光学相干层析成像技术用于三维生物打印水凝胶支架结构的定量评价研究_王玲
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第43 卷第 4 期2024 年4 月Vol.43 No.4532~540分析测试学报FENXI CESHI XUEBAO(Journal of Instrumental Analysis)基于木质素-有机黏土复合水凝胶的固相萃取-SERS 联用技术用于变压器油中微量1,2,3-苯并三氮唑的现场分析刘叶1,余东1,廖思杰1,沈爱国2,何治柯1*,韩方源3*(1.武汉大学化学与分子科学学院,湖北武汉430072;2.武汉纺织大学生物工程与健康学院,湖北武汉430200;3.广西电网有限责任公司电力科学研究院,广西电力装备智能控制与运维重点实验室,广西南宁 530023)摘要:该文以脱碱木质素(DAL)和硅藻土(DE)为原料,通过加入2.5%丙烯酸(AA)、0.75%过硫酸铵(APS)和0.25% N’N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA),基于自由基聚合法制备了DAL/DE水凝胶。
利用高效液相色谱法考察了水凝胶对变压器油中1,2,3-苯并三氮唑(BTA)的吸附性能,随后使用表面增强拉曼散射(SERS)辅以固相萃取技术现场检测了变压器油中的BTA。
研究结果表明,在0.6 g DAL/DE水凝胶为固相萃取填料,水为活化剂,BTA变压器油样稀释1倍,洗脱剂为1 mL乙酸的条件下,BTA在776 cm-1处的峰强于1 ~ 500mg/kg范围内与其含量呈良好的线性关系,检出限低至0.28 mg/kg。
关键词:变压器油;1,2,3-苯并三氮唑;木质素;水凝胶;固相萃取;表面增强拉曼散射(SERS)中图分类号:O657.3;U473.7文献标识码:A 文章编号:1004-4957(2024)04-0532-09Solid Phase Extraction-SERS Technique for Field Analysis of Trace 1,2,3-Benzotriazole in Transformer Oil Based on Lignin-Organoclay Composite HydrogelLIU Ye1,YU Dong1,LIAO Si-jie1,SHEN Ai-guo2,HE Zhi-ke1*,HAN Fang-yuan3*(1.College of Chemistry and Molecular Sciences,Wuhan University,Wuhan 430072,China;2.College ofBioengineering and Health,Wuhan Textile University,Wuhan 430200,China;3.Guangxi Key Laboratory of Intelligent Control and Maintenance of Power Equipment,Electric Power Research Institute of GuangxiPower Grid Co.,Ltd.,Nanning 530023,China)Abstract:Simple and rapid sample pretreatment technology is needed for the surface-enhanced Ra⁃man scattering(SERS) detection of trace organic components in transformer oil.In this paper,the dealkaline lignin/diatomite(DAL/DE)hydrogel was prepared by free radical polymerization using dealkaline lignin(DAL)and diatomite(DE)as raw materials,adding 2.5%acrylic acid(AA),0.75% ammonium persulphate(APS) and 0.25% N’N-methylene bisacrylamide(MBA). The adsorp⁃tion propertiesof hydrogel to 1,2,3-benzotriazole(BTA)in transformer oil were investigated by high-performance liquid chromatography. Then SERS combined with solid phase extraction was used to detect BTA in transformer oil. The results showed that 0.6 g DAL/DE hydrogel as solid phase ex⁃traction filler water as activator,and the transformer oil sample of BTA with 1-fold dilution,the elu⁃ent was 1 mL acetic acid. In the content range of 1-500 mg/kg BTA,the peak strength at 776 cm-1 shows a good linear relationship with the content of BTA,and the detection limit was as low as 0.28 mg/kg.Key words:transformer oil;1,2,3-benzotriazole;lignin;hydrogel;solid phase extraction;surface-enhanced Raman spectroscopy硫化铜沉积加速绝缘油老化是引起变压器频繁故障的重要原因之一。
