皮肤外用制剂的流变学研究进展

      【摘 要】 皮肤外用制剂包括软膏剂、乳膏剂、凝胶剂、贴剂、贴膏剂等，为临床上的常用剂型之一，可避免首过效应，使用方便。流变学可描述产品的流动特性和力学性能，反映制剂的内部结构，已成为皮肤外用制剂的重要研究内容。流变学研究通常分为稳态流变学和动态流变学两种，用于研究样品的液体行为和固体行为。本文从两种流变学方法出发，综述了皮肤外用制剂的研究进展及常用的数据分析模型，以期为皮肤外用制剂的流变学研究提供参考。

        在药物的临床使用中，皮肤外用制剂作为常见的给药类型，主要有软膏剂、乳膏剂、凝胶剂、贴剂、贴膏剂等剂型。皮肤给药具有诸多优势，可避免药物在口服给药后受胃中酸性环境和胃肠道黏液的影响[1]；减少血药浓度峰谷变化，从而降低药物的不良反应；直接作用于靶部位发挥药理作用；减少给药次数，且患者可自主用药，用药依从性较高；在使用过程中，如发生不良反应，可随时中断给药[2]。

        流变学主要是研究物质变形与流动的一门学科，美国物理化学家Bingham于 1928年正式提出“流变学”的概念，字头取自古希腊哲学家Heraclitus所说的“πανταρετ”，意为万物皆流[3]。变形是固体的主要性质之一，指对某一物体外加压力后，其内部各部分的形状和体积发生的变化。流动是液体和气体的主要性质之一，其流动的难易程度与流体本身的黏性相关。流变学研究的主要对象是流体的流动行为、半固体的黏弹性以及固体的变形行为等。在药学领域，可以应用流变学理论对皮肤外用制剂（如软膏剂、乳膏剂、凝胶剂等）的剂型设计、处方组成、工艺参数、质量控制、贮藏、使用、安全性、有效性等进行评价，并具有一定的指导作用[4-7]。例如，皮肤外用制剂的流变学性质会影响其从瓶状或管状容器中的挤出行为，产品在皮肤上的铺展性和黏附性，以及药物从基质中的释放等，进而影响产品的有效性和安全性[5]。

        物质的黏弹性是流变学的主要研究内容，包括黏性和弹性。一般来说，样品受到外力作用后发生缓慢变形，表现为黏性行为；在变形力消除后，样品逐渐恢复至原有结构，表现出弹性行为。良好的黏性可以保证皮肤外用制剂与药用部位的紧密贴合，确保制剂在使用过程中不会脱落，且不会轻易流动；良好的弹性可以使制剂具有更佳的储存稳定性[8]。近年来，我国愈加重视皮肤外用制剂的流变学研究，国家药品监督管理局最新颁布的《中华人民共和国药典》（2020年版）四部中收录了黏度的测定方法。此外，国家药品监督管理局药品审评中心于2018年7月1日颁布的《新注册分类的皮肤外用仿制药的技术评价要求（征求意见稿）》明确要求，需将皮肤外用制剂的流变特性作为制剂的关键质量属性进行相应研究[9]。流变学性质研究方法主要分为稳态流变学研究和动态流变学研究，通过两种方法的有机结合，可以充分剖析制剂的流变学性质。

        1、稳态流变学研究
        稳态测试是在恒定的剪切速率下，观察黏度或应力随时间的变化[10]。对样品进行稳态流变学研究，可以获得流变曲线、屈服应力、触变性和蠕变性等流变学特征，这些参数均可作为制剂的关键质量属性，指导制剂的开发。

       1.1 流变曲线
        流变曲线是指流体的剪切应力与剪切速率之间的关系曲线，可以通过公式η=τ/γ来描述，其中，τ为剪切应力；γ为剪切速率；η为黏度，可通过流变曲线的斜率获得。根据流变曲线，可以得到流体的黏度随剪切速率的变化。当流体受到剪切作用时，可以根据剪切应力随剪切速率的变化趋势来判断流体的类型（如图1所示），其中，随着剪切速率的增大，牛顿流体的剪切应力呈线性增大，其黏度保持不变；假塑性流体的剪切应力逐渐减小，其黏度也随之降低；胀塑性流体的剪切应力逐渐增大，其黏度也随之升高[11]。

