Оценка размеров частиц порошковых ингаляционных композиций, полученных распылительной сушкой

Распылительная сушка – одна из основных технологий получения ингаляционных порошков, позволяющая контролировать такие важные характеристики продукта, как морфология, плотность, размер частиц, поверхностная энергия, фазовое состояние вещества и остаточное содержание растворителей. Форма, морфология частиц и их распределение по размерам являются критически важными характеристиками порошков для ингаляций, поскольку определяют возможность их доставки в нижние дыхательные пути (в первую очередь, в легкие). К преимуществам распылительной сушки также относятся: высокая скорость сушки, легкость масштабирования процесса и высокая производительность (в основном, из-за возможности проводить процесс непрерывно). Дополнительным преимуществом распылительной сушки является рентабельность при масштабировании, достигаемая за счет меньшей энергоемкости оборудования [1–3]. Распылительная сушка используется для производства широкого спектра активных фармацевтических субстанций в виде порошков, используемых в различных системах доставки лекарственных средств.

В 2019 году началась пандемия коронавирусной инфекции (COVID-19), вызванная новым вирусом SARS-СоV-2. Отсутствие должного эффекта от разработанных схем лечения привело к необходимости экстренной разработки новых противовирусных препаратов. Впоследствии были созданы лекарственные препараты прямого действия, в основу которых легли такие действующие вещества, как ремде-сивир, молнупиравир, фавипиравир, а также комбинация нирматрелвира и ритонавира. Мол-нупиравир – это пролекарство, метаболизирующееся в организме человека до активного метаболита, который подавляет репликацию вируса, вызывая мутации в вирусной РНК [4–10].

Ингаляционные лекарственные формы, в частности, сухие порошки, широко применяются в клинической практике для осуществления как местного, так и системного терапевтического воздействия. Одним из ключевых преимуществ данного пути введения в терапии респираторных заболеваний является возможность создания высокой локальной концентрации действующего вещества непосредственно в очаге поражения с одновременной минимизацией системных побочных эффектов [11].

Одним из контролируемых параметров ингаляционных порошков является размер частиц и аэродинамический диаметр (аэродинамическое распределение частиц по размерам), поскольку эффективная доставка лекарственного препарата происходит при соответствии частиц респирабельной фракции (1–5 мкм, наиболее предпочтительным является диапазон 1–3 мкм) [12–16].

Вспомогательные вещества, вводимые в состав раствора или суспензии, подвергающихся распылительной сушке, способны влиять на различные физико-химические свойства продукта, в том числе и на параметры, связанные с размером частиц. Одной из групп таких веществ являются гидрофобные аминокислоты, такие как лейцин, улучшающие диспергируе-мость порошка [17–18].

Однако не всегда при получении порошков рассматриваемой технологией вспомогательные вещества вводят непосредственно перед процессом. Например, носители, такие как моногидрат лактозы, вводят в уже готовый состав. Основная роль подобных компонентов – минимизация когезионного взаимодействия частиц для улучшения реологических свойств слаботекучих порошков [19–20].

Цель работы – оценка влияния моногидрата лактозы и L-лейцина на распределение частиц по размерам и аэродинамические характеристики ингаляционных порошковых композиций, полученных методом распылительной сушки, а также выбор состава-лидера текущего этапа разработки.

Материалы и методы

В качестве основного компонента порошков было использовано модельное вещество, в качестве вспомогательных веществ – полок-самер 188 (Р188) (BASF Pharma, Германия), гидроксипропилметилцеллюлоза (ГПМЦ) (Фар-масинтез, Россия), L-лейцин (для образца 2) (Suzhou Vitajoy Bio-Tech Co., Ltd., Китай), моногидрат лактозы (для образца 1, вводилось методом смешения) (Meggle, Германия), в качестве растворителя – смесь метанола (осч.) с водой очищенной.

Методика получения образцов порошков. В качестве основной технологии получения порошковых композиций использовали метод распылительной сушки. На первом этапе приготавливали исходные растворы. В роли растворителя использовали смесь метанола и воды в объемном соотношении 60:40. В полученную смесь последовательно вводили гид-роксипропилметилцеллюлозу (ГПМЦ), полок-самер 188 (Р188), L-лейцин (при его наличии в соответствии с планом наработки), модельное вещество. Вносили компоненты при постоянном перемешивании на магнитной мешалке до полного растворения. Полученные растворы подвергали распылительной сушке с использованием установки Mini Spray Dryer B-290 (Büchi, Швейцария). Образующийся порошок собирали из циклона и сборной емкости в пенициллиновые флаконы и укупоривали алюминиевыми крышками с тефлоновыми прокладками.