熔融沉积3D打印技术制备对乙酰氨基酚缓释片及其制剂学评价陈铭ꎬ王琛ꎬ张志强ꎬ段美涛ꎬ任君刚ꎬ林海婷(厦门医学院ꎬ福建厦门361000)摘要:目的㊀基于熔融沉积成型技术制备对乙酰氨基酚(APAP)片并进行质量评价ꎬ为该技术应用于对乙酰氨基酚片剂的3D打印提供试验依据ꎮ方法㊀利用热熔挤出技术熔融沉积成型3D打印技术制备成型片剂ꎮ筛选过程中以片剂打印的完整性及体外释放累积百分率确定辅料的用量ꎬ最后以正交设计确定最优处方及工艺参数ꎬ并对所制备片剂的性能进行评价ꎮ结果㊀最终确定最佳处方为APAPʒ塑化乙基纤维素ʒ羟丙基甲基纤维素ʒ柠檬酸三乙酯=25ʒ50ʒ25ʒ10ꎬ打印温度为160ħꎮ该片剂的6h累计释放率约为50%ꎬ24h内体外释放度达90%以上ꎮ结论㊀成功制得对乙酰氨基酚片ꎬ所得产品外表完整ꎬ层间叠加较平整ꎬ体外释放较上市对乙酰氨基酚片剂缓慢ꎬ药物活性分子在试验温度下含量稳定ꎮ关键词:熔融沉积成型技术ꎻ3D打印ꎻ对乙酰氨基酚ꎻ制备工艺中图分类号:R944.4㊀文献标志码:A㊀文章编号:2095-5375(2024)02-0142-007doi:10.13506/j.cnki.jpr.2024.02.007PreparationofAcetaminophenSustained-releaseTabletsusingmeltdeposition3DprintingtechnologyanditspharmaceuticalevaluationCHENMingꎬWANGChenꎬZHANGZhiqiangꎬDUANMeitaoꎬRENJungangꎬLINHaiting(XiamenMedicalCollegeꎬXiamen361000ꎬChina)Abstract:Objective㊀Inthisstudyꎬthefeasibilityoffuseddepositionmolding(FDM)technologyforthepreparationofAcetaminophen(APAP)Tabletswasstudiedꎬwhichprovidedexperimentalbasisfortheapplicationofthistechnologyin3DprintingofAcetaminophenTablets.Methods㊀Usinghotmeltextrusion(HME)technologyandthefuseddepositionmodelingtechnologytopreparethemoldingtablets.Duringthescreeningprocessꎬtheamountandtypesofexcipientsꎬweredetermined.Thentheoptimalprescriptionandprocessparameterswerescreenedbyorthogonaldesign.Finallythecontentde ̄terminationꎬinvitroreleaseꎬscanningelectronmicroscopeandthermogravimetricanalysiswereevaluated.Results㊀Thefinaloptimized3DprintedAPAPtabletsprescriptionwasAPAPʒplasticizedethylcelluloseʒhypromelloseʒtriethylcitrate=25ʒ50ʒ25ʒ10ꎬtheoptimizedprintingtemperaturewas160ħ.Theinvitroreleaserateoftabletswasabout50%at6hourandwasover90%within24hours.Conclusion㊀APAPtabletsweresuccessfullyprepared.Theresultingproductappearsaflatsur ̄faceandthestackingoflayersisrelativelysmooth.ThetableshasaslowerinvitroreleaseratecomparedtoAPAPtablesonthemarket.Theactivepharmaceuticalingredientisstableincontentatthetesttemperature.Keywords:Fuseddepositionmoldingtechnologyꎻ3DprintingꎻAcetaminophenꎻTechnologyofpreparation㊀㊀3D打印成型技术(3Dprintingtechnology)ꎬ又称增材制造技术(additivemanufacturingtechnology)ꎬ是一种通过特定的成型设备ꎬ将粉末㊁液体或者丝状辅料ꎬ通过逐层打印的方式来构造重现数字模型文件的技术ꎮ3D打印凭借其独特的个性化㊁设计性优势ꎬ逐渐被应用于药物制剂领域[1]ꎮ目前ꎬ药物制剂生产过程中所运用到的3D打印技术主要包括熔融沉积法㊁物料喷射法㊁粉末床熔融㊀基金项目:厦门医学院校级课题[No.KPT2020-03(2)]作者简介:陈铭ꎬ女ꎬ硕士ꎬ研究方向:药物递送系统ꎬE-mail:cm2022@xmmc.edu.cn法㊁光聚合法等[2]ꎬ其中熔融沉积成型技术(fuseddepositionmodelingꎬFDM)是挤出成型技术中应用较广泛的技术之一[3]ꎮFDM是一种利用热塑性长丝为起始材料ꎬ并将其通过熔融挤出ꎬ进行层层黏结㊁创建3D对象的技术[4]ꎮFDM3D打印过程的一般包括建模㊁载药长丝的取得及目标制剂的打印几个步骤[5]ꎮ其中热熔挤出(hotmeltextrusionꎬHME)技术常与FDM3D打印技术联合ꎬ通过将药物与辅料投入挤出机中熔融混合ꎬ生产出质量优良的高质量中间体细丝以供后续制备ꎮ常用于细丝制备的一些常见聚合物包括聚乙烯吡咯烷酮(PVP)㊁聚乙烯醇(PVA)和聚乳酸等[6]ꎬ这些聚合物常常具有较好的生物可降解性㊁较低的毒性和良好的熔融加工性ꎮ通过将活性药物成分结合在这些聚合物基质中ꎬ可使得药物稳定性增加ꎬ分布更加均匀ꎮ同时ꎬ通过合理的辅料设计(如添加适宜的增塑剂)可增加细丝的光滑度㊁平整性与机械强度ꎬ从而利于后续片剂的制备[7]ꎮ相较于传统片剂的烦琐压片工艺ꎬFDM3D打印技术不需要将药物与辅料预混合㊁制粒㊁干燥㊁压片ꎬ而只需要制备出适合3D打印机进料口直径的线材ꎬ便可以通过在打印平面上层层叠加成片剂形状[8]ꎮ其简单便捷㊁省时高效的操作工序ꎬ可大大节省制剂制备时间ꎮ对乙酰氨基酚是临床上常用的非甾体抗炎药ꎬ常被用于退热㊁缓解疼痛ꎮ对乙酰氨基酚微溶于水[9]ꎬ其吸收由溶出速率决定ꎬ常导致生物利用度下降ꎮ目前ꎬ对乙酰氨基酚上市的剂型包括片剂㊁注射剂㊁栓剂㊁胶囊剂㊁颗粒剂㊁滴剂㊁凝胶剂等ꎬ其中片剂类型包括普通片㊁缓释片㊁控释片㊁咀嚼片和泡腾片等[10-12]ꎮ例如ꎬ国家药监局通过快速审批通道ꎬ批准了对乙酰氨基酚维生素C泡腾片等新冠病毒感染对症治疗药物上市ꎬ取得显著成效ꎮ然而对乙酰氨基酚常易产生较强的肝肾毒性ꎬ市售对乙酰氨基酚片仍存在剂量控制㊁突释毒性等方面的问题[13]ꎬ导致治疗效果不佳或产生潜在肝肾功能损伤ꎮ目前ꎬ研究者正在致力于研发更多对乙酰氨基酚新剂型ꎬ以提高生物利用率ꎬ提高治疗效率ꎮ如用结合个性化3D打印技术进行制备ꎮ例如ꎬ刘伯石等[14-15]运用热熔挤出3D打印技术以soluplus为热熔基质㊁PEG6000作为增塑剂成功制备对乙酰氨基酚片ꎬ证实了对乙酰氨基酚新剂型研发可行性及潜力性ꎮ本文旨在使用熔融沉积成型技术制备对乙酰氨