        皮肤外用制剂通常表现出非牛顿性，高剪切力的作用会导致黏度的降低，便于在皮肤表面的铺展[12]，制剂的铺展性直接与患者在使用过程中的直观感受及治疗顺从性相关[13-14]。吴晓鸾等[15]使用锥板型流变仪测定了盐酸金霉素眼膏的流变曲线，发现眼膏剂的黏度随剪切速率的增加而显著减小，表明此产品为剪切变稀的假塑性非牛顿流体。Xie等[16]研究了丹皮酚凝胶的流变学性质，发现其黏度随剪切速率的增加而减小，为剪切变稀的非牛顿假塑性流体，这种性质有利于凝胶在鼻腔的剪切作用下保持低黏度状态，增加流动性，从而使凝胶到达更深的嗅觉区，更好地发挥药效。另外，采用合适的数学模型对流变曲线进行拟合，可得到制剂的屈服应力、零剪切黏度、无限剪切黏度等参数，进一步表征流变行为。

        1.2 屈服应力
        屈服应力是表征样品开始流动或停止流动的临界应力，可用于评估皮肤外用制剂在使用过程中的铺展性以及产品灌装时的易实现性[17]。反映屈服应力的数值为屈服值，它在微观上反映粒子在三维网状结构中的相互作用力[18-20]。Kamal等[21]研究了睾酮透皮凝胶处方对屈服应力的影响，研究发现卡波姆用量增加会导致用于中和的羧基和钠离子的比率增加，并形成卡波姆间隙，卡波姆的溶胀作用使间隙彼此压紧，使得处于间隙之间部分的刚性逐渐增强，导致凝胶屈服应力的增大；氢氧化钠含量升高，会引发渗透压的不平衡和较强的静电相互作用，这两种作用均会使得卡波姆间隙相互挤压，导致屈服应力增大。Futamura等[22]研究了羟丙基甲基纤维素（HPMC）对石蜡油乳液性质的影响，发现随乳液中HPMC浓度的升高，屈服应力逐渐增大。屈服应力较高时，在一定的剪切力作用下，乳滴不易朝剪切流动方向移动，且不易破裂，具有良好的稳定性。

        1.3 触变性
        触变性是指体系在搅动或其他机械作用下，分散体系的黏度或剪切应力随时间变化的一种流变学现象[23]。对于乳膏等皮肤外用制剂，触变性越大，表明样品从半固体变为流体后，恢复成原状态的能力越大，其阻止沉淀发生的能力越强，制剂就越稳定。一般来说，皮肤外用制剂在使用过程中会经受反复的挤压操作，为保证制剂具有良好的物理稳定性，需通过触变性来判断微观结构的恢复程度，从而保证其药效[5]。因此，触变性是皮肤外用制剂稳定性的重要评价指标。刘科等[24]发现有些分散体系的黏度随剪切时间的延长而降低，静止后又恢复，即具有时间因素的剪切变稀现象，称为正触变性。反之，如果分散体系的黏度随剪切时间的延长而增加，即具有时间因素的剪切变稠现象，称为负触变性，或震凝性。触变性可反映体系在一定外力下内部结构的变化，一般来说，正触变性表明在外力作用下体系内某种结构的破坏速率大于其恢复速率，使得制剂在快速剪切时，黏度迅速降低，便于在患处的均匀涂抹；且在停止剪切后，制剂在短时间内即可恢复至原有黏度，利于制剂在用药部位的长时间黏附，减少药物的使用次数；而发生震凝效应时，体系内部形成了某种新的结构，此性质导致制剂在快速剪切时，黏度迅速增大，产生结块现象，导致涂抹困难，难以达到预期的治疗效果，降低患者的顺应性[3]。陈丽梅等[25]发现不同冷却速度制备的乳膏，其触变性存在显著差异；冷却速率为2.25 ℃/min和1.74 ℃/min的乳膏呈正触变性，而0.89 ℃/min和0.18 ℃/min的乳膏呈负触变性，此种性质的乳膏更适用于皮肤外用。

