NGHIÊN CỨU BÀO CHẾ BỘT HÍT PHÂN PHỐI CURCUMIN ĐẾN PHỔI
Phạm Đình Duy1, Lê Xuân Trường1, Cao Đình Hoàng1
TÓM TẮT
Mục tiêu: Nghiên cứu tạo dạng bột hít chứa curcumin bằng phương pháp phun sấy, tiến tới nghiên cứu ứng dụng trong điều trị các bệnh viêm ở đường hô hấp.
Đối tượng và phương pháp nghiên cứu: Khảo sát tìm công thức giúp hòa tan tốt curcumin và ổn định cho phun sấy thông qua đánh giá độ tan, độ trong và độ lắng. Công thức dịch phun và các thông số quy trình phun sấy được tối ưu hóa bằng phần mềm Design-Expert với mô hình thực nghiệm Taguchi.
Kết quả: Công thức dịch chứa curcumin tan tốt, ổn định và phù hợp cho phun sấy gồm các thành phần curcumin, Lipoid S100, Poloxamer 407, leucin, hỗn hợp cồn : nước tỷ lệ 1 : 20 và curcumin chiếm 0,03%. Mô hình thực nghiệm Taguchi gồm 9 công thức đã được thiết lập. Qua quá trình phân tích dữ liệu thực nghiệm, phần mềm Design-Expert đề xuất các công thức tối ưu với các chỉ số mong muốn (desirability) khác nhau. Công thức có chỉ số mong muốn cao nhất (0,933) được lựa chọn, với tỷ lệ chất rắn: leucin là 1:2, nồng độ chất rắn của dịch phun là 4 g/L, áp suất phun 0,3 MPa và tốc độ cấp dịch là 5 mL/phút. Kết quả phổ nhiễu xạ tia X của curcumin và bột khô cho thấy curcumin trong bột tồn tại chủ yếu ở dạng vô định hình. Sự so sánh giản đồ nhiệt vi sai của curcumin và bột khô curcumin cùng phân tích phổ hồng ngoại cho thấy có sự tương tác giữa curcumin, Lipoid S100 và leucin.
Kết luận: Đề tài đã nghiên cứu bào chế được dạng bột hít chứa curcumin với các đặc tính khí động học và hình thái học đạt yêu cầu, là cơ sở để nghiên cứu sâu hơn và tiến tới đánh giá hiệu quả điều trị về mặt lâm sàng.
Từ khóa: bột khô hít, curcumin, phun sấy, khí động học
ABSTRACT
PREPARATION OF INHALABLE DRY POWDER CONTAINING CURCUMIN
Pham Dinh Duy, Le Xuan Truong, Cao Dinh Hoang
* Ho Chi Minh City Journal of Medicine * Vol. 25 - No. 6 - 2021: 46 - 54 Objective: The study aims at formulating inhalable dry powders containing curcumin by spray-drying method toward apply in the treatment of inflammatory diseases in the respiratory tract.
Method: The formula that curcumin exists in good solubility state and stabilizes in spray-drying process is selected through visual evaluation of solubility, clarity and sediment formation. The formulation then is optimized by Design-Expert software with a Taguchi experimental model. Finally, the optimal formula will be verified by experments and investigated physicochemical properties.
Results: The liquid formulation that is suitable for spray drying includes curcumin, Lipoid S100, Poloxamer 407, leucine, ethanol: water ratio of 1: 20 and curcumin ratio is 0.03%. The Taguchi experimental model with 9 formulas has been established. Based on analysis of variance ANOVA, Design-Expert software proposed optimal formulas with different desirabilities. The formula with the highest desired desirability (0.933) is chosen, with 1:2 for solid: leucine ratio, 4 g/l for fluid concentration, 0.3 MPa for spray pressure and 5 ml/min for feed rate.
Results of X-ray diffraction of curcumin and dry powders show that curcumin in powders exists mainly in amorphous form. The comparison between DSC curves of curcumin and curcumin-dry powders and the analysis of IR shows an interaction among curcumin, Lipoid S100 and leucine.
Conclusion: The study has prepared curcumin-loaded dry powder inhalers with satisfactory aerodynamic
1Khoa Dược, Đại học Y Dược Thành phố Hồ Chí Minh
Tác giả liên lạc PGS.TS.DS. Phạm Đình Duy ĐT: 0908832827 Email: [email protected]
and morphological characteristics. This result is the basis for further study and clinical efficacy assessment.
Key words: dry powder inhalers, curcumin, spray-drying
ĐẶT VẤN ĐỀ
Curcuminoid là tên gọi cho một nhóm các hợp chất phenolic được phân lập từ thân rễ cây Nghệ (Curcuma longa L.), họ Zingiberaceae.
Trong đó, curcumin nổi bật với nhiều hoạt tính sinh học đa dạng như làm lành vết thương, tác động trên hệ tiêu hóa, hệ tim mạch, chống huyết khối, chống khối u, tác động trên chuyển hóa lipid và nổi bật nhất là tác dụng kháng viêm(1).