基酚(acetaminophenꎬAPAP)片ꎬ通过过程优化设计ꎬ实现过程简单ꎬ剂量可控的对乙酰氨基酚缓释片剂制备ꎬ充分发挥3D打印技术在制备片剂中的独特优势ꎬ使对乙酰氨基酚在片剂中缓慢释放ꎬ为对乙酰氨基酚片剂提供简捷可控的新制备方法ꎬ为3D打印技术临床应用提供前期试验依据及理论可行性探索ꎮ1㊀仪器与试剂1.1㊀仪器㊀MininCTW热熔挤出机(德国Thermo公司)ꎻBCN3D3D打印机(美国Sigma公司)ꎻElite8药物溶出度仪(美国Hanson公司)ꎻUV-1800紫外-分光光度计(日本岛津公司)ꎻUVmini-1240紫外-分光光度计(日本岛津公司)ꎻMNT-150游标卡尺(德国美耐特公司)ꎻAR124CN天平(美国奥豪斯公司)ꎻFlexSEM1000扫描电镜(日本日立公司)ꎻDSC200F3热重分析仪(德国耐驰公司)ꎮ1.2㊀试剂㊀对乙酰氨基酚(acetaminophenꎬAPAPꎬ上海阿拉丁生化科技股份有限公司ꎬ批号:G2017182)ꎻ乙基纤维素(ethylcelluloseꎬECꎬ上海阿拉丁ꎬ批号:E110667)ꎻ羟丙基甲基纤维素(hydroxypropylmethylcelluloseꎬHPMCꎬ上海阿拉丁生化科技股份有限公司ꎬ批号:L1904117)ꎻ聚乙烯吡咯烷酮-乙酸乙烯酯共聚物(kollidonVA64ꎬ上海麦克林生化科技股份有限公司ꎬ批号:C10726892)ꎻ柠檬酸三乙酯(triethylcitrateꎬTECꎬ上海麦克林生化科技股份有限公司ꎬ批号:C12021119)ꎻ盐酸(hydro ̄chloricacidꎬHClꎬ西陇科学股份有限公司ꎬ批号:2004181)ꎻ共聚维酮S-630(polyplasdoneS-630ꎬ上海森君化工制剂辅料有限公司ꎬ批号:0002268269)ꎻ丙烯酸树脂[EudragitRS100ꎬ赢创特种化学(上海)有限公司ꎬ批号:B180808811]ꎻ聚乙烯醇-聚乙二醇共聚物(kollicoatIRꎬ北京凤礼精求医药股份有限公司ꎬ批号:91613924U0)ꎮ2㊀试验方法2.1㊀制备工艺流程㊀将对乙酰氨基酚与辅料以一定的比例混合均匀ꎬ在双螺杆热熔挤出机上以一定的温度通过挤出口挤出ꎬ通过改变模孔直径制备适合3D打印机进料口的线材ꎮ进行计算机模型建立(123DesignSoftware)ꎬ构建大小为14mmˑ20mmˑ4mm的药片ꎮ同时对该药片进行模型切片(BCN3DCure)ꎬ调整参数至3D打印设备所能识别的信号(gode格式文件)ꎬ将上述制备的线材通过进料口直径为2.85mm的打印机ꎬ在一定的温度下熔融ꎬ经直径为0.4mm的喷嘴在平台上逐层叠加成目标产品ꎮ2.2㊀含量测定2.2.1㊀专属性考察㊀精密称取约对乙酰氨基酚40mgꎬ于250mL容量瓶中定容ꎬ稀释20倍ꎬ得浓度8μg mL-1的对乙酰氨基酚溶液ꎬ同法制备不含对乙酰氨基酚的阴性对照溶液ꎮ用紫外分光光度计对上述溶液进行吸收波长扫描ꎬ确定最大吸收波长ꎮ紫外分光光度测定按照«中国药典»2020年版ꎬ照紫外-可见分光光度法(通则0401)测定ꎮ2.2.2㊀线性关系与范围考察㊀精密称取对乙酰氨基酚ꎬ并按上述方法配制成浓度为4㊁5㊁6㊁7㊁8㊁9㊁10μg mL-1的对乙酰氨基酚溶液ꎬ在最大吸收波长处测定吸光度(A)ꎬ绘制回归曲线ꎮ2.3㊀热重分析㊀利用热重分析技术对主药进行分析ꎮ参数设定为:升温速率10K min-1ꎬ升温范围25~600ħꎬ氩气流速5mL min-1[14]ꎮ2.4㊀处方工艺筛选2.4.1㊀辅料的初步选择㊀将对乙酰氨基酚以及载体辅料:乙基纤维素(EC-N14)㊁聚乙烯吡咯烷酮 乙酸乙烯酯共聚物(kollidonVA64)㊁丙烯酸树脂(eudragitRS100)㊁聚乙烯醇-聚乙二醇共聚物(kol ̄licoatIR)㊁共聚维酮S-630(COPS-630)ꎬ进行材料的单独挤出试验ꎬ初步探索各种辅料的挤出温度及挤出性能ꎬ通过比较不同载体辅料挤出的线材质量ꎬ对辅料进行初步筛选ꎮ将对乙酰氨基酚与各辅料以比例为23ʒ77混合后挤出[10]ꎬ通过观察对比ꎬ比较不同处方挤出物的黏度㊁光滑度㊁韧性㊁均匀性㊁直径等进行进一步的筛选ꎮ2.4.2㊀处方单因素考察2.4.2.1㊀增塑剂考察㊀对增塑剂柠檬酸三乙酯(TEC)㊁三乙酸甘油酯(GTA)㊁聚乙二醇(PEG)6000进行筛选ꎬ并用筛选后的优化增塑剂进行用量筛选ꎬ以相当于处方EC量的5%㊁10%㊁15%㊁20%㊁25%ꎬ考察选用的增塑剂的用量对挤出温度及挤出物的影响ꎮ在预试验过程中ꎬ发现柠檬酸三乙酯(TEC)作为EC的增塑剂能较好地改善挤出物的脆性ꎬ增加韧性ꎬ利于片剂的顺利打印ꎮ2.4.2.2㊀致孔剂种类考察㊀在体外预试验过程中发现由上述辅料制备的对乙酰氨基酚片24h累计释放度不足10%ꎬ因此对致孔剂羟丙基甲基纤维素(HPMC)㊁微晶纤维素(MCC)㊁氯化钠(NaCl)进行筛选ꎮ2.4.2.3㊀对乙酰氨基酚含量对打印结果影响考察㊀固定EC与HPMC的比例为3ʒ1ꎬ设置对乙酰氨基酚的含量为20%㊁25%㊁30%ꎬ与辅料混合均匀后进行挤出后打印成片剂ꎬ观察片剂的完整性ꎮ2.4.2.4㊀塑化EC与HPMC的比例㊀塑化EC与HPMC的比例对挤出温度及体外释放的影响考察:固定对乙酰氨基酚的含量为25%ꎬ设置不同EC与HPMC的比例进行挤出制备线材ꎮ制备的片剂照体外释放项下的方法进行溶出度测定ꎮ2.4.3㊀工艺参数单因素考察2.4.3.1㊀挤出温度㊁转速影响考察㊀按处方以等量递加的方法混合粉末ꎬ设置挤出温度为130㊁135㊁140ħꎬ通过挤出模孔为2mm的模口挤出ꎬ用游标卡尺测量挤出线材的直径ꎮ挤出转速对挤出线材直径的影响考察:按处方量将粉末混合均匀ꎬ挤出转速设定为10㊁30㊁60r min-1ꎬ挤出的模孔直径为2mmꎬ挤出的线材直径用游标卡尺测量ꎮ2.4.3.2㊀打印温度对片剂外观和累计释放度的影响考察㊀按处方量将各物料混合均匀ꎬ经热熔挤出机挤出成线材后ꎬ在不同的温度下打印ꎬ照体外释放项方法进行溶出度的测定ꎮ2.4.4㊀正交试验㊀通过上述处方及工艺参数单因素考察ꎬ发现塑化EC与HPMC的比例㊁打印温度是影响药物溶出度及片剂外观的重要因素ꎮ为了考察2种因素之间的相互作用ꎬ进一步优化处方ꎬ对其进行两因素三水平的试验设计ꎬ以药物在2(Q2)及12h(Q12)时的累积释放百分率㊁片剂外观为评价指标ꎬ进行综合评分(满分为100分)ꎬ其中Q2占50%ꎬQ12占30%ꎬ片剂外观占20%ꎬ外观评价包括片剂完整性和层间叠加平整性ꎮ正交试验设计(因素㊁水平)见表1ꎮ表1㊀正交设计试验的因素及水平水平塑化ECʒHPMC打印温度/ħAB评价指标X155ʒ20160外观:20%X250ʒ25165Q2:50%X345ʒ30170Q12:30%2.5㊀体外释放度考察㊀对乙酰氨基酚片的体外释放度考察照«中国药典»2020年版释放度测定法规定进行(通则0931第一法)测定ꎮ取900mL溶出介质ꎬ在时间点为30min㊁2㊁4㊁8㊁12㊁24h时采集样品10mLꎬ同时补充同温介质10mLꎬ累积释放百分率Q用如下公式计算[16]:Q(%)=V0ˑCt+Viˑðt-1n=1Ci()/WˑFˑ1000()ˑ100其中ꎬV0表示溶出试验选择介质的总体积(mL)ꎬCt表示取样各时间点的药物浓度(μg