        通常采用“振荡-旋转-振荡”3段测试法测定样品的触变性，也称为ORO测试，即第一步，使用线性黏弹区内的低应变值进行极低剪切的振荡测试，以模拟静态特性；第二步，使用高剪切速率进行强烈剪切的旋转测试，以模拟使用期间样品的结构分解；第三步，使用与第一步测量段相同的线性黏弹区的低应变值，以模拟静态时的结构恢复[26]。在两个进行振荡的测量段中，使用相同的角频率进行测试。在三段法测试触变性的研究中，恢复后形成的体系结构与原体系可能不同，即在流变学曲线中表现为剪切速率上升和降低前后，曲线并不重合，形成触变环，其面积越大，表明触变性越大[27]。吴晓鸾等[28]研究了不同类型的眼用制剂，发现其均具有较强触变性，表现为在低剪切时具有较高黏度，在高剪切时黏度较低，随后恢复低剪切时，黏度也随之恢复。这种流变学性质将有助于产品的使用，刚滴入眼睛时，眼睑的快速剪切使产品的黏度降低，有利于制剂的充分涂布；当眼睑停止剪切时，产品的黏度逐渐恢复，保证药物的长时间停留，利于更好地发挥药效。

        描述触变性流体的流变行为时，可以选择适当的本构模型。本构模型是表示流体本构关系的物理模型，本构关系可以将描述连续介质变形的参量与描述内力的参量相联系，是流体宏观力学性能的综合反映。不同类型流体的触变性可以不同的本构模型来描述：（1）对于无弹性、无屈服应力的流体，可用Moore模型、幂率模型和Cross模型来表征其触变行为；（2）具有屈服应力流体的触变行为可用Worrall-Tuliani模型、双线性模型和幂率模型来表征其触变行为；（3）对于同时具有黏弹性和触变性行为的流体，可以采用结构网络模型、Quemada模型来表征其触变行为[29]。Razavi等[26]测定了Salep和Balangu样品的剪切应力-剪切速率曲线，使用二阶结构动力学模型、Weltman模型、一阶应力衰减模型来描述触变性，经拟合程度（R2）对比，最终选用具有非零稳态应力的一阶应力衰减模型（R2>0.96），通过此模型可得到屈服应力、平衡应力等参数，以此进一步优化处方和制备方法。

        1.4 蠕变
        蠕变是指对物质附加一定应力时，其随着时间变化表现为一定的伸展性或形变，是材料的缓慢变形[30]。只要所施加的应力与相应应变成一定的比例，黏弹性的相关理论——Boltzmann 叠加原理就可以应用于蠕变实验中[31-33]。它是测试皮肤外用制剂黏弹性最为简便的方法之一。皮肤外用制剂的蠕变曲线通常可分为3个区域：（1）瞬时弹性区域，代表一级结构键的弹性拉伸；（2）弯曲的黏弹性区，表示由于二级键的断裂和重整以及黏性流动而产生的晶体或液滴的取向，所有键都不会以相同的速率断裂和重整，并且将存在较宽范围的延迟时间（即黏度与弹性之比）；（3）应力消除后，应变的响应称为恢复曲线，瞬时弹性区域和黏弹性区域分别全部或部分恢复，黏性区域无法恢复[34]。