Ngày nay, quá trình công nghiệp hóa làm môi trường trở nên ô nhiễm hơn, chất lượng không khí xuống thấp dễ gây ra nhiều bệnh hô hấp liên quan đến viêm như dị ứng, hen suyễn, viêm phế quản và nhất là bệnh phổi tắc nghẽn mạn tính. Việc ứng dụng khả năng kháng viêm của curcumin để điều trị các bệnh lý viêm ở đường phổi là rất hứa hẹn vì dược chất này đã được dùng lâu đời; tính an toàn cao, không có độc tính khi sử dụng liều 8 g/ngày(2).
Để đưa thuốc được vào phổi thì dạng bột hít có nhiều ưu điểm như thân thiện môi trường do thiết kế không có khí đẩy; cách dùng không phức tạp như dạng hít định liều (MDI); công thức ổn định hơn dạng hít định liều hay thuốc xông hít do không chứa dung môi lỏng(3). Do đó, đề tài này được thực hiện nhằm mục đích bào chế bột hít phân phối curcumin đến phổi bằng phương pháp phun sấy.
ĐỐI TƯỢNG - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nguyên liệuCurcumin đạt tiêu chuẩn USP 36 (Ấn Độ);
Lipoid S100 (Đức), Poloxamer 407 (Trung Quốc), leucin (Mỹ), ethanol tuyệt đối (Việt Nam) và nước cất 2 lần (Việt Nam) đạt TCCS. Phần mềm Design Expert® phiên bản 11.0.4.0 (Stat - Ease, Inc., Mỹ).
Phương pháp nghiên cứu
Khảo sát thành phần dịch phun sấy
Thành phần của dịch phun sấy bao gồm:
curcumin, leucin, Lipoid S100, Poloxamer 407 và ethanol tuyệt đối. Các công thức dịch chứa curcumin được trình bày ở Bảng 1. Pha chế từng công thức trên, cho vào ống đong 100 ml, để yên trong 30 phút (ban đầu). Tiến hành đánh giá độ trong và độ lắng (ban đầu và sau 6 giờ).
Độ trong
Tiến hành theo Phụ lục 9.2 Dược điển Việt Nam V (xác định độ trong của dung dịch). Quy ước: không đục quá hỗn dịch đối chiếu I: hoàn toàn; không đục quá hỗn dịch đối chiếu II: trung bình; không đục quá hỗn dịch đối chiếu III: ít;
không đục quá hỗn dịch đối chiếu IV: không.
Độ lắng
Tiến hành gạn phần cắn dưới đáy, sấy đến khối lượng không đổi. Tính phần trăm khối lượng cắn đã lắng so với tổng khối lượng đã sử dụng (%mlắng).
Bảng 1. Các công thức khảo sát dịch phun sấy
Công thức Thành phần (%)
Curcumin Leucin Lipoid S100 Poloxamer 407 Ethanol tuyệt đối Nước cất 2 lần
F1 0,03 0,9 0 0 0 vđ 100
F2 0,03 0,9 0 0 5 vđ 100
F3 0,03 0,9 0 0 10 vđ 100
F4 0,03 0,9 0,14 0 5 vđ 100
F5 0,03 0,9 0,14 0,28 5 vđ 100
Thiết kế, tối ưu hóa công thức và thông số phun sấy
Quá trình phun sấy được tiến hành trên thiết bị Pilotech YC-500 (Shanghai Pilotech, Trung Quốc). Trong quá trình vận hành, các
thông số cố định gồm: tốc độ cấp khí nóng 120 m3/ giờ, nhiệt độ đầu vào 160 oC; các thông số thay đổi bao gồm: nồng độ chất rắn của dịch phun, tỷ lệ chất rắn/leucin, tốc độ bơm dịch, áp suất phun. Hiệu suất của quá trình phun sấy được tính theo công thức sau:
Thiết kế mô hình thực nghiệm
Mô hình Taguchi mảng trực giao (orthogonal arrays) được sử dụng trong thiết kế thực nghiệm để giảm thiểu số thí nghiệm cần thực hiện. Thiết kế thực nghiệm dựa trên 4 biến độc lập bao gồm tỷ lệ chất rắn/leucin; nồng độ chất rắn của dịch phun (g/l); áp suất phun sấy (MPa); tốc độ cấp dịch (ml/phút) và 5 biến phụ thuộc bao gồm hiệu suất phun sấy (%); phần trăm bột thuốc thoát ra khỏi nang (hiệu suất thoát - EF) (%); kích thước khí động học trung bình (median mass aerodynamic diameter - MMAD) (µm); tỷ lệ bột mịn (fine-particle fraction - FPF) (%) và kích thước tiểu phân (µm).