mL-1)ꎬVi表示各时间点取样的体积(mL)ꎬCi表示各时间点的药物浓度ꎬW表示对乙酰氨基酚片的重量(mg)ꎬF表示对乙酰氨基酚在制剂中的含药量(%)ꎮ2.6㊀扫描电镜㊀取对乙酰氨基酚片ꎬ将其放置在导电黏合剂上ꎬ真空喷金15s后ꎬ在超高分辨率场发射扫描电子显微镜下进行观察ꎬ捕获线材的表面和横截面ꎬ考察片剂的表面结构ꎮ2.7㊀差示扫描量热法㊀将对乙酰氨基酚原料粉末㊁辅料混合粉末㊁对乙酰氨基酚与辅料混合粉末与对乙酰氨基酚片研磨粉4组置于铝坩埚中ꎬ用差示扫描量热仪以10K min-1升温速率扫描ꎬ升温范围0~300ħꎬ得DSC图谱ꎬ观察不同组粉末随温度变化的供热速率差曲线ꎬ分析对乙酰氨基酚的晶型结构变化ꎮ3㊀结果与讨论3.1㊀方法学考察3.1.1㊀专属性考察㊀紫外光谱图显示在257nm波长处ꎬ对乙酰氨基酚对照品和供试品有最大吸收峰ꎬ而空白辅料在此波长下无明显的吸收峰ꎬ说明辅料在257nm附近对主药的吸收峰无干扰ꎮ故选择测定的最大吸收波长为257nmꎮ3.1.2㊀线性评价考察㊀通过紫外分光光度计测量后ꎬ以吸光度为纵坐标(Y)ꎬ以对乙酰氨基酚浓度为横坐标(X)进行线性回归ꎬ即得257nm波长处不同浓度对乙酰氨基酚溶液的吸光度(A)与其浓度(μg mL-1)的回归方程ꎮ曲线方程为:Y=0.0716X+0.0012ꎬR2=0.9998ꎬ结果表明在浓度范围4~10μg mL-1范围内ꎬ有良好的线性关系ꎮ3.2㊀热重分析结果㊀对乙酰氨基酚热重分析结果如图1所示ꎮ可见对乙酰氨基酚在205ħ时开始降解ꎬ378ħ时降解完全ꎬ片剂打印在试验温度为160~170ħ时含量稳定ꎮ图1㊀对乙酰氨基酚热重分析结果3.3㊀处方工艺筛选结果3.3.1㊀辅料的初步选择㊀由表2可知ꎬ对乙酰氨基酚与不同辅料混合后挤出的线材之间差异较大ꎬ其中kollidonVA64㊁EudragitRS100挤出线材的内部有气泡ꎬ经打印机喷嘴挤出的细丝也有气泡ꎬ打印出的片剂外观粗糙ꎻCOPS-630挤出线材的直径粗细不均ꎬ并且其间隔范围较大ꎻKollicoatIR挤出线材的韧性较差ꎬ并且其与API挤出的线材均匀性较差ꎮ而以EC为辅料挤出的线材较光滑㊁均匀性较好ꎮ经过对辅料挤出结果的综合评价ꎬ最终选择作为对乙酰氨基酚的载体基质为ECꎬ其直径粗细较均匀ꎬ并且略小于打印机进料口直径的2.85mmꎮ3.3.2㊀工艺参数单因素考察㊀经筛选后挤出的线材较脆ꎬ打印有中断现象ꎬ无法打印出完整的片剂ꎬ考虑进一步加入增塑剂如柠檬酸三乙酯改变其流变学特性改善此现象ꎮ增塑剂种类及用量考察结果如表3所示ꎬ选用优选后的增塑剂TECꎬ后进一步考察其用量对挤出温度及挤出线材的影响ꎮ结果表明加入增塑剂的处方挤出温度较未加入增塑剂处方高ꎬ增塑剂的用量为5%㊁10%的处方在挤出温度为170ħ时能较好地挤出ꎻ增塑剂用量为15%㊁20%的处方在165ħ时就能顺利挤出ꎬ并且用量为20%时的线材韧性较用量为5%㊁10%㊁15%的挤出效果好ꎻ而用量为25%的处方制备出的线材较软ꎬ在打印机的进料口处流动性较差ꎬ导致打印不顺畅ꎬ故优先选用的TEC的用量为处方量EC的20%ꎮ表2㊀不同辅料㊁挤出温度所得含药/空白线材的外观表征材料含药/空白温度/ħ黏度光滑度韧性均匀度颜色kollidonVA64空白120高光滑好差无色透明EC含药145中粗糙一般好淡黄微透明空白140中光滑差好微乳白色kollicoatIR含药175低较光滑好好褐黄色空白140低粗糙差差乳白色EudragitRS100含药150高光滑一般一般淡黄透明空白165高较粗糙一般一般黄色COPS-630含药120高光滑差一般淡黄透明空白120高较粗糙好好乳白色㊀注:黏度分为低㊁中㊁高3个档次ꎻ光滑度分为粗糙㊁较光滑㊁光滑3个档次ꎻ均匀性及韧性分为差㊁一般㊁好3个档次ꎻ - 表示该温度下成液体或已经焦化ꎮ表3㊀加入不同种类增塑剂后线材质量表征种类挤出温度/ħ颜色韧性均匀性连续性直径/mmPEG6000160微黄差好差2.84GTA160微白中差好2.50TEC160黄好好好2.60㊀㊀筛选试验中同样考察了致孔剂种类对最终药物释放度的影响ꎮ结果表明当HPMC作为致孔剂ꎬ增加溶出度的效果最好ꎬ其24h平均累积释药度95%以上ꎬ效果优于NaCl(69.11%)与MCC(43.09%)ꎮ在加入致孔剂后ꎬ进一步对主药含量㊁比例等因素进行了筛选ꎬ结果表明主药含量为20%㊁25%的线材在打印过程中较流畅ꎬ并且片剂外观较好ꎻ主药含量为30%的线材ꎬ易堵住打印机的喷嘴ꎬ无法打印片剂ꎮ故选择主药含量为25%的线材ꎮ同时ꎬ塑化EC:HPMC的比例对片剂外观的影响较轻ꎬ对体外释放结果影响比较显著ꎮ3.3.3㊀工艺参数单因素评价㊀经筛选ꎬ处方在130ħ时无法顺利挤出ꎻ135ħ时挤出的线材韧性适中ꎬ挤出的线材均匀性均较好ꎬ直径为2.60mmꎻ140ħ时挤出的线材由于挤出时温度较高ꎬ可塑性较强ꎬ由于重力的作用ꎬ线材被拉长ꎬ其直径变细甚至断成两截ꎮ因此优先选用的挤出温度为135ħꎮ通过改变挤出转速发现挤出转速应设定在10~60r min-1之间ꎮ在此转速下ꎬ挤出线材的直径大于2mm(2.58~2.62mm)ꎬ小于进料口直径(2.85mm)ꎬ能顺利地打印片剂ꎮ而当打印温度较高时ꎬ线材熔融堆积导致打印机喷嘴吐丝量过多ꎬ层间叠加不平整ꎻ打印温度较低时ꎬ由于线材熔融的时间延长ꎬ导致打印机在运行过程中吐丝不均匀ꎬ片剂成型性较差ꎮ3.3.4㊀正交试验结果㊀经表1确定正交设计试验的因素及水平ꎬ并经由表3确定正交设计评分标准ꎮ通过外观㊁体外2h释放率及体外12h释放率评价处方得分ꎬ正交设计试验方案及结果见表4~5ꎮ由正交试验结果可知ꎬ塑化EC与HPMC的比例是影响药物体外释放的主要因素ꎬ打印温度主要影响片剂的外观ꎬ经正交试验优化后的塑化EC与HPMC的最佳比例为50ʒ25ꎬ最佳打印温度为160ħꎮ表4㊀正交设计评分标准表评分指标等级得分Q2(50分)36%<Q<40%30%<Q<36%2526~503.4㊀成片含量测定与体外释放结果考察㊀按前述方法检测对乙酰氨基酚片中的含量及其体外释放规律ꎮ含量测定结果显示使用FDM技术制备的对乙酰氨基酚片的含量为96.92%ꎬRSD为0.1%ꎬ符合药典规定ꎮ体外释放结果表明所制备的对乙酰氨基酚片释放时间约为24hꎬ较多数上市对乙酰氨基酚片剂而言可实现缓慢释放[17]ꎬ其6h释放率约50%ꎬ且药物累积释放可达95%以上ꎮ3.5㊀对乙酰氨基酚片释放前后扫描电镜结果考察㊀对乙酰氨基酚粉末及对乙酰氨基酚片扫描电镜结果如图2~3所示ꎮ图3描述了3D打印对乙酰体外释放前后外观及显微状