Выход продукта определялся как отношение массы порошка, полученного после процесса распылительной сушки, к общей массе сухих компонентов, добавленных для приготовления исходного раствора (1):

m=m -100%/m , (1)

Г прод сух. комп. , где ф - выход продукта; тпрод - масса порошка, полученного в ходе процесса; тсух,комп. - суммарная масса сухих компонентов раствора, переданного на распылительную сушку.

В часть образца 1 после распылительной сушки вносили моногидрат лактозы (Inhalac® 120) в количестве 7,07 мг (1 масс. % для навески композиции массой 700 мг) методом механического смешения. Для этого навески порошка и носителя, предварительно взвешенные на аналитических весах, помещали в пластиковую коническую пробирку и перемешивали на шейкере Vortex в течение 10 мин с периодическим переворачиванием пробирки.

Методика определения аэродинамического диаметра частиц. Перед испытанием проводили подготовку импактора нового поколения (NGI, Copley Scientific, Великобритания, оборудование предоставлено ООО «Ферринг Продакшн»). Чаши импактора предварительно промывали водой очищенной, высушивали, после чего на их поверхность наносили раствор поверхностно-активного вещества. После полного высыхания чаши взвешивали на аналитических весах с фиксацией массы ступеней.

Для корректного моделирования процесса применения порошковых лекарственных композиций пациентами было разработано дозирующее порошковое ингаляционное устройство (ДПИ) (использующийся прототип представлен работе [21]), а также специальный переходник в узле «импактор – дозирующее устройство», имитирующий верхние дыхательные пути. Схема подключения основных узлов установки представлена на рисунке 1.

D Е

Рисунок 1. Основные конструкционные элементы экспериментальной установки: A – ДПИ; B – пластичный материал; C – индукционный порт; D – корпус импактора; E – клапан контроля воздушного потока; F – насос

Figure 1. The main structural elements of the experimental installation are: A – DPI; B – plastic material; C – induction port; D – impactor housing; E – air flow control valve; F – pump

Перед проведением испытания взвешивали массу переходника и пустого ДПИ. В нижнюю часть устройства помещали навеску образца массой 100 ± 0,01 мг, после чего фиксировали массу ДПИ с навеской. Скорость потока воздуха устанавливали на уровне 60 л/мин ± 0,05 л/мин (контролировали с помощью расходомера). По завершении испытания ДПИ, переходник и каждую ступень импактора повторно взвешивали. Эксперимент повторяли не менее трех раз, значения для расчета аэродинамических характеристик усредняли между сериями.

Методика определения размеров частиц методом оптической микроскопии. На предметное стекло наносили навеску порошка массой не менее 15 мкг и равномерно диспергировали, избегая образования выраженных агломератов и многослойных скоплений частиц. Полученную пробу исследовали с помощью камеры оптического микроскопа. Для каждой пробы выполняли не менее пяти репрезентативных снимков с использованием различных объективов (не менее двух). Выбор объективов осуществляли на основании визуальных характеристик частиц, начиная с объектива с увеличением ×10. В случае, если границы частиц были отчетливо различимы при данном увеличении, выполняли от двух до трех фотоснимков. При наличии в поле зрения частиц, размеры которых превышали допустимые для данного увеличения, объектив заменяли на ×4. Если частицы, напротив, имели размеры, недостаточные для корректной визуализации при увеличении ×10, применяли объектив с увеличением ×40. При получении двух–трех репрезентативных изображений с использованием объектива ×10 дополнительные фотоснимки с другими объективами выполняли в зависимости от фактических размеров частиц по аналогичному принципу выбора увеличения. Участки изображений, содержащие крупные нехарактерные агломераты или многослойные скопления материала, исключали из анализа во избежание искажения фактического распределения размеров частиц. Обработку изображений осуществляли вручную: каждую частицу обводили в программном обеспечении ProView с использованием инструмента «многоугольник».

На основании рассчитанных программой площадей частиц и с учетом приближения (сферической формы частиц) рассчитывали эквивалентный диаметр (2):

d = 4 S П , (2) где d — эквивалентный диаметр частицы, S - площадь частицы.

Результаты и обсуждение

Получены 2 образца распылительной сушкой, состав которых приведен в таблице 1, параметры процесса приведены в таблице 2.

Дополнительно к ранее полученным образцам, был наработан образец из состава 1 для оценки влияния лактозы на процесс агломерации частиц, как следствие, на распределение частиц по размерам.