Tối ưu hóa công thức
Dữ liệu thực nghiệm được phân tích phương sai (ANOVA), giá trị p-value cũng như độ chính xác tương thích để xác định sự ảnh hưởng của từng biến độc lập lên các biến phụ thuộc. Từ đó tối ưu hóa công thức các biến độc lập ảnh hưởng đến quá trình phun sấy để đạt được kết quả theo mong muốn.
Đánh giá đặc tính lý hóa của bột thành phẩm Phân tích phổ nhiễu xạ tia X
Tiến hành phân tích trong phạm vi góc từ 2o2θ đến 80o2θ trên thiết bị D8–ADVANCE (Bruker Corporation, Mỹ), với điện áp gia tốc 40 kV, cường độ dòng 40 mA, bức xạ Cu–Kα (dùng tấm lọc Ni), tốc độ quét 0,02o 2θ/0,5 giây.
Phân tích giản đồ nhiệt vi sai
Phân tích bằng máy phân tích nhiệt Q20 (TA Instruments, Mỹ), chương trình nhiệt 30 °C - 350 °C, cân bằng nhiệt ở 30 °C, tốc độ nhiệt thay đổi 10 °C/ phút. Xác định nhiệt độ bắt đầu nóng chảy, đỉnh nóng chảy và enthanpy của quá trình chuyển đổi (ΔH) đối với mỗi mẫu đo.
Phân tích phổ hồng ngoại FT-IR
Tiến hành đo phổ hồng ngoại bằng máy Tensor 27 (Bruker Optics, Đức) ở số sóng 4000 – 400 cm-1.
Hình thái học qua kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Đánh giá bằng kính hiển vi điện tử quét Hitachi S4800 (Hitachi, Nhật Bản) dưới điện trường 10 kV, khoảng cách tiêu cự 7,9 mm.
Đo kích thước tiểu phân bột
Xác định bằng trắc vi thị kính của kính hiển vi Olympus CH20 (Olympus, Nhật Bản) với độ phóng đại 400 lần.
Đánh giá đặc tính khí động học của bột thành phẩm
Thiết lập hệ thống khí động học Andersen Cascade Impactor (TPK 2000, Copley Scientific, Anh). Điều chỉnh lưu lượng không khí qua dụng cụ 60 ± 5 L/phút. Chuẩn bị ống hít để sử dụng (Aerolizer®, Novartis, Thụy Sĩ). Cân bột sau khi phun sấy, cho vào viên nang hydroxy propyl methyl cellulose cỡ số 4 (LGA, Pháp), đặt viên nang vào ống hít, mỗi lần thử nghiệm dùng 2 viên. Kiểm tra các thông số áp suất, lưu lượng khí của máy chân không, các mối nối giữ máy bơm chân không. Bật máy bơm trong 5 giây.
Tiến hành tương tự với viên thứ 2. Cân lại viên nang sau thử nghiệm để tính hiệu suất thoát EF% của bột:
Xác định lượng bột được giữ lại trên mỗi tầng khí động học của thiết bị thử nghiệm. Từ đó, tính khối lượng bột tích lũy và phần trăm tích lũy qua mỗi tầng. Xây dựng đồ thị tương quan giữa phần trăm khối lượng bột tích lũy qua mỗi tầng và kích thước lỗ của mỗi tầng. Đường kính khí động học trung bình (MMAD) của tiểu phân trong bột được xác định từ đồ thị là kích thước tiểu phân suy ra từ đường chiếu ở mốc 50% khối lượng bột tích lũy. Tỷ lệ bột mịn (FPF) được tính bằng cách nội suy từ đồ thị là tỉ lượng bột thoát ra khỏi nang
với lượng bột tương ứng với đường kính khí động học ≤ 5 µm.
KẾT QUẢ
Kết quả khảo sát thành phần dịch phun sấy Bảng 2. Kết quả khảo sát công thức dịch phun sấy
Công thức Độ trong %mlắng (%) Ban đầu Sau 6 giờ F1 - 92,44 ± 3,15 92,44 ± 5,18 F2 - 61,33 ± 7,02 85,56 ± 4,02 F3 + 60,89 ± 7,31 83,33 ± 3,33 F4 ++ 39,78 ± 5,75 59,78 ± 8,01 F5 +++ 6,89 ± 2,78 20,67 ± 3,71
- Không; + Ít; ++ Trung bình; +++ Hoàn toàn
Kết quả khảo sát các tính chất của dịch phun được thể hiện ở Bảng 2. Thành phần dịch phun của công thức F5 được sử dụng cho quá trình tối ưu hóa ở giai đoạn tiếp theo. Lượng leucin thay đổi theo từng thực nghiệm.
Kết quả thiết kế, tối ưu hóa công thức và thông số phun sấy
Thiết kế mô hình thực nghiệm
Kết quả thiết kế thực nghiệm được trình bày trong Bảng 3.
Tối ưu hóa công thức
Phân tích phương sai để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các biến độc lập đến các biến phụ thuộc và ý nghĩa của mô hình tổng thể. Kết quả phân tích được trình bày trong Bảng 4.