态图ꎮ由图2(a)可知ꎬ对乙酰氨基酚片在释放前形状均匀ꎬ外观完整ꎬ表面结合紧密ꎬ成椭圆形片状ꎮ同时ꎬ其显微镜下电镜图可见片剂内部药物与辅料之间结合致密[见图2(b)]ꎬ不存在明显空隙ꎮ由图2(c)的片剂侧面显微镜下图可见片剂释放药物前ꎬFDM3D打印效果良好ꎬ层间紧密堆积ꎬ层层叠加且层间叠加平整ꎮ将对乙酰氨基酚片于适当溶剂中释放24h后ꎬ片剂总体外观较先前变化不大[见图2(a)]ꎬ其微观表面较释放前相比出现轻微溶蚀现象[见图2(e)]ꎬ红色箭头处)ꎬ但表面结合仍然紧密ꎮ片剂层间叠加依然稳固ꎬ药片释放前后的总体骨架变化不大ꎬ但侧视显微图中可见层内出现轻微空隙[见图2(f)]ꎬ红色箭头处)ꎬ考虑可能是释放过程中的水分渗入作用导致ꎮ由图2可推断ꎬ药物可能在水不溶性骨架材料乙基纤维素中以骨架溶蚀的方式缓慢释放ꎮ表5㊀正交设计试验方案及结果编号AB外观得分Q2Q12累积释放率(%)得分累积释放率(%)得分最终得分1112024.922558.8010552129.524.792567.581044.53135.528.992555.831040.54211135.674580.6930865221335.484579.3820786237.524.322557.341042.57312037.152585.0930758321337.362584.70306893314.536.492581.673069.5K1140183.5K2206.5190.5K3212.5152.5k146.6761.17k268.8363.50k370.8350.83极差10258.5因素主次A>B最优方案A2B13.6㊀对乙酰氨基酚在制备过程晶型变化考察㊀对乙酰氨基酚在制备过程中的晶形变化考察结果如图㊀a.体外释放前片剂外观图ꎻb.体外释放前片剂表面图ꎻc.体外释放前片剂侧视图ꎻd.体外释放24h后外观图ꎻe.体外释放24h后片剂表面图ꎻf.体外释放24h后片剂侧视图图2㊀体外释放前后对乙酰氨基酚片剂外观㊁显微状态图3所示ꎮ由图3(a)可知ꎬ显微镜下对乙酰氨基酚粉末(左)及对乙酰氨基酚片剂中(右)均出现立方体型晶体状物质ꎬ由此推测对乙酰氨基酚粉末以结晶形式单独存在ꎬ并且在片剂中可能仍然以结晶形式分布于辅料中ꎬ且表现为立方体晶形状ꎮ进一步由DSC图谱可推断[见图3(b)]ꎬ纯对乙酰氨基酚原料药在未加热时晶型为formI(单斜型ꎬ熔融温度为168~172ħ)ꎮ对乙酰氨基酚原料药与辅料混合时ꎬ对乙酰氨基酚晶型部分转变为formⅡ(正交型)ꎬ范围变宽ꎬ推测部分晶型的转变与大分子辅料中羧基㊁羧酸的参与相关[18]ꎮ而在经过FDM3D打印的对乙酰氨基酚片剂中ꎬ经过对乙酰氨基酚原料药与辅料混合加热ꎬ对乙酰氨基酚晶体存在形式全部转变为formⅡ(正交型ꎬ熔融温度为154~160ħ)ꎮ该转变符合文献中温度升高时对乙酰氨基酚的晶型转换规律[19]ꎮ4㊀讨论与结论FDM技术在制剂生产的3D打印中应用最为广泛ꎬ目前已可用于各种片剂及缓㊁控释制剂的制备ꎮ本试验中ꎬ以对乙酰氨基酚为主药ꎬ以聚乙烯醇(PVA)㊁聚乳酸(PLA)㊁羟丙基纤维素(HPC)㊁纤维素衍生物等热塑性聚合物为辅料ꎬ通过热熔挤出技术挤出长丝ꎬ并检验了打印过程的流畅性(进料是否顺畅)㊁黏弹性(挤出是否顺畅)与室温成型性等ꎮ热熔挤出步骤不仅影响着制剂的可打印性ꎬ也影响打印片剂的硬度㊁崩解㊁溶出等关键性能ꎮ通过筛选ꎬ确定了最优处方组成为APAPʒ塑化ECʒHPMC=25ʒ50ʒ25ꎬTEC用量为20%ECꎮ筛选出最优长丝辅料后ꎬ本试验进一步对挤出与打印参数(如挤出温度㊁挤出速度㊁打印温度等)进行筛选ꎬ以实现最佳的片剂机械性质及释药特性ꎮ通过考察ꎬ最终确定挤出转速为30r㊀a.对乙酰氨基酚制品显微状态图ꎬ左为对乙酰氨基酚粉末ꎬ右为对乙酰氨基酚片ꎻb.对乙酰氨基酚原料药㊁辅料㊁原辅料混合㊁及片剂粉末差示量热扫描图图3㊀对乙酰氨基酚制品显微状态及差示量热扫描图min-1ꎬ挤出温度为135ħꎮ此外ꎬ打印温度主要影响片剂的表观及体外释放结果ꎬFDM技术的打印温度范围通常介于150~230ħ之间ꎮ通过试验发现ꎬ打印温度160~170ħ时ꎬ制备的片剂外观完整㊁层间叠加平整ꎬ对乙酰氨基酚在试验温度下稳定ꎬ含量测定合格ꎬ24h体外释放累积百分率90%以上ꎬ预测药物以骨架溶蚀的方式缓慢释放ꎮ在药剂学领域ꎬ活性药物成分的生物利用度的提高是当前药物开发中面临的最大挑战之一ꎬ而影响生物利用度的最常见问题则是水溶性问题ꎮ以对乙酰氨基酚为例ꎬ其高结晶度凝聚可能会降低其溶解度ꎬ从而影响其生物利用率ꎮ基于此ꎬ使用更多的可溶性固体形式ꎬ如多晶或无定形系统ꎬ可以增加溶解度ꎬ提高生物利用度[20-21]ꎮ而FDM3D打印技术即是最常见的实现多晶共存㊁无定型系统的形成的工艺之一ꎮ同时ꎬFDM3D打印常可通过固化熔体的致密性减慢药物的释放ꎬ从而相应地减缓药物在体内的代谢与排泄ꎮ这种熔融效应同样也可解决压片过程中乙基纤维素㊁羟丙基甲基纤维素等高分子辅料出现的可压性差㊁密度差异大㊁难以混匀等问题ꎮ在适宜的温度下(160ħ)及增塑剂柠檬酸三乙酯的参与下ꎬ高分子辅料被制备为机械强度更高的片剂ꎬ其硬度增加㊁脆碎度减小ꎬ层间结合更加紧密ꎬ成形性增加[7]ꎮFDM3D打印技术可实现对3D建模的最大化还原ꎮ本试验中ꎬ质量优良的载药细丝为3D建模的重现提供了基础ꎬ在此基础上对乙酰氨基酚缓释片剂的成功制备也为3D打印药品的个性化定制提供了可行性证明ꎮ通过简单改变3D模型的尺寸ꎬ即可影响最终成片的尺寸与剂量ꎬ为幼儿㊁老人等特殊人群实现定制服药[22]ꎮ同时ꎬ若在设计过程中换用低密度辅料ꎬ改变载药细丝的密度ꎬ则可使得片剂在胃中漂浮ꎬ从而增加其胃滞留时间[23]ꎮ然而ꎬ目前关于FDM3D打印的相关设计仍然限于热塑材料的打印ꎮ如何进一步的优化FDM3D技术过程的局限性ꎬ降低打印过程中材料的黏度ꎬ发挥更多辅料运用于药剂学领域的作用ꎬ仍需要进一步研究与改进ꎮ同时ꎬ由于过程的难以量产性ꎬ如何对3D打印技术进行监管㊁技术更新等一系列的问题仍值得探讨ꎮ如何更充分地利用3D打印技术的优势ꎬ发挥其个性化制剂研发特征ꎬ增强多学科融合ꎬ是未来仍需考虑与优化的方向ꎮ相信随着技术的不断成熟ꎬ3D打印技术在制剂行业的应用会更加广泛ꎮ参考文献:[1]㊀王森怡ꎬ李思佳ꎬ涂迎盈ꎬ等.3D打印技术在口服固体制剂中的应用与挑战[J].中国新药杂志ꎬ2020ꎬ29(8):881-889.[2]MARTAFSꎬRUIMAPꎬSERGIOS.Hot-meltextrusion:aroadmapforproductdevelopment[J].AAPSPharm 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一种重组iii型胶原蛋白-透明质酸钠双重交联凝胶制备方法及应用1. 引言1.1 概述本文介绍了一种制备重组III型胶原蛋白-透明质酸钠双重交联凝胶的方法及其应用。
