容器并回收粉末。

所回收的粉末的产量大约为70％。

如图7和8所示的扫描电子显微镜的显微照片显示出，所获得的粉末具有小于1μm的标称直径并且具有窄的尺寸分布。

与未加工的商业试剂相比，发现碱性磷酸酶的残余的酶活性为90％。

第二实施例

溶菌酶颗粒的制备

在本实施例中，本发明的方法被用来通过溶菌酶制备蛋白质粉末。

所采用的为SIGMA化学品公司生产的溶菌酶溶于去离子水中的溶液，浓度为0.2％w/w。二氧化碳和乙醇分别被用于超临界流体和调节剂。

溶液通过泵10以0.2克/分钟的流速被送入到颗粒形成容器22中。超临界二氧化碳通过泵8以30克/分钟的流速被送入，乙醇通过泵9以4克/分钟的流速被送到管线34中并在进入颗粒形成容器之前与超临界流体混合。

超临界流体通过喷嘴的四个直径为0.04mm的外侧小孔被注入到颗粒形成容器中。溶液通过喷嘴的直径为0.04mm的中心小孔被注入到颗粒形成容器中。所有小孔的长度为0.2mm。

颗粒形成容器内的温度和压力分别保持在40℃和10.0MPa。

所沉淀的颗粒被收集在颗粒形成容器底部的过滤器23上，同时超临界流体、调节剂、水和最终没有沉淀的溶质在大气压力下被收集到圆柱体26中。

在一定量的溶质被送入到颗粒形成容器之后，泵9和10被停止，为了于燥所沉淀的粉末，只有超临界流体被送入到颗粒形成容器中：典型地，需要两倍于颗粒形成容器的体积超临界流体以获得干燥的粉末。

此时，可以给颗粒形成容器减压并打开和回收粉末。

回收的粉末的产量为90％。

如图9、10和11所示的扫描电子显微镜的显微照片显示出，所获得的粉末具有小于1μm的标称直径并且具有窄的尺寸分布。

与未加工的商业试剂相比，发现碱性磷酸酶的残余的酶活性为90％。

第三实施例

海藻糖颗粒的制备

在本实施例中，本发明的方法被用来通过海藻糖制备蛋白质粉末。

所采用的为SIGMA化学品公司生产的溶菌酶溶于去离子水中的溶液，浓度为2％w/w。二氧化碳和乙醇分别被用于超临界流体和调节剂。

溶液通过泵10以0.2克/分钟的流速被送入到颗粒形成容器22中。超临界二氧化碳通过泵8以30克/分钟的流速被送入，乙醇通过泵9以4克/分钟的流速被送到管线34中并在进入颗粒形成容器之前与超临界流体混合。

超临界流体通过喷嘴的四个直径为0.04mm的外侧小孔被注入到颗粒形成容器中。溶液通过喷嘴的直径为0.04mm的中心小孔被注入到颗粒形成容器中。所有小孔的长度为0.2mm。

颗粒形成容器内的温度和压力分别保持在40℃和10.0MPa。

所沉淀的颗粒被收集在颗粒形成容器底部的过滤器23上，同时超临界流体、调节剂、水和最终没有沉淀的溶质在大气压力下被收集到圆柱体26中。

在一定量的溶质被送入到颗粒形成容器之后，泵9和10被停止，为了干燥所沉淀的粉末，只有超临界流体被送入到颗粒形成容器中：典型地，需要两倍于颗粒形成容器的体积的超临界流体以获得干燥的粉末。

此时，可以给颗粒形成容器减压并打开和回收粉末。

回收的粉末的产量为80％。

如图12和13所示的是所获得的粉末的扫描电子显微镜的显微照片。

图14所示的颗粒尺寸分布是使用Aerosizer mo.3225(TSI-Amherst)确定的并且给出了1.89μm的平均尺寸。

可以以更宽泛的条件来理解本发明。因而，根据一个广阔的方面，本发明提供用于通过气体抗溶解再结晶方法(GAS)形成一物质的微米和亚微米颗粒的装置，其包括颗粒形成容器及将物质溶液和超临界流体引入到所述的颗粒形成容器中的手段，其特征在于所述的手段包括一喷嘴，其具有分别用于传输溶液和超临界流体的分开的出口。

根据另一个广阔的方面，本发明提供一喷嘴，其用于在颗粒形成容器中引入一物质的溶液和一超临界流体以通过气体抗溶解再结晶(GAS)方法形成所述物质的微米和亚微米颗粒，其特征在于，该喷嘴包括用于传输溶液液流的中心出口和用于传输纯的超临界流体液流或混合有调节剂的超临界流体液流的多个外侧出口。

根据再一个广阔的方面，本发明提供一种通过气体抗溶解再结晶(GAS)方法形成一物质的微米和亚微米颗粒的工艺，包括在控制的压力和温度下，通过喷嘴的分开的入口输送纯的或混合有调节剂的超临界流体和溶液到颗粒形成容器中，因而利用超临界流体溶剂被从溶液中提取出来，并产生微米和亚微米颗粒的沉淀。

Claims (24)