В часть образца 1 была внесена лактоза марки InhaLac® 120 в количестве 1 масс. % (7,07 ± 0,01 мг) с гранулометрическим составом: D₁₀ = 70 – 105 мкм, D₅₀ = 110 – 155 мкм, D₉₀ = 160 – 215 мкм.

Результаты анализа гранулометрического состава порошковых композиций представлены в таблице 3.

Таблица 1.

Составы наработанных с применением распылительной сушки композиций (сухой остаток) Table 1.

Compositions of compositions accumulated using spray drying (dry residue)

Образец Sample	Масса ГПМЦ, г Mass of HPMC, g	Масса полоксамера 188, г Mass of poloxamer 188, g	Масса модельного вещества, г Mass of model substance, g	Масса L–лейцина, г Mass of L-leucine, g
1	0,0634	0,0422	4,2276	-
2	0,0933	0,0621	6,2140	0,1305

Таблица 2.

Параметры проведения процесса распылительной сушки, выход получаемых порошковых композиций

Table 2.

Spray drying process parameters and yield of resulting powder compositions

Параметр | Parameter		Образец | Sample
		1	2
Температура сушильного агента на входе в камеру, °C | Inlet drying gas temperature, °C		110
Температура сушильного газа на выходе из камеры, °C Outlet drying gas temperature, °C	В начале процесса At the start of the process	83	73
	В конце процесса At the end of the process	70	60
Мощность работы аспиратора, % | Aspirator rate, %		85
Мощность вращения вала перистальтического насоса, % | Peristaltic pump speed, %		30
Расход образца, г/мин | Sample feed rate, g/min		6,6	7,2
Выход продукта, % | Product yield, %		42	44

Таблица 3.

Результаты распределения частиц по размерам, полученные с помощью оптического микроскопа

Table 3.

Particle size distribution results obtained by optical microscopy

Образец Sample	Средний размер частиц, мкм Mean particle size, µm	Dv10, мкм (µm)	Dv50, мкм (µm)	Dv90, мкм (µm)
1	11	3	9	22
1 с добавлением лактозы (with lactose)	11	4	8	24
2	8	2	6	17

При анализе экспериментальных данных можно отметить следующее:

Образец 1 и 1 с добавлением лактозы имеют схожее распределение частиц (разница в значениях Dv10, Dv50, Dv90 в 1–2 мкм, сопряженная с идентичным средним размером частиц – 11 мкм, может являться следствием минимального влияния лактозы на размер частиц, сама разница может быть обусловлена человеческим фактором, как следствием обработки частиц оператором вручную).

Добавка моногидрата лактозы могла повлиять на свойства композиции, не оказывая при этом значимого влияния на размеры частиц. В частности, присутствие лактозы может способствовать изменению насыпной плотности, текучести порошка, характера межчастичных взаимодействий и иных параметров, что потенциально отражается на аэродинамических характеристиках и процессе высвобождения порошка из дозирующего устройства.

Образец 2 обладает меньшими размерами частиц, как по процентильным значениям, так и по среднему размеру по сравнению с другими образцами серии, что указывает на влияние добавления L-лейцина в раствор перед стадией распылительной сушки на свойства порошка (смещение распределения частиц по размерам в сторону респирабельной фракции).

Несмотря на сравнительно небольшие размеры частиц анализируемых порошков, требованиям нормативной документации для ингаляционных лекарственных форм соответствуют только значения Dv10 для всех составов, а также значение Dv50 для образца 2.

В таблице 4 представлены результаты серии экспериментов по определению аэродинамического диаметра частиц.

Таблица 4.

Результаты исследований аэродинамических характеристик образцов ингаляционных порошков

Table 4.