胶原蛋白和透明质酸钠是生物医学领域中常用的材料,具有广泛的应用前景。
通过将胶原蛋白和透明质酸钠进行双重交联处理,可以得到具有优秀性能和生物相容性的凝胶材料,可应用于组织工程、药物传输系统等领域。
1.2 文章结构本文共分为五个部分进行描述和讨论。
引言部分主要对文章进行概述,并介绍了文章的结构安排。
第二部分将对胶原蛋白和透明质酸钠进行详细介绍。
第三部分将详细叙述胶原蛋白-透明质酸钠双重交联凝胶的制备方法,包括原料准备、胶原蛋白交联处理以及透明质酸钠交联处理等步骤。
第四部分将对制备的凝胶样品进行性能测试与结果分析,包括物理性能测试和生物相容性评价结果分析等内容。
最后一部分为结论与展望,对本研究的主要结果进行总结,并对研究的不足之处和未来的应用前景进行展望。
1.3 目的本文的目的是介绍一种新颖的制备方法来获得胶原蛋白-透明质酸钠双重交联凝胶,并通过对其性能测试和分析,探索其在特殊应用领域中的潜在应用价值。
通过这项研究,我们希望为开发新型生物材料,改善组织工程和药物传输系统等领域的治疗效果提供有益参考和支持。
2. 胶原蛋白和透明质酸钠介绍:2.1 胶原蛋白:胶原蛋白是人体中最丰富的一种结构性蛋白质,占据总体的30%,在皮肤、骨骼、肌肉、血管和内脏等组织中起着重要的支持和连接作用。
它由三个左旋螺旋状α链构成,每个α链含有近千个氨基酸残基,并以其特殊的氨基酸序列Gly-X-Y 而闻名,其中X和Y通常为丙氨酸和羟磷酸。
胶原蛋白具有很好的生物相容性、生物可降解性和低免疫原性等优点,在医学领域得到广泛应用。
由于其天然来源具有一定局限性,因此通过基因工程技术或从动物组织中提取纯化过程中也实现了合成胶原蛋白。
2.2 透明质酸钠:透明质酸钠是一种多糖类化合物,由N-乙醇胺引起的D-葡萄糖和D-坎头糖二磷酸盐通过β-1,3-醛缩合成链呈线性结构,也被称为透明质酸、玻璃质酸或玻尿酸。
收稿:2012-08-30;修回:2012-09-14;基金项目:国家自然科学基金(Nos.20744001,20774049,20974050,21174070),科技部国际科技合作项目(No.2007DFA50760),天津市科技支撑计划国际科技合作项目(合同号:07ZCGHHZ01200)及教育部“新世纪优秀人才支持计划”(No.NCET-11-0264)资助;作者简介:张拥军(1971-),男,教授,主要从事水凝胶生物医用材料的基础及应用研究;*通讯联系人,E-mail:yongjunzhang@nankai.edu.cn,Tel:022-23501657.PNIPAM温敏微凝胶在生物医学领域中的应用研究张拥军*,关 英,罗巧芳,刘鹏霄,甘添天,王东东,邢淑滢,廖 望,张娅彭,程 丹(功能高分子材料教育部重点实验室,南开大学化学学院高分子化学研究所,天津 300071) 摘要:水凝胶因其良好的生物相容性及环境刺激响应性而在生物医学领域有着广泛的用途,但仍存在机械强度差、响应速度慢、不能生物降解等缺点。
针对这些问题,特别是宏观水凝胶响应慢的问题,我们近年来以具有温度敏感性的聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)微凝胶为基础,设计制备了一系列生物材料,分别应用于药物控释、生物传感以及组织工程等生物医学领域。
我们设计制备了具有良好葡萄糖敏感性的PNIPAM微凝胶,实现了可自我调控的胰岛素可控释放。
以PNIPAM微凝胶为基础,提出了新的聚合胶态晶体阵列光学传感方法,设计制备了多种可快速响应的新型生物光学传感器。
实现了PNIPAM微凝胶的实时凝胶化,并将其发展成为一种新型的可注射细胞支架材料。
进一步利用该体系的可逆性,提出了制备在药物筛选、肿瘤研究以及组织工程等领域有重要用途的多细胞球的新方法。
关键词:水凝胶;微凝胶;药物控释;生物传感;细胞支架引言水凝胶是能在水中溶胀而不溶解的交联的亲水性高分子网络。
透明质酸水凝胶的制备与评价柯磊;韦丽君;董晓莹;杨晨;周利玫;胡燕【期刊名称】《材料科学与工程学报》【年(卷),期】2016(034)004【摘要】透明质酸(HA)被广泛地用于生物医药领域.以1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)-碳化二亚胺/N-羟基丁二酰亚胺(EDC/NHS)催化HA与己二酸二酰肼(ADH)反应,制备化学交联的HA水凝胶.通过扫描电镜和红外光谱来测定HA与HA水凝胶的结构,测量HA水凝胶在模拟胃肠液中的溶胀率,并以牛血清白蛋白(BSA)为模型药物,初步探讨了HA水凝胶体系的释药行为.实验结果显示:HA水凝胶由酰胺键生成三维网络结构且网络孔径较大,具有较好的吸水性能.该水凝胶制备过程简单,反应迅速,条件温和,属酸敏突释释药体系.【总页数】6页(P629-633,655)【作者】柯磊;韦丽君;董晓莹;杨晨;周利玫;胡燕【作者单位】中南民族大学药学院,湖北武汉430074;中南民族大学药学院,湖北武汉430074;中南民族大学药学院,湖北武汉430074;中南民族大学药学院,湖北武汉430074;中南民族大学药学院,湖北武汉430074;中南民族大学药学院,湖北武汉430074【正文语种】中文【中图分类】R318.08【相关文献】1.VE-cad-Fc功能化透明质酸水凝胶的制备与表征 [J],2.琼脂糖/明胶/透明质酸/田胞外基质水凝胶的制备与性能表征 [J], 李静静;郭璇;解军;黄磊;索金荣;傅松涛3.可注射型透明质酸水凝胶的制备及性能研究 [J], 农洁偶;冯娴婧;郑立4.透明质酸/N-异丙基丙烯酰胺复合水凝胶的制备及其性能 [J], 黄缘麟;李娴;龙泉;何珂雯;郭超;魏湖波;叶旭5.壳聚糖/氧化石墨烯/透明质酸钠复合温敏性水凝胶的制备及理化性质 [J], 王雅倩;洪莹莹;宋健;詹玉林因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
基于显微特征颜色量化评价判别栀子与焦栀子王 玲1,张学兰1,2,李慧芬1,孔庆悦1,陈鑫凤1,刘阳阳1,杨雨思1(1.山东中医药大学,山东 济南 250355;2.山东省高校中药质量控制与全产业链建设协同创新中心,山东 济南 250355)[摘要] 目的:建立基于显微特征颜色量化评价的栀子与焦栀子判别方法。
方法:采用显微成像技术和显微特征颜色提取软件测定栀子与焦栀子显微特征颜色,利用Kruska -Wallis H 秩和检验、Fisher 判别分析法分析栀子与焦栀子显微特征颜色差异,建立判别函数。
结果:栀子与焦栀子显微特征(内果皮石细胞、内果皮纤维、种皮石细胞)的亮度值(L *)、红绿色值(a *)、黄蓝色值(b *)和总色度值(E *ab )均有显著差异(P <0.01)。
