《International Journal of Pharmaceutics》：Multimodal assessment of sedimentation and flocculation in spray-dried injectable peptide suspensions
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本研究通過多模式主成分分析（PCA）結合成像法和光散射法，揭示了非水相注射懸浮液中離散絮凝與橋接絮凝兩種沉淀行為的形成機制及其與粉末特性（密度、粒徑）的關聯，并建立噴霧干燥參數對粉末性質及最終沉淀速率的回歸模型。
作者名單：容迪（Rong Di）、雅努斯·赫爾博（Janus Helbo）、朱莉婭·戈拉（Giulia Gorla）、龐圖斯·霍爾姆（Pontus Holm）、耶斯珀·詹森（Jesper Jensen）、湯米·桑德（Tommy Sander）、路易絲·詹森（Louise Jensen）、尤卡·蘭塔寧（Jukka Rantanen）
諾和諾德公司（Novo Nordisk A/S），丹麥巴格斯瓦德（Bagsv?rd）
摘要
了解沉降和絮凝現象對于優化非水溶性注射懸浮液的物理穩定性（即減少顆粒沉降和聚集）至關重要。物理穩定性的研究可以通過基于不同測量原理的各種分析技術來實現。這些技術可以捕捉沉降過程的不同方面：例如，基于圖像的方法可以顯示上清液-沉淀物界面處的宏觀變化，而基于光散射的方法則可以檢測顆粒層面的動態。因此，單獨使用這些技術可能只能提供有限的見解。為了獲得更全面的了解，本研究采用多模態評估方法，結合了基于成像和光散射的技術進行多塊主成分分析（Multiblock Principal Component Analysis, PCA）。首先，使用不同密度和粒度的噴霧干燥粉末制備了懸浮液，然后通過基于圖像的方法和光散射的方法評估其沉降行為。對這兩種技術獲得的數據應用多塊PCA分析后，發現了兩種不同的沉降模式：一種是由離散絮凝驅動的快速沉降，另一種是由橋接絮凝驅動的緩慢、更復雜的沉降。進一步分析表明，離散絮凝與較大、密度較高的顆粒相關，而橋接絮凝與較小、較輕的顆粒相關。回歸模型顯示，噴霧干燥參數直接影響粉末性質，而這些性質又決定了沉降速率。因此，噴霧干燥通過影響粉末性質間接影響沉降速率。總體而言，本研究揭示了粉末性質與絮凝和沉降之間的關系，并展示了一種通過優化噴霧干燥過程直接調節懸浮液物理穩定性的實用方法。
引言
懸浮液是一種廣泛使用的藥物制劑，通常通過局部給藥、口服和注射途徑給藥。近年來，尤其是非水溶性注射懸浮液因其作為長效藥物輸送系統的潛力而受到關注（Li等人，2022年；Marschall等人，2021年）。對于注射懸浮液而言，在給藥過程中保持穩定性和顆粒均勻分散對于劑量準確性和療效至關重要（Kulshreshtha等人，2010年）。理想情況下應防止顆粒沉降；如果發生沉降，沉降速度應較慢，并形成易于在給藥前重新分散的松散沉淀物。要實現這一目標，需要深入理解其背后的物理機制。
懸浮液通常在熱力學上是不穩定的。隨著時間的推移，懸浮液中的顆粒會傾向于沉降以降低其重力勢能，這一過程稱為沉降（Sinko，2023年）。此外，顆粒可能會形成聚集體以最小化表面自由能，這種現象稱為絮凝或聚集。絮凝顯著影響沉降動態。在絮凝懸浮液中，顆粒會形成大小均勻的較大團塊，稱為絮體。根據斯托克斯定律（Stokes，1850年），顆粒的沉降速度與其直徑的平方成正比，因此絮體比單個顆粒沉降得更快，且彼此之間的沉降速度相似。這會導致上清液清晰分明，沉淀物與上清液之間有明確的邊界。絮體也會形成易于重新分散的松散沉淀物（Rajora & Nagpal，2025年）。相比之下，未絮凝的懸浮液中的顆粒大小不一，沉降速度不同，導致沉降過程中上清液渾濁。這種懸浮液最終會形成難以重新分散的致密沉淀物（Rajora & Nagpal，2025年）。