        样品的“蠕变-恢复”特性测定分两步完成，首先保持应力恒定，随时间的变化，逐渐改变应变，这一步骤称为蠕变；随后将应力全部或部分解除，观察已发生的应变随时间的变化，这一步骤为恢复。“蠕变-恢复”测试可以反映低速下产品的黏弹性特征，零黏度应力测定可以反映产品的储存稳定性和剪切后结构的可恢复性。其中，变形量越低，表明分散体系越稳定；如果样品在短时间内表现出较大的形变，表明产品的弹性较好；在测定中的变形量较小，表明产品的稳定性更佳[35]。Eccleston 等[30]研究了不同处方的西托醇乳膏的蠕变性质，发现其蠕变行为差异较大，且不同贮存时间的各处方的蠕变行为也表现出较大差异，因此可将蠕变行为作为处方筛选的重要依据。Korhonen 等[33]研究了不同类型表面活性剂（如脱水山梨糖醇单酯、脱水山梨糖醇单月桂酸酯、单棕榈酸酯、单硬脂酸酯和单油酸酯等）对乳膏性质的影响，测定了不同处方乳膏的流变性质，并使用 Burger 模型和 Maxwell 模型对蠕变测定结果进行分析，结果显示表面活性剂的双键结构可能会降低乳膏的弹性，且随表面活性剂烷基链的增长和用量的增加，乳膏的弹性增加，其稳定性也更好。

        2、动态流变学研究
        稳态流变学测试中，其终点施加的应力往往已远大于线性黏弹区所对应的应力，在此应力条件下，样品结构会受到破坏或重排，而动态流变测试由于施加的应力较小，通常认为其对样品不具有破坏性，而动态流变学主要评估在小幅度应力下样品的黏弹性[36]。另外，对于具有显著触变性的流体，在进行流变学研究时，因其具有时间依赖性的剪切变稀或变稠行为，导致简单的稳态剪切方法无法准确测定样品在某一剪切速率下的动力黏度，就需要进行动态即振荡剪切条件下的流变学性质研究[37]。

        动态流动分析是对样品施加正弦剪切应变，研究样品在交变外力或应力作用下的流变特性，主要测定流体的储能模量 G′、损耗模量 G″与复数黏度 η*。模量与制剂的稳定性相关，Okuro 等[38]在选择十六烷作为油相成分时，凝胶的弹性模量为3.0 ×106 Pa，黏性模量为3.0 ×105 Pa；而选择中链甘油三酸酯作为油相成分时，凝胶的弹性模量为2.7 ×104 Pa，黏性模量为4.0 ×103 Pa，表明低极性的油相成分可以显著提高凝胶的稳定性；同时发现低极性组分对凝胶的热稳定有较大改善。陈倩倩等[23]研究了卡波姆980和981不同比例对双唑泰凝胶的影响，发现随卡波姆980比例的增加，凝胶的弹性模量和黏性模量均有较大提高，体系的稳定性大大增强。陈丹等[39]发现布洛芬乳膏的储存模量和黏性模量均较大，在贮存期间，乳膏的内部胶网结构具有较大的抵抗外力而不发生形变的能力，可以长时间维持较高的弹性。吴晓鸾等[15]研究了卡波姆眼用凝胶剂的动态流变学性质，在低剪切时，凝胶的弹性模量大于黏性模量，即在静止状态时制剂不易流动；在高剪切时，凝胶的黏性模量大于弹性模量，即在使用过程中，制剂的黏附力更强，这两种性质均保证了卡波姆凝胶剂的稳定性和药效的发挥。

        复数黏度与很多高分子体系稳态剪切的动力黏度具有相关性，其定义为：η*=√（Gˊ/ω）2+(Gˊˊ/ω)2，其中ω为角频率，复数黏度本身是线性行为，小振幅的振荡剪切流动对流体中的结构仅有微小的扰动，没有强剪切流动对结构造成的破坏，故复数黏度更能反应流体的流变性质[40]。

        在动态流变学研究中，当对样品施加的应变或应力在一定范围内时，样品产生的形变能够完全恢复，即其结构未受到破坏，此应变或应力区间为线性黏弹区；当应变或应力超出此范围，样品的结构就会发生相应变化[20]。通常，可以通过应力扫描确定样品的线性黏弹区；选择在线性黏弹区的应力，通过改变频率或温度，进行频率扫描或温度扫描，进一步剖析样品的流变性质。