以种皮石细胞颜色对二者进行判别,其判别函数为y =0.678×L *+0.384×a *-0.576×b *-9.322,y >0为栀子,y <0为焦栀子。
结论:通过显微特征颜色量化评价,实现了栀子与焦栀子的有效判别,为栀子生、制饮片的判别和质量评价提供了新方法。
[关键词] 栀子;焦栀子;显微特征颜色;量化评价;显微成像技术;Fisher 判别分析[中图分类号] R282.740.3 [文献标志码] A [文章编号]1007-659X (2024)01-0100-06DOI :10.16294/ki.1007-659x.2024.01.016Distinguishing Between Zhizi (Gardeniae Fructus ) and Jiaozhizi (Gardeniae Fructus Praeparatus ) Based on Quantitative Evaluation of Microscopic Characteristic ColorWANG Ling 1,ZHANG Xuelan 1,2,LI Huifen 1,KONG Qingyue 1,CHEN Xinfeng 1,LIU Yangyang 1,YANG Yusi 1(1.Shandong University of Traditional Chinese Medicine ,Jinan 250355,China ;2.Shandong Province University Collaborative Innovation Center of Traditional Chinese Medicine Quality Control and Construction of Whole Industry Chain ,Jinan 250355,China )Abstract Objective :To establish a method to distinguish Zhizi (Gardeniae Fructus ) and Jiaozhizi (GardeniaeFructus Praeparatus ) based on quantitative evalua⁃tion of microscopic characteristic color. Methods :The microscopic imaging technology and the micro⁃scopic characteristics color extraction software were used to measure the microscopic characteristiccolor. Kruska -Wallis H test and Fisher discriminant analysis method were used to analyze the micro⁃scopiccharacteristic color differences betweenZhizi and Jiaozhizi ,and a discriminant function wasestablished. Results :There were significant differ⁃[收稿日期] 2022-09-21[基金项目] 国家重点研发计划项目(编号:2018YFC1707204,2018YFC1707002);山东省高校中药质量控制与全产业链建设协同创新中心资助项目(编号:CYLXTCX2021-12);国家中医药管理局中药炮制技术传承地项目(批文号:国中医药科技中药〔2022〕59号);山东省中医药科技发展计划项目(编号:2019-0955)[作者简介] 王玲(1997—),女,山东青岛人,2020年级硕士研究生,研究方向:中药炮制原理与饮片质量控制研究。
第42卷第8期2015年8月Vol.42,No.8August,2015
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0804003-光学相干层析成像技术用于三维生物打印水凝胶支架结构的定量评价研究
王玲涂沛石然徐铭恩杭州电子科技大学生命信息与仪器工程学院,浙江杭州310018摘要三维生物打印水凝胶支架内部结构的无损检测分析,对组织工程支架设计制造和生物功能实现具有重要意义。提出用扫频光学相干层析成像技术(SS-OCT)对三维生物打印的水凝胶支架进行无损成像和定量分析。设计和打印了4种代表性结构的三维水凝胶支架。用高分辨SS-OCT成像系统重建并揭示了支架内部三维结构,识别出打印支架与设计结构的差异以及孔融合、孔变形、通道堵塞等打印缺陷。基于阈值分割和形态操作的自动分析算法,定量表征了支架的孔隙大小及分布、实体支撑尺寸、孔隙率和三维连通性等结构参数。研究证明,OCT技术可以为三维生物打印水凝胶支架的优化设计、过程控制、功能分析提供有力工具。关键词生物光学;光学相干层析成像;三维生物打印;水凝胶支架;定量表征中图分类号TN247文献标识码Adoi:10.3788/CJL201542.0804003
QuantitativeEvaluationofThree-DimensionalBio-PrintedHydrogelScaffoldsbyOpticalCoherenceTomography
WangLingTuPeiShiRanXuMing′enCollegeofLifeInformationScienceandInstrumentEngineering,HangzhouDianziUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China
AbstractNondestructiveinvestigationandanalysisoftheinternalstructureofthree-dimensional(3D)bio-printedhydrogelscaffoldsisveryimportantforthedesign,fabrication,andbiologicalfunctionsofengineeredtissuescaffolds.Swept-sourceopticalcoherencetomography(SS-OCT)isappliedtonondestructiveimagingandquantitativeanalysisof3Dbio-printedhydrogelscaffolds.3Dbio-printingtechniqueisusedtoproducefourrepresentativedesignedgeometriesofhydrogelscaffolds.High-resolutionSS-OCTvisualizesthethree-dimensionalinternalstructureofthescaffolds,identifiesthedifferencebetweenthedesignedmodelandas-producedconstruction,anddetectstheprinteddefectssuchasfusedpores,deformationofpores,breakagesofflowchannels.Theautomaticimaginganalysisalgorithmsaredevelopedtoquantitativelycharacterizetheporesize(PS)anditsdistribution,strutsize(StS),volumeporosity(VP),andporeinterconnectivity(PC).ItconcludesthatOCTmaybeakeytoolforthedesignoptimization,processrefinement,functionrealizationof3Dbio-printedhydrogelscaffolds.Keywordsbiotechnology;opticalcoherencetomography;three-dimensionalbio-printing;hydrogelscaffolds;quantitativecharacterizationOCIScodes170.3880;170.4500;170.3130
收稿日期:2015-02-28;收到修改稿日期:2015-04-18基金项目:国家自然科学基金(61108083,81371695)作者简介:王玲(1980—),女,博士,副教授,主要从事生物医学光学成像方面的研究。E-mail:lingw@hdu.edu.cn
1引言设计和制造满足再生医学性能要求的支架一直是组织工程研究的重点。三维生物打印技术可以无毒且方便地按照预先设计的几何结构制备出完全连通的三维结构,已成为制造可以进行细胞接种或细胞封装
1中国激光0804003-的生物支架的良好工具[1]。水凝胶具有良好的生物相容性、可降解性、亲水性以及包裹细胞的强大能力,这使得水凝胶被广泛应用于构建组织工程支架[2-3]。水凝胶和三维生物打印技术的结合为开发可细胞接种/封
装的组织工程支架提供了一种设计关联的可控解决方案。但水凝胶成分复杂、力学性能差,要三维打印出与设计结构一致的支架尚有许多问题需要解决。支架的力学性能主要由支架的孔形、孔径、孔隙率及连通性等结构参数决定,支架的内部结构特征直接影响着细胞的增殖和分化功能[4]。因此,无损深入支架内部进
行高分辨成像对支架制造和功能分析具有重要意义。为避免破坏性的切片检查,多种成像技术被用来检测组织工程支架和组织[5-9]。如应用显微计算层析术
对骨组织工程支架成像[6]。磁共振成像(MRI)技术用于检测组织工程支架移植前的结构和成分,并监测间充
质干细胞分化形成组织[7]。超声弹性成像可用于描述大块工程组织内的弹性粒子分布[8]。但是,这些成像技
术用于水凝胶支架成像仍然存在问题。水凝胶的高含水量特点导致显微计算层析术对水凝胶成像时对比度过低,且X射线的高离子性可能损伤细胞。MRI和超声弹性成像的分辨率有限。此外,共焦显微术、多光子显微术(MPM)等光学成像方法也可用于对组织工程支架成像[9],其分辨率高,可以达到亚微米级,缺点在于
成像深度有限,如共焦显微术对高散射样品的成像深度大约为100μm,MPM的穿透深度也限制在400~500μm。光学相干层析成像[10](OCT)是近年来迅速发展起来的实时无损微观成像技术,能够提供样品三维
高分辨图像,成像分辨率可以达到1~15μm,对高散射样品的成像深度达到数毫米。OCT优越的成像性能在无损检测领域及组织工程领域具有广泛应用前景[11-15]。
近年来,OCT应用于传统组织工程技术制造的支架和组织的研究正逐步开展[16-21]。Rey等[18]将细胞与凝
胶混合,用OCT技术检测了细胞在凝胶材料中的三维和四维迁移。Chen等[21]利用OCT对粒子盐析法制备的
水凝胶多孔结构进行定量评价。国内曾有报道OCT用于分辨率测试3D打印光敏树脂制作的模拟眼,研究重在OCT分辨率的标定价值[22]。这些研究验证了OCT用于水凝胶支架评价的可行性,但由于缺乏凝胶结构
的精确制造技术,对生物功能具有重要意义的支架结构的研究比较局限。三维生物打印技术可以预定义水凝胶支架孔的形状、尺寸和内部通道结构,为OCT在这一领域的应用提供了新空间,也为支架内部结构的定量评价带来新问题。因此,必须发展新算法来自动处理大量的OCT序列图像,定量可视化支架内部通道结构,对比设计模型和实际结构差异,表征支架的孔隙大小(PS)和分布、实体支撑尺寸(StS)、孔隙率(VP)和三维连通性(PC)等参数,以便提高三维生物打印支架的可控性和稳定性,更好地预测支架的生物学功能。本文基于之前开发的三维生物打印平台[3,23],设计和制造了4种预先定义几何尺寸及结构的水凝胶支
架,利用扫频光学相干层析成像(SS-OCT)系统实现三维生物打印支架的高分辨成像和结构定量评价。基于图像阈值分割和形态操作开发了自动分析算法来实现支架复杂内部结构的三维可视化,定量表征三维生物打印水凝胶支架的结构参数,分别从二维和三维空间详细比较分析了设计模型和制备支架之间的差异性,初步探讨了打印工艺与支架成型结果之间的关联性。
2支架的设计与制备
采用Solidworks软件设计了4种不同的支架结构,按照孔形和内部流体通道的不同可以定义为T400、R400、T400-LC、R400-LC。其中T代表设计的支架大孔孔形为三角形,R代表设计的孔形为正方形。400代
表设计的PS为400μm,定义PS为与孔面积等大的圆的直径。支架的StS设定为200μm。LC代表支架存在横向通道(LC),若没有横向通道,支架只有纵向通道,且纵向通道与孔形类似;若存在横向通道,对于T400-LC来说,横向通道定义为支架表面以下800μm处横向打通沿孔以及与孔成60°夹角的通道,对于R400-LC,
横向通道定义为支架表面以下800μm处横向打通沿孔和垂直孔方向的通道,所有横向通道为方形柱体,且方形的边长为400μm。支架的外形为圆柱体,圆柱直径为10mm,高为4mm。明胶和海藻酸钠[3]都是天然生物材料,无毒、可降解,与细胞生物相容性良好,采用明胶和海藻酸钠按照
1∶1比例均匀混合制成打印用的水凝胶生物墨水,按照上述设计的理论模型制备3D多孔水凝胶支架。支架
的制备基于之前开发的三维生物打印平台,如图1所示,该打印机有两个喷头,均采用精密气动喷头,一个喷头装有打印用的生物墨水,一个喷头装雾化交联用对细胞无害的CaCl2
溶液,三维生物打印机的中心控制系
统控制喷头的初始自动定位(IAL)、驱动的气动压力(P)、温度(T)及X/Y/Z三维运动(M)。打印时生物墨水喷射2