Giá trị p-value của mô hình tổng thể lên cả 5 biến phụ thuộc đều < 0,05, cho thấy tổng thể các biến độc lập đều ảnh hưởng có ý nghĩa thống kê lên từng biến phụ thuộc. Giá trị độ chính xác tương thích đo tỷ lệ giữa ‘tín hiệu’ và ‘nhiễu’, tỷ lệ này > 4 được xem là phù hợp. Sự chênh lệch của các giá trị R2 hiệu chỉnh và R2 dự đoán đều nhỏ hơn 0,2 nên mô hình được xem là phân tích và dự đoán hợp lý. Từ đó cho thấy mô hình đã thiết kế có ý nghĩa về mặt thống kê và có thể dùng để tối ưu hóa các biến độc lập.
Bảng 3. Dữ liệu thực nghiệm của mô hình Taguchi L9
Công thức A B C D R1 R2 (n=3) R3 (n=3) R4 (n=3) R5 (n=3)
1 1:2 4 0,30 7 14,37 69,43±5,27 6,53±0,76 38,49±1,53 1,65±0,12
2 1:3 3 0,30 3 16,00 94,44±2,36 6,58±0,35 37,62±2,37 1,68±0,23
3 1:2 3 0,24 5 21,33 96,12±3,52 7,28±0,52 33,52±2,87 1,81±0,18
4 1:4 2 0,30 5 15,20 98,19±3,68 5,68±0,24 43,82±3,13 1,43±0,16
5 1:3 4 0,18 5 23,67 78,27±4,23 8,04±0,57 30,51±2,45 2,03±0,32
6 1:2 2 0,18 3 14,58 91,32±5,36 8,42±0,45 28,06±1,76 2,13±0,28
7 1:3 2 0,24 7 18,21 70,81±5,52 7,78±0,33 31,06±2,84 1,96±0,19
8 1:4 4 0,24 3 17,33 98,16±2,13 7,40±0,27 32,57±1,58 1,5±0,25
9 1:4 3 0,18 7 17,00 75,67±3,65 9,29±0,41 26,00±1,15 2,27±0,34
A: tỷ lệ chất rắn/leucin; B: nồng độ chất rắn của dịch phun (g/l); C: áp suất phun sấy (MPa); D: tốc độ cấp dịch (ml/phút); R1: hiệu suất phun sấy (%); R2: hiệu suất thoát EF (%); R3: kích thước khí động học trung bình (µm);
R4: tỷ lệ bột mịn (%); R5: kích thước tiểu phân (µm) Bảng 4. Kết quả phân tích phương sai các biến phụ thuộc
Yếu tố R1 R2 R3 R4 R5
Tổng bình phương 35,16 962,03 9,55 242,03 0,53
Độ tự do 4 4 6 4 4
Độ lệch chuẩn 0,62 3,41 0,052 1,41 0,06
F-value 22,93 20,66 579,68 30,45 37,08
p-value
Mô hình tổng thể 0,0138 0,016 0,0017 0,003 0,0069
A - - - - -
B 0,0234 - 0,0161 - -
C 0,0093 0,0675 0,0007 0,0013 0,0034
D - 0,0067 0,0048 0,0493 0,0517
R2 0,9683 0,9650 0,9994 0,9682 0,9802
R2 hiệu chỉnh 0,9261 0,9183 0,9977 0,9364 0,9537
R2 dự đoán 0,7984 0,7408 0,9884 0,839 0,8434
Độ chính xác tương thích 13,688 10,632 78,136 15,12 16,047
Kết quả ảnh hưởng của biến độc lập lên biến phụ thuộc
Khuynh hướng và mức độ ảnh hưởng của các biến độc lập lên hiệu suất phun, hiệu suất thoát, kích thước khí động học trung bình, tỷ lệ bột mịn, kích thước tiểu phân lần lượt được thể hiện ở Hình 1 (R1, R2, R3, R4 và R5).
Điều kiện ràng buộc cho biến số và kết quả tối ưu hóa
Để phần mềm Design Expert thực hiện tối ưu hóa các thông số từ kết quả thực nghiệm, cần ràng buộc các biến độc lập trong khoảng giới hạn và đặt mục tiêu cụ thể cho các biến phụ thuộc. Các điều kiện này được thể hiện trong Bảng 5.
Bảng 5. Điều kiện ràng buộc cho các biến số
Biến số Mục tiêu Khoảng giới hạn Biến số Mục tiêu Khoảng giới hạn
A Cố định 1 : 2 R1 Trong khoảng giới hạn 14,37 – 23,67 (%)
B Trong khoảng giới hạn 2 - 4 (g/l) R2 Lớn nhất 69,43 – 98,19
C Trong khoảng giới hạn 0,18 - 0,30 (MPa) R3 Tiến tới nhỏ nhất 5,68 – 6,50
D Trong khoảng giới hạn 3 – 7 (ml/phút) R4 Lớn nhất 26,00 – 43,82
Kết quả tối ưu của các thông số và công thức được phần mềm Design Expert lựa chọn dựa trên điều kiện ràng buộc và mức độ mong muốn. Kết quả được trình bày trong Bảng 6.