Aerodynamic performance results of inhalation powder samples

Показатель Parameter	Образец | Sample
	1	1 с добавлением лактозы (with lactose)	2
Доля порошка, оставшаяся в ДПИ от загрузки, % Powder fraction remaining in the DPI, %	38,0	35,3	21,4
Доля порошка, осевшая в переходнике от загрузки, % Powder fraction deposited in the adapter, %	26,0	27,6	21,0
Доля порошка, оставшаяся на чашах от загрузки, % Powder fraction deposited on collection cups, %	25,9	26,6	44,3
Доля порошка, оставшаяся в системе от загрузки, % Powder fraction remaining in the system, %	10,1	10,5	13,3
Распределение композиций по ступеням от доли порошков, поступивших в импактор, % Stage-wise distribution as a percentage of the powder entering the impactor, %
Ступень 1 d аэD0Д . > 8,06 мкм | Stage 1 d ae > 8,06 gm	45,0	44,1	70,7
Ступень 2: d аэ p од . = 4,46-8,06 мкм | Stage 2: d ae = 4,46-8,06 gm	25,9	24,2	14,8
Ступень 3: d аэD0Д . = 2,82-4,46 мкм | Stage 3: d ae = 2,82-4,46 мкм	11,1	10,3	5,4
Ступень 4: d аэD0Д . = 1,66-2,82 мкм | Stage 4: d ae = 1,66-2,82 gm	6,8	6,9	3,8
Ступень 5: d аэD0Д . = 0,94-1,66 мкм | Stage 5: d ae = 0,94-1,66 gm	4,5	4,7	1,8
Ступень 6: d аэD0Д . = 0,55-0,94 мкм | Stage 6: d ae = 0,55-0,94 gm	3,7	3,9	1,4
Ступень 7: d аэD0Д . = 0,34-0,52 мкм | Stage 7: d ae = 0,34-0,52 gm	2,3	3,8	1,3
Микродиафрагменный сборник (МДС): d аэ p од <0,34 мкм Micro-Orifice Collector (MOC): d „ P <0,34 gm '	0,9	2,1	0,8

Анализ результатов испытаний по определению аэродинамического диаметра частиц порошковых композиций показал, что независимо от состава максимальная доля порошка, высвободившегося из дозирующего устройства и осевшая на чашах, регистрируется на первой ступени импактора, соответствующей частицам с аэродинамическим диаметром более 8,06 мкм. Для образцов 1 и 1 с добавлением лактозы массовая доля таких частиц была сопоставима и составила 45,0 и 44,1% соответственно, тогда как для образца 2 данный показатель составляет 70,7%, что свидетельствует о наличии устойчивых агломератов, не разбивающихся при высвобождении из используемого дозирующего порошкового ингалятора.

Поскольку ингаляционные порошки должны обладать частицами с аэродинамическим диаметром в диапазоне от 1 до 5 мкм, для каждого из образцов была посчитана массовая доля целевой фракции, обеспечивающей прохождение порошков в нижние отделы дыхательных путей и соответствующей в текущих условиях 3, 4 и 5 ступени каскадного импактора. Суммарный массовый процент частиц, осевших на данных ступенях, для образца 1 составил 22,4%, для образца 1 с добавлением лактозы – 21,9%, тогда как для образца 2 данный показатель не превышал 11% (что коррелирует с ранее выдвинутым выводом о наличии в образце 2 агломератов, закономерно оседающих на первых ступенях).

Одним из важных для оценки параметров является доля порошка, высвободившегося из дозирующего устройства. Для образца 1 с добавлением лактозы отмечено снижение доли порошка, оставшегося в дозирующем устройстве, по сравнению с образцом 1 – с 38,0% до 35,3%, что свидетельствует об улучшении сыпучести композиции и снижении адгезионного взаимодействия частиц с материалами конструкционных элементов ингалятора. Данный эффект может быть обусловлен присутствием моногидрата лактозы, способствующей уменьшению межчастичных взаимодействий и, как следствие, более эффективному высвобождению порошка из ДПИ.

Образец 2 характеризуется наименьшей среди исследуемых композиций долей порошка, оставшейся в дозирующем устройстве. Однако в совокупности с результатами распределения частиц по ступеням импактора это может свидетельствовать о том, что L-лейцин в составе композиции способствует снижению адгезии порошка к материалам корпуса, не обеспечивая при этом эффективного разрушения скоплений частиц. В результате порошок высвобождается преимущественно в виде стабильных агрегатов и агломератов, что приводит к смещению распределения в сторону более крупных частиц.

Заключение

В рамках разработки ингаляционной порошковой композиции были наработаны порошки методом распылительной сушки, которые охарактеризовали по следующим параметрам: аэродинамическое распределение частиц по размерам (с определением их аэродинамических диаметров), а также распределение размеров частиц, полученное методом оптической микроскопии. На основании результатов аналитических исследований выбран промежуточный лидер – состав 1 с добавлением моногидрата лактозы (1 масс. %), так как он имеет наиболее оптимальные результаты по рассматриваемым параметрам. С точки зрения разработки состава необходимо опробовать введение более высоких массовых процентов лактозы как в состав 1, так и в состав 2 (для данного состава необходимо начать с 1 масс. %, так как введение лактозы не применялось). Таким образом необходимо исследовать введение в состав и L-лейцина, и моногидрата лактозы, поскольку оба компонента оказали положительное влияние на целевые свойства состава.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (в рамках научной тематики FSSM-2025–0003).