1.一种装置，其用于通过GAS方法形成微米和亚微米颗粒，包括一颗粒形成容器(22)以及将一物质溶液和一超临界流体引入到该颗粒形成容器(22)中的手段，其特征在于，所述的手段包括一喷嘴(27)，其具有分别用于该溶液和该超临界流体的分开的出口(39，41)，因而在使用中溶液和超临界流体的接触最初发生在位于分开的出口的下游的颗粒形成容器中。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述的喷嘴(27)具有一个中心出口(39)和多个外侧出口(41)，该中心出口(39)用于传输溶液液流，该些外侧出口(41)用于传输纯的超临界流体液流。

3.如权利要求2所述的装置，其中所述的外侧出口(41)被设置在距所述的中心出口(39)相同的距离处。

4.如权利要求1、2或3所述的装置，其中所述的出口形成在穿过喷嘴体(36)的各自通路(37，38)的下游末端。

5.如权利要求4所述的装置，其中喷嘴体(36)形成有一密封件(54)，其用于密封地分开穿过喷嘴体的通路的各自的上游末端。

6.如权利要求5所述的装置，其中密封件(54)嵌入在喷嘴体的凹槽(50)中。

7.如上述的权利要求所述的装置，其中所述的出口(39，41)形成在喷嘴的逐渐变细的锥形部分(40，42)的底部排出口的下游。

8.如上述的权利要求所述的装置，其中出口位于小孔(39，41)的下游末端处，所述的小孔的直径在0.02mm和0.1mm之间，优选地在0.02mm和0.04mm之间，并且所述的小孔的长度与直径的比值在5和10之间。

9.如上述的权利要求所述的装置，其中位于小孔(39，41)的下游末端处的出口以这样一种方式开孔使得它们的轴会聚，该些轴之间形成的角度在1°和30°之间。

10.如上述的权利要求所述的装置，还包括通过所述的喷嘴(27)将一调节剂引入到颗粒形成容器(22)中的手段。

11.如上述的权利要求所述的装置，其中各个出口传输混合有调节剂的溶液液流。

12.如上述的权利要求所述的装置，其中各个出口传输混合有调节剂的超临界流体的液流。

13.一种喷嘴，其用于在一颗粒形成容器中引入一物质的溶液和一超临界流体以通过GAS方法形成所述物质的微米和亚微米颗粒，其特征在于，该喷嘴包括分别用于该溶液和该超临界流体的分开的出口(39，41)，因而在使用中溶液和超临界流体的接触最初发生在分开的出口的下游。

14.如权利要求13所述的喷嘴，包括用于传输溶液液流的中心出口(39)和用于传输纯的超临界流体液流或混合有一调节剂的超临界流体液流的多个外侧出口(41)。

15.一种通过GAS方法形成一物质的微米和亚微米颗粒的工艺，包括在控制的压力和温度下，通过喷嘴(27)输送一纯的或混合有一调节剂的超临界流体和一溶液到一颗粒形成容器中，因而利用超临界流体溶剂从溶液中被提取出来，并产生微米和亚微米颗粒的沉淀，其特征在于，超临界流体和溶液分别通过喷嘴的分开的出口(39，41)被输送，并且溶液和超临界流体的接触最初发生在位于分开的出口的下游的颗粒形成容器中。

16.如权利要求15所述的工艺，其中所述的溶液混合有一调节剂并被引入到颗粒形成容器中。

17.如权利要求15或16所述的工艺，其中该溶液为含有药用化合物的水溶液，该超临界流体为二氧化碳，该调节剂为乙醇。

18.如权利要求17所述的工艺，其中颗粒形成容器中的压力在二氧化碳临界压力和30MPa之间，更优选地在8MPa和12MPa之间，并且颗粒形成容器中的温度在30℃和80℃之间，更优选地在40℃和50℃之间。

19.如权利要求18所述的工艺，其中二氧化碳和调节剂的质量流动速度之间的比值在2和40之间，优选地在6和8之间，并且调节剂和水溶液的质量流动速率之间的比值在5和40之间，优选地在10和25之间。

20.如权利要求19所述的工艺，其中在颗粒形成容器中的温度和压力下，在各自喷嘴出口处的二氧化碳的速度具有音速的数量级。

21.如权利要求15或16所述的工艺，其中所述的溶液含有一药用化合物和一可溶于超临界流体中的溶剂，该溶剂选自于乙醇、甲醇、二甲化砜、异丙醇、丙酮、四氢呋喃、乙酸、甘醇、聚乙烯乙二醇、氮氮二甲基苯胺。

22.如权利要求15或16所述的工艺，其中所述的超临界流体选自于乙烷、乙烯、丙烷、硫化六氟化物、氧化亚氮、三氟氯甲烷、一氟甲烷、氙以及它们的混合物。

23.如权利要求15或16所述的工艺，其中所述的调节剂选自于乙醇、甲醇、二甲化砜、异丙醇、丙酮、四氢呋喃、乙酸、甘醇、聚乙烯乙二醇、氮氮二甲基苯胺。

24.如权利要求15至23所述的工艺，其采用根据权利要求1至12的装置来实施。

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