Kết quả thực nghiệm kiểm chứng
Kết quả kiểm định 3 lô tối ưu và các giá trị dự đoán từ phần mềm Design-Expert được thể hiện trong Bảng 7.
Bảng 7 cho thấy chỉ số đường kính khí động học trung bình, tỷ lệ bột mịn và kích thước tiểu phân có sự lặp lại tốt giữa 3 lô kiểm chứng (CV%
lần lượt là 0,06%, 0,48% và 0,02%). Kết quả trung bình hiệu suất thoát, đường kính khí động học trung bình, tỷ lệ bột mịn và kích thước tiểu phân đều nằm trong khoảng dự đoán (độ tin cậy 95%) của mô hình.
Bảng 6. Kết quả tối ưu các thông số của bột phun sấy
Thông số Giá trị
Tỷ lệ chất rắn/leucin 1/2 Nồng độ chất rắn của dịch phun (g/l) 4
Áp suất phun (MPa) 0,3
Tốc độ cấp dịch (ml/phút) 5
Hình 1. Sự ảnh hưởng của các biến độc lập lên hiệu suất phun (R1); hiệu suất thoát (R2);
kích thước khí động học trung bình (R3); tỷ lệ bột mịn (R4) và kích thước tiểu phân (R5).
Điều kiện ràng buộc cho biến số và kết quả tối ưu hóa
Hình 1. Sự ảnh hưởng của các biến độc lập lên hiệu suất phun (R1); hiệu suất thoát (R2);
kích thước khí động học trung bình (R3); tỷ lệ bột mịn (R4) và kích thước tiểu phân (R5).
(R1) (R2)
(R4)
(R3) (R5)
Hình 1. Sự ảnh hưởng của các biến độc lập lên hiệu suất phun (R1); hiệu suất thoát (R2); kích thước khí động học trung bình (R3); tỷ lệ bột mịn (R4) và kích thước tiểu phân (R5)
Bảng 7. Kết quả kiểm nghiệm 3 lô kiểm chứng
Lô Giá trị trung bình của các chỉ tiêu kiểm nghiệm
R1 (%) R2 (%) R3 (µm) R4 (%) R5 (µm)
1 20,33 93,24 5,76 43,56 1,51
2 22,67 91,02 5,82 43,12 1,48
3 25,33 96,15 5,67 44,28 1,46
Trung bình 22,78 93,47 5,75 43,65 1,48
Hệ số biến thiên CV (%) 2,04 2,10 0,06 0,48 0,02
Dự đoán 14,05 95,16 5,70 42,41 1,47
Khoảng dự đoán (độ tin cậy 95%) 12,44 - 15,66 86,87 - 103,46 5,50 - 5,89 39,49 - 45,33 1,32 - 1,61
Kết quả đánh giá đặc tính lý hóa Kết quả phân tích phổ nhiễu xạ tia X
Kết quả được trình bày ở Hình 2 cho thấy phổ nhiễu xạ tia X của curcumin nguyên liệu có nhiều đỉnh đặc trưng với cường độ lớn ở 8,64°, 14,5°, 17,22°, 23,2°, 24,31°, 25,62°. Trong khi mẫu bột thành phẩm phun sấy có mật độ và cường
độ đỉnh đã giảm đi đáng kể so với mẫu nguyên liệu ban đầu.
Phổ hồng ngoại biến đổi (FT-IR)
Có sự khác biệt về các đỉnh ở phổ FT-IR của curcumin nguyên liệu và bột thành phẩm (Hình 4).
Hình 2. Phổ nhiễu xạ tia X của (a) curcumin nguyên liệu và (b) bột phun sấy Kết quả phân tích giản đồ nhiệt vi sai
Hình 3. Giản đồ nhiệt vi sai của (a) curcumin nguyên liệu và (b) bột phun sấy
(a)
(b)
(c)
Hình 4. Phổ FTIR của curcumin, bột phun sấy và leucin
(a) (b)
Nhiệt độ (°C) (a)
Dòng nhiệt (W/g) Dòng nhiệt (W/g)
Nhiệt độ (°C) (b)
Hình thái học qua SEM
Hình ảnh SEM cho thấy các tiểu phân bột tồn tại dưới dạng hình cầu hoặc hình đĩa lõm ở giữa (Hình 5).