        2.1 应力扫描
        应力扫描是固定扫描频率，使应变呈振幅逐渐改变的正弦变化（一般为由小到大的阶梯式变化，常用0.01% ~ 100%），记录应变与弹性模量或黏性模量的关系曲线，结果通常采用对数变化。

       对皮肤外用制剂进行应力扫描，可以得到的参数有：（1）样品强度：即 Gˊ、G"的绝对值大小，以及二者的相对大小，代表了样品的状态（胶体还是流体）、强度（软硬）；（2）线性黏弹区：通常选择Gˊ函数的曲线计算线性黏弹区范围[26]。在线性黏弹区内，储能模量与损耗模量与应变无关，其仅与分子结构相关。具有较宽线性黏弹区域的样品抵抗外部应力的能力越大，稳定性也越好；（3）屈服应力：应力扫描中，线性黏弹区边界处的剪切应力为屈服应力；（4）流动点：当线性区内G′>G″时，在应变扫描的曲线上G′、G″通常会有一个交点，即流动点，流动点是损耗模量G″等于存储模量G′时所对应的剪切应力，也是其固体结构开始流动时所需的临界剪切应力[41]，当所施加的应力超过流动点时，样品的微观结构会发生不可逆的变形[42]；较大的流动点是样品在更大程度上抵抗外部应力的标志，也是稳定性更好的标志[43]。Kamal等[21]发现睾酮透皮凝胶中乙醇的用量为30%时，凝胶的流动点为200%；乙醇含量为0.5%时，流动点为100%。屈服值随乙醇含量的增加而增加，且当乙醇含量为30%时，凝胶的物理稳定性最佳。这些参数均可作为皮肤外用制剂的质量控制参数，用于指导处方和工艺参数的摸索。

        2.2 频率扫描
        频率扫描是应力呈固定振幅正弦变化（在线性区内），逐渐改变振荡频率（一般为由大到小的阶梯式变化，常用100 ~ 0.1 rad/s），记录频率与模量的关系曲线，结果通常采用对数变化，可以反映样品性质与时间尺度的关系。频率扫描可以获得制剂的G′、G″和损耗因子tanб （G″与 G′的比值）等参数。高频率扫描段可以表征样品在受到短时间（正弦波的振荡周期短）应变或应力时的响应状态，用来模拟皮肤外用制剂在使用过程中的挤出、涂抹等行为；低频率扫描段可以表征样品在受到长时间（正弦波的振荡周期长）应变或应力时的响应状态，用来模拟制剂在贮存过程（受到的剪切力较小）中的稳定性。频率扫描可以指导制剂制备过程中工艺参数的筛选，如乳膏在制备过程中的均质转速、均质时间等参数会对产品的G′、G″等产生较大影响，因此可以通过监控流变行为来调整工艺参数，以达到目前产品的高效开发和质量可控。

        吴晓鸾等[44]对普罗雌烯乳膏进行频率扫描，结果显示随振荡频率的增大，弹性模量和黏性模量均逐渐增大。弹性模量一直大于黏性模量，说明普罗雌烯乳膏在静置状态下的性质稳定，便于贮存，且在较高剪切状态下也较稳定。另外，复数黏度随振荡频率的增大而下降，表明乳膏为剪切变稀的非牛顿流体。Chegini 等[45]对眼部注射用交联黄芪酸水凝胶进行频率扫描，发现弹性模量和黏性模量显示出对频率的依赖性，且随频率的增加呈现上升趋势，但弹性模量在14 ~ 249 Pa 之间均高于黏性模量，损耗因子对频率的增加均小于1，表明在线性区内，凝胶主要表现为弹性，整个系统表现为固体随频率变化显示出可变的黏度特性。林国钡等[46]研究了不同辅料对压敏胶流变性能的影响。在压敏胶中添加促渗透剂肉豆蔻酸异丙酯时，发现低频率下的弹性模量和复数黏度降低，导致贴剂的持黏性降低；而在处方中添加抑晶剂共聚维酮S-630 时，发现低频率下的弹性模量和复数黏度增高。因此，在贴剂的处方开发中，可以通过调整促渗透剂和抑晶剂，或者调整其他辅料，以达到期望的流变性质。