由于懸浮液在熱力學上不穩定，通常需要采取穩定策略來獲得理想的沉降效果。在這些策略中，控制絮凝對于形成松散沉淀物尤為重要。可以通過添加表面活性劑、電解質和聚合物等輔料來調節絮凝（Kumar & Verma，2023年）。減小顆粒尺寸是另一種常用的方法，因為它通過降低重力勢能來提高穩定性（Washington，1992年）。足夠小的顆粒還可以避免給藥時針頭堵塞。值得注意的是，對于粒徑小于1微米的懸浮液（這也取決于懸浮介質的密度和粘度），布朗運動可以抵消重力沉降；而粒徑大于1微米的顆粒則主要受重力作用，導致不可避免的沉降（Haw，2002年）。然而，減小顆粒尺寸也存在局限性，因為當顆粒過小時，它們會形成難以重新分散的硬塊（Rajora & Nagpal，2025年）。在極性介質（如水）中，常采用靜電穩定方法，通過控制顆粒電荷來誘導排斥作用，從而防止絮凝和聚集（Kayes，1977年）。但在介電常數較低的非極性系統中（如非水溶性懸浮液），這種方法效果較差，因為顆粒通常帶電量弱或呈中性（Kulshreshtha等人，2010年）。通過添加輔料或提高濃度來增加粘度也可以減緩沉降速度，但高粘度會導致注射更加困難且疼痛，從而降低患者的依從性（Shire等人，2004年）。總體而言，理解和控制絮凝行為與沉降之間的關系是優化非水溶性注射懸浮液的關鍵。
盡管沉降和絮凝現象已經研究了數十年甚至數個世紀，但目前可用于非侵入性、實時觀察的分析技術仍然很少。盡管存在主觀性和可擴展性限制，視覺檢查結合沉降高度測量仍是最常用的方法（Font等人，1994年；Huang等人，2022年）。X射線衰減可以間接測量懸浮液內的密度分布，提供有關固體含量和顆粒大小的信息。該技術最初由Gaudin和Fuerstenau（Gaudin & Fuerstenau，1958年）開發，隨后被其他研究人員改進（Chu等人，2002年；Davis等人，1991年；Gustafsson等人，2003年）。光學掃描可以跟蹤上清液-沉淀物界面的變化，但無法提供上清液和沉淀物內部的信息（Vanrolleghem等人，1996年）。其他方法如光學透射（T）（Moody等人，1987年）、光學背散射（BS）（Downing等人，1981年）和聲學散射（Thorne等人，2014年）也常被使用，但這些方法往往缺乏足夠的靈敏度、重復性和空間覆蓋范圍，無法捕捉藥物懸浮液的復雜沉降和絮凝動態。
最近在光學和計算技術方面的進展提供了更多選擇。例如，靜態多光散射（SMLS）可以在整個樣品瓶中實時測量T和BS參數，提供有關顆粒遷移和絮凝行為的寶貴信息（Schuck & Zhao，2020年）。然而，SMLS無法直接提供上清液-沉淀物界面變化的信息。此外，實時基于圖像的沉降監測系統（IBSMS）也因其實用性和成本效益而越來越受歡迎（Benn等人，2018年；Derlon等人，2017年；Kim等人，2011年；Nocoń等人，2021年）。這種方法通常只需要一個商用相機和適用于任何編程環境的圖像處理腳本，可以提供上清液-沉淀物界面變化的詳細信息。然而，當懸浮液的上清液和沉淀物之間沒有明顯界面時，該方法的有效性可能會受到限制。值得注意的是，單獨使用SMLS或IBSMS都無法提供完整的沉降圖景，因為每種技術提供的信息都是獨特但有限的。因此，結合不同分析方法的信息的多模態評估可能提供更全面和多方面的絮凝和沉降行為理解。