Hình 5. Hình ảnh SEM của bột phun sấy dưới độ phóng đại x2000 (a) và x10000 (b)
BÀN LUẬN
Khảo sát thành phần dịch phun sấy
Curcumin ở F1 không tan, dịch phân tán bị lắng ngay từ đầu với mức độ rất nhiều. Sự hiện diện của ethanol tuyệt đối ở công thức F2 và F3 giúp cải thiện độ tan, độ trong và độ lắng so với F1. Cả F2 và F3 không cho thấy sự khác biệt đáng kể về kết quả khảo sát độ lắng (ban đầu và sau 6 giờ) khi thay đổi tỷ lệ ethanol tuyệt đối từ 5% lên 10%, do đó lượng cồn 5% ở công thức F2 được lựa chọn cho các khảo sát tiếp theo. Thành phần Lipoid S100 ở F4 giúp gia tăng độ tan, độ trong và giảm mức độ lắng so với F2. Việc bổ sung thêm Poloxamer 407 ở công thức F5 cho kết quả đánh giá tốt nhất (curcumin tan hoàn toàn, dịch trong, không bị lắng lúc ban đầu và lắng ít sau 6 giờ), nên các thành phần cho công thức phun sấy được chọn theo công thức này.
Kết quả thiết kế, tối ưu hóa công thức và thông số phun sấy
Kết quả ảnh hưởng của biến độc lập lên biến phụ thuộc
Hiệu suất phun
Việc tăng nồng độ chất rắn trong dịch phun từ 2 g/l lên 3 g/l làm tăng hiệu suất phun, nhưng khi tăng lên 4 g/l thì hiệu suất phun lại giảm. Kết quả này là do khi tăng nồng độ chất rắn của dịch phun thì lượng bột khi phun sấy nhiều hơn nên
dễ lắng đọng ở bình hứng (cyclon) giúp tăng hiệu suất. Tuy nhiên, việc tiếp tục tăng nồng độ chất rắn trong dịch phun làm độ nhớt của dịch phun tăng lên từ đó ngăn cản sự bay hơi nước trên các giọt tiểu phân phun sấy, dẫn đến các hạt tiểu phân phun sấy ẩm hơn và dễ bám dính vào thành buồng phun và đường dẫn nên làm giảm hiệu suất phun. Bên cạnh đó, khi áp suất phun tăng từ 0,18 MPa lên 0,24 MPa làm tăng hiệu suất phun, nhưng khi tăng lên 0,30 MPa thì lại giảm. Điều này là do tăng áp suất phun lên giúp tiểu phân bột phun sấy nhỏ hơn, đủ để di chuyển đến và lắng tại bình hứng, tuy nhiên nếu áp suất phun cao quá thì hạt bột trở nên quá nhỏ không lắng kịp vào bình hứng và đi vào đường ống thải và bị thải ra ngoài làm giảm hiệu suất.
Hiệu suất thoát
Việc tăng áp suất phun từ 0,18 MPa lên 0,30 MPa làm tăng hiệu suất thoát. Điều này có thể là do tăng áp suất phun thì thu được bột mịn và khô hơn nên dễ dàng thoát ra khỏi vỏ nang hơn khi thử khí động học. Trong khi đó, tăng tốc độ cấp dịch sẽ làm giảm hiệu suất thoát của bột khi thử khí động học. Vì tốc độ bơm càng tăng với lưu lượng khí sấy không đổi sẽ dẫn tới các hạt có kích thước lớn hơn do năng lượng tạo giọt dịch phun thấp hơn(4).
Kích thước khí động học trung bình (MMAD) Tăng nồng độ chất rắn trong dịch phun từ 2 g/l lên 3 g/l làm tăng MMAD, nhưng khi tăng lên 4 g/l thì lại giảm, tuy nhiên việc tăng giảm này không đáng kể. MMAD và FPF có liên quan mật thiết (r = -0,98), bột mịn càng nhiều thì MMAD của bột sẽ càng nhỏ và ngược lại. Trong khi đó, việc tăng nồng độ chất rắn không có ảnh hưởng đến tỷ lệ bột mịn. Bên cạnh đó, việc tăng áp suất phun làm giảm MMAD. Điều này được giải thích vì tăng áp suất phun thì giọt dịch phun ra càng mịn và khô nên bột thu được càng mịn, từ đó giúp giảm MMAD của bột khi tiến hành thử khí động học. Việc tăng tốc độ cấp dịch từ 3 ml/phút lên 5 ml/phút làm giảm MMAD không đáng kể, tuy nhiên khi tăng lên 7 ml/phút thì làm MMAD tăng nhiều. Nhìn chung việc tăng tốc độ
(a) (b)
cấp dịch làm tăng MMAD vì giọt dịch phun ra lớn hơn nên dẫn đến kích thước bột thu được cũng lớn hơn nên sẽ tăng MMAD khi thử khí động học cho bột, kết quả này cũng phù hợp với nghiên cứu của Billon (2000) và Stahl (2002)(4). Tỷ lệ bột mịn (FPF)
Sự thay đổi về FPF có tính tương quan thuận với áp suất phun. Lí do là vì tăng áp suất phun làm giọt dịch phun ra nhỏ hơn nên dẫn đến kích thước bột thu được cũng nhỏ nên sẽ làm tăng tỷ lệ bột mịn trong thử nghiệm khí động học của bột. Kết quả này cũng phù hợp với nghiên cứu của Patel và cộng sự (2009)(5). Khi tốc độ cấp dịch tăng từ 3 ml/phút lên 5 ml/phút làm tăng FPF, khi tăng lên 7 ml/phút thì FPF lại giảm, tuy nhiên khoảng dao động không đáng kể.