        2.3 温度扫描
        温度扫描是选择在线性黏弹区范围内的某个应变条件下，固定振荡频率，考察储存模量、黏性模量和复数黏度随实验温度的变化，有助于确定样品在不同温度下的流变学性质变化情况。如阴道用乳膏剂的开发过程中，需研究乳膏在阴道温度和储存温度下的流变性质，以确保制剂在使用过程中的患者顺应性和良好的储存稳定性，此时可以通过温度扫描判断乳膏在较大温度范围内的流变性质变化，以用于指导制剂的开发。吴晓鸾等[44]进行温度扫描后发现，普罗雌烯乳膏的G′、G″、η*等参数在温度高于35 ℃时出现整体下降的趋势，表明普罗雌烯乳膏在室温条件下较稳定，而其性质、结构等在温度较高时会发生变化，应该在室温条件下储存。王珊珊等[47]使用温度扫描测定了雌二醇阴道用生物黏附性温敏型凝胶的相转变温度，结果显示凝胶的相转变温度为30.5 ℃；当温度较低时，G″>G′，即凝胶呈自由流动的液体状，而温度较高时，G′>G″，即凝胶呈固体形态；此行为可使凝胶在给药器具内具有良好的流动性，在阴道给药时有利于凝胶的铺展，作用一定时间后，凝胶可粘附在阴道内壁，持续发挥药物作用。

        3、流变学数据分析方法
        3.1 数学模型
        在对物质的流变学特征进行测定后，可以使用数学模型对测定结果进行拟合，寻找与样品的流变学特征相吻合的数学模型，计算出可以表征样品流变学特征的关键参数。在稳态流变学研究中，目前常用的流变学数学模型有Power Low 模型、Bingham模型、Herschel-Bulkley模型和Carreau/Yasuda模型[48]。

        3.2 数学模型的选择
        对流变学数据进行多种数学模型拟合后，一般通过拟合程度R2来选择最适宜的数学模型。Zamani 等[49]在对荨麻种子胶分散体的流变曲线数据进行不同种数学模型的拟合，发现Herschel-Bulkley 模型的R2在0.997 ~ 0.999之间，为最优选择。Panea等[48]使用了Bingham、Casson、Ostwald-de Waele和 Herschel-Bulkley等模型对新型胶原蛋白-右旋糖酐-氧化锌复合材料的流变学数据进行拟合，发现Herschel-Bulkley 模型的R2在0.9931 ~ 0.9976 之间，为最优选择。Ghica等[50]荨麻籽胶的流变学数据进行拟合，发现相比于Casson 和 Ostwald-de Waele模型，Herschel-Bulkley 模型的R2在0.997 ~ 0.999 之间，为最合适模型，并确定了模型中各参数的范围。

        4、结论与展望
        在半固体制剂的研发过程中，表面活性剂种类和用量、制备过程中油相加入水相的速度、均质速度及其时间等均可能对流变学性质产生较明显差异，因此测定不同流变学参数可以迅速和精准地反映皮肤外用制剂的内部行为，可作为制剂处方和制备工艺的有力区分工具。同时，流变学性质还可以指导制剂的稳定性，良好的流变性质可在较大程度上保证制剂具有较好的物理稳定性和贮存稳定性。

        目前，流变学研究主要集中应用于化工和食品领域，国内在药学领域方面较少深入研究，但其已受到药学界的广泛关注，且愈发成为皮肤外用制剂研发过程中的关键参数。然而，制剂中处方和工艺对流变学性质的影响机制还未有较深入研究，且与其他关键质量属性的联系也尚未进行深入研究。因此，需要深入探究流变学性质的形成机制，研究其与制剂其他关键参数的相关性，通过详细的风险评估及分析，进行合理的处方和工艺设计，从而实现产品流变学的“可设计化”。