噴霧干燥和冷凍干燥后進行研磨是生產非水溶性懸浮液粉末的常用方法。然而，研究表明，噴霧干燥優于冷凍干燥加研磨，因為研磨容易產生不規則顆粒，增加懸浮液的粘度并增加注射時針頭堵塞的風險（Marschall等人，2023年）。這種效應是由于顆粒在針頭-注射器界面處形成橋接和聚集體所致。與冷凍干燥樣品相比，噴霧干燥樣品具有更高的穩定性（Bowen等人，2012年）。此外，噴霧干燥粉末的非水溶性懸浮液可能表現出復雜的沉降行為，粉末性質（從而沉降曲線）會受到噴霧干燥（SD）工藝參數調整的影響。盡管許多研究報道噴霧干燥可用于生產超高濃度懸浮液（Jons等人，2025年；Yadav等人，2025年；Zhang等人，2025年），但迄今為止，SD參數與所得粉末性質以及懸浮液沉降行為之間的關系尚未得到系統研究。
在這項研究中，我們旨在通過多模態評估方法深入理解SD、粉末性質、絮凝和沉降之間的關系。使用SD制備了具有不同性質的粉末，從而產生了具有不同沉降行為的懸浮液。使用SMLS和定制的IBMS評估了非水溶性懸浮液的沉降和絮凝現象。然后通過融合這兩種技術的數據并進行多塊主成分分析（PCA）進行了多模態分析。研究設計的流程圖如圖1所示。
實驗部分
材料
肽A是在內部生產的，用作懸浮液的活性藥物成分。它已在之前的內部研究中使用，并且具有足夠的熱穩定性，適合進行噴霧干燥。
由于適合皮下給藥，選擇了中等鏈長的甘油三酯油（Ph. Eur.，第12版）作為分散介質。
使用Milli-Q水作為肽A的溶劑介質，以制備SD的進料溶液。
噴霧干燥實驗設計
對SD工藝進行了實驗設計（DoE）以生產
粉末性質
所得粉末的粒徑和密度如圖2所示，其他粉末性質在補充信息表S1中總結。數據顯示，噴霧干燥樣品之間的粒徑分布存在顯著差異。具體來說，樣品S02、S07、S09、S11和S15的顆粒較大（Dv,90 > 15 μm），而其他樣品的顆粒較小（Dv,90 ≈ 10 μm）。樣品的堆積密度和振實密度也有顯著差異，其中S02、S07、S11和S12
沉降行為與絮凝的關系
IBMS和SMLS的結果揭示了兩種沉降類型，如圖10所示。將多塊PCA結果與這些沉降類型結合起來，可以更清楚地了解其背后的機制。在PCA得分圖（PC1 vs. PC2）中可以有效地區分這兩種沉降類型，如圖11所示，類型A樣品的PC2得分較低，類型B樣品的PC2得分較高。這表明這兩種沉降類型密切相關
結論
基于圖像的系統在跟蹤上清液-沉淀物界面的變化和確定懸浮液的沉降速率方面被證明是有效的。光散射方法提供了關于沉降過程中上清液、分散和沉淀物中顆粒層面動態的詳細信息。通過結合這兩種技術的數據并進行多模態評估和多塊PCA分析，發現沉降行為與絮凝機制密切相關。
資金來源聲明
諾和諾德公司（Novo Nordisk A/S，丹麥巴格斯瓦德）資助了容迪（Rong Di）的博士后項目（STAR計劃）。
生成式AI使用聲明
在準備本工作時，作者使用了Open AI提供的Chat Generative Pre-Trained Transformer（Chat GPT）來改進語言和可讀性。使用該工具后，作者根據需要對內容進行了審查和編輯，并對出版物的內容負全責。
CRediT作者貢獻聲明
容迪（Rong Di）：撰寫 – 審稿與編輯、初稿撰寫、可視化、軟件開發、方法論設計、調查、數據分析、概念化。雅努斯·赫爾博（Janus Helbo）：撰寫 – 審稿與編輯、資源協調、方法論設計。朱莉婭·戈拉（Giulia Gorla）：撰寫 – 審稿與編輯、軟件開發、概念化。龐圖斯·霍爾姆（Pontus Holm）：撰寫 – 審稿與編輯、軟件開發。耶斯珀·詹森（Jesper Jensen）：撰寫 – 審稿與編輯、監督工作、資源協調、項目管理。湯米·桑德（Tommy Sander）：撰寫 – 審稿與編輯、監督工作。
利益沖突聲明
作者聲明以下可能被視為潛在利益沖突的財務利益/個人關系：容迪報告稱獲得了諾和諾德的財務支持、行政支持、文章發表費用以及設備和藥品/試劑的提供。耶斯珀·詹森報告稱獲得了諾和諾德的財務支持。路易絲·詹森報告稱獲得了諾和諾德的財務支持。湯米·桑德報告稱獲得了諾和諾德的財務支持。