Kích thước tiểu phân
Tăng áp suất phun làm giảm kích thước tiểu phân. Khi tăng áp suất phun làm giọt dịch phun ra nhỏ hơn nên dẫn đến làm giảm kích thước tiểu phân bột thu được. Tăng tốc độ cấp dịch từ 3 ml/phút lên 5 ml/phút làm giảm kích thước tiểu phân, khi tăng lên 7 ml/phút thì kích thước tiểu phân lại tăng, tuy nhiên khoảng dao động không đáng kể.
Kết quả thực nghiệm kiểm chứng
Hệ số biến thiên của 3 lô kiểm chứng về hiệu suất phun và hiệu suất thoát khoảng 2% (lần lượt là 2,04% và 2,1%), và giá trị trung bình của hiệu suất phun nằm ngoài khoảng dự đoán.
Nguyên nhân có thể do quá trình phun sấy lượng bột dính thành thay đổi nhiều giữa các lần thực hiện nên hiệu suất có sự biến thiên mạnh.
Đối với các chế phẩm phân phối thuốc đến phổi, kích thước tiểu phân là một trong các thông số ảnh hưởng lớn đến hiệu quả điều trị.
Trong đó, việc xác định MMAD cho phép dự đoán đặc tính di chuyển đến các cấu trúc khác nhau của phổi. Các tiểu phân có kích thước < 5 µm cho khả năng lắng đọng tốt tại phế nang(6). Thực nghiệm kiểm chứng cho thấy bột thành phẩm có MMAD là 5,75 ± 0,06 µm, cần nghiên
cứu sâu hơn nhằm làm giảm MMAD để thích hợp ứng dụng trong điều trị các bệnh ở phổi.
Kết quả đánh giá đặc tính lý hóa Kết quả phân tích phổ nhiễu xạ tia X
Nhiễu xạ tia X là kỹ thuật dùng để xác định cấu trúc tồn tại của vật liệu tinh thể. Mật độ và cường độ các đỉnh trong phổ XRD thể hiện mức độ kết tinh của dược chất(7). Kết quả cho thấy phổ nhiễu xạ tia X của curcumin nguyên liệu có nhiều đỉnh đặc trưng với cường độ lớn ở 8,64°, 14,5°, 17,22°, 23,2°, 24,31°, 25,62°, chứng tỏ curcumin tồn tại chủ yếu ở dạng kết tinh. Kết quả này tương tự với nghiên cứu của Francesco cùng cộng sự (2010) về phổ nhiễu xạ tia X của curcumin(8). Trong khi mẫu bột thành phẩm phun sấy có mật độ và cường độ đỉnh đã giảm đi đáng kể so với mẫu nguyên liệu ban đầu, đồng thời không còn các đỉnh đặc trưng ở 8,64°, 14,5°, 17,22°. Điều này cho thấy phần lớn curcumin trong bột thành phẩm có thể đã chuyển sang trạng thái vô định hình.
Kết quả phân tích giản đồ nhiệt vi sai
Phân tích nhiệt quét vi sai (DSC) là công cụ nhiệt động lực học dùng để đánh giá trực tiếp sự hấp thu năng lượng nhiệt xảy ra ở một mẫu trong phạm vi tăng hoặc giảm nhiệt độ quy định. DSC thường được sử dụng để xác định nhiệt độ chuyển nhiệt của các chất trong dung dịch, chất rắn hoặc huyền phù(9). Giản đồ nhiệt vi sai của bột thành phẩm không có đỉnh nóng chảy ở vị trí tương tự curcumin nguyên liệu, đồng có sự khác biệt về enthanpy. Điều này có thể do curcumin trong thành phẩm bột phun sấy có sự chuyển dạng sang trạng thái vô định hình.
Sự chuyển trạng thái kết tinh của curcumin do tạo thành phức hợp với phospholipid đã được ghi nhận ở nghiên cứu của Kuntal Maiti và cộng sự. Giản đồ nhiệt vi sai của hỗn hợp trộn vật lý giữa curcumin và phosphatidyl cholin vẫn cho các đỉnh nóng chảy đặc trưng của từng thành phần. Trong khi đó, giản đồ nhiệt vi sai của phức hợp curcumin-phospholipid mất đi đỉnh nóng chảy và nhiệt độ chuyển pha của mỗi
nguyên liệu(10). Thông tin về trạng thái kết tinh thu được từ giản đồ DSC cho kết quả tương đồng với phổ nhiễu xạ tia X đã nêu trên.
Phổ hồng ngoại biến đổi (FT-IR)
Phổ FT-IR của curcumin cho đỉnh đặc trưng tại bước sóng 3423 cm-1 là vùng dao động của nhóm phenol -OH. Ngoài ra còn có đỉnh tại bước sóng 1726 cm-1 (dao động của nhóm C=O), đỉnh tại 1628 cm-1 (dao động của liên kết C=C), đỉnh tại 1281 cm-1 (liên kết C-O của nhóm acetyl). Phổ FTIR của bột phun sấy không còn đỉnh đặc trưng của curcumin tại bước sóng 3423 cm-1, cũng như “vùng dấu vân tay” (1600 cm-1 đến 1100 cm-1) có sự thay đổi đỉnh, điều này chứng tỏ đã có sự tương tác trên nhóm chức C=O và nhóm chức C-O của nhóm acetyl của curcumin với các chất khác trong dạng bột thành phẩm.
Hình thái học qua SEM
Thành phần leucin trong công thức dịch phun đóng vai trò giá mang, tạo dạng hình đĩa lõm cho tiểu phân bột phun sấy. Dạng hình thái học này tương đồng với các nghiên cứu về bột phun sấy có sử dụng leucin làm chất mang(11). Tuy nhiên, do lượng chất rắn chiếm tỷ lệ cao so với giá mang (tỷ lệ chất rắn: leucin = 1:2) nên một phần lượng chất rắn chưa được bắt giữ trên giá mang và tạo thành các tiểu phân bột có dạng hình cầu.
KẾT LUẬN
Đề tài đã bào chế được dạng bột hít chứa curcumin phân phối đến phổi bằng phương pháp phun sấy. Các thông số của công thức dịch phun sấy cũng như của quá trình phun sấy đã được tối ưu hóa bằng phần mềm Design-Expert với mô hình thực nghiệm Taguchi. Kết quả khảo sát đặc tính lý hóa cho thấy curcumin trong thành phẩm tồn tại chủ yếu ở trạng thái vô định hình. Với những kết quả đạt được, dạng bột hít chứa
curcumin là có triển vọng trong điều trị. Tuy nhiên, cần nghiên cứu sâu hơn để giảm kích thước khí động học trung bình của bột xuống dưới 5 µm để có thể lắng đọng tốt hơn trong phổi.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Gujral ML, Chowdhury NK, Saxena PN (1953). The effect of certain indigenous remedies on the healing of wounds and ulcers. Journal of Indian Medical Association, 22(7):273-276.
2. Aggarwal BB, Harikumar KB (2009). Potential therapeutic effects of curcumin, the anti-inflammatory agent, against neurodegenerative, cardiovascular, pulmonary, metabolic, autoimmune and neoplastic diseases. International Journal of Biochemistry & Cell Biology, 41(1):40–59.
3. Martin JT, Anthony JH (2005). Dry powder inhaler formulation.
Respiratory Care, 50(9):1209-1227.
4. Ahmad Z, Ahmad BA, Luis P, Tim F, Emmet O, Gavin W (2019). Spray drying of pharmaceuticals and biopharmaceuticals: Critical parameters and experimental process optimization approaches. European Journal of Pharmaceutical Sciences, 127:300-318.
5. Patel RP, Patel MP, Suthar AM (2009). Spray drying technology:
an overview. Indian Journal of Science and Technology, 2(10):44-47.
6. Dinh-Duy P, Elias F, Nicolas T (2015). Pulmonary drug delivery systems for tuberculosis treatment. International Journal of Pharmaceutics, 478:517-529.
7. Sima F, Ristoscu C, Duta L, Gallet O, Anselme K, Mihailescu IN (2016). Laser thin films deposition and characterization for biomedical applications. In: Rui Vilar. Laser Surface Modification of Biomaterials, 1st ed, pp.77-125. Woodhead Publishing, United Kingdom.
8. Donsì F, Wang Y, Li J, Huang Q (2010). Preparation of curcumin sub-micrometer dispersions by high-pressure homogenization.
Journal of Agricultural and Food Chemistry, 58:2848–2853.
9. Gill D, Moghadam TT, Ranjbar B (2010). Differential scanning calorimetry techniques: applications in biology and nanoscience.
Journal of Biomolecular Techniques, 21(4):167-193.
10. Kuntal M, Kakali M, Arunava G, Bishnu PS, Pulok KM (2007).
Curcumin–phospholipid complex: Preparation, therapeutic evaluation and pharmacokinetic study in rats. International Journal of Pharmaceutics, 330:155–163.
11. Barbara L, Dolores RS, Peter O, William , Sandrine M, Anne MH, Frederic T (2019). Use of leucine to improve aerodynamic properties of ciprofloxacin-loaded maltose microparticles for inhalation. European Journal of Pharmaceutical Research, 1(1):2-11.
Ngày nhận bài báo: 15/12/2020
Ngày phản biện nhận xét bài báo: 11/09/2021 Ngày bài báo được đăng: 20/12/2021
