与注射给药相比，吸入式药物递送已被证明在治疗各种呼吸系统疾病方面更为高效且具有非侵入性。然而，制造具有理想质量中位空气动力学直径（MMAD）和缓释特性的微尺度药物载体一直是一个挑战。
近期，美国宾汉姆顿大学系统科学与工业工程学院的研究人员采用同轴电喷雾策略，成功制备出具有表面纳米孔结构的微米级药物载体，用于呼吸系统疾病的非侵入性给药。通过优化电压、尖端-收集器距离、流速等实验参数以及溶液粘度、表面张力等材料参数，解决了现有电喷雾技术难以控制颗粒形态与尺寸分布的问题，为吸入式给药系统的开发提供了新的思路和实验依据。相关研究以“Electrospray of core–shell micro drug carriers with various experimental and material parameters”为题目，发表在期刊《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》上。
本文要点：
1、本研究采用同轴电喷雾策略制备水溶性核心的微米级药物载体，用于呼吸系统疾病的非侵入式给药。
2、针对现有电喷雾技术难以控制颗粒形态与尺寸分布的问题，本研究通过调控电压、喷嘴-收集器距离、流速等实验参数及溶液粘度、表面张力等材料参数，优化了具有表面纳米孔结构的核壳微粒制备工艺。
3、结果表明，溶剂选择（二氯甲烷、氯仿-乙醇共溶剂）与参数组合显著影响颗粒形貌：延长喷嘴-收集器距离导致颗粒扁平化，增大喷嘴尺寸与流速会提升粒径，而3%聚乳酸（PLA）浓度可维持球形结构，浓度过高则引发纤维化。
4、采用氯仿-乙醇（95:5）为壳层溶剂、水为核层溶剂时，成功制备出平均粒径4.99μm的球形多孔颗粒，满足肺部给药对质量中位空气动力学直径（MMAD 1-5μm）的需求。
5、总之，该研究为可控释药载体设计提供了实验依据，推动了吸入式给药系统的开发。
在这项研究中，PLA（聚乳酸）和PEO（聚环氧乙烷）被分别用作核壳结构微粒的壳层材料和核心材料，具体如下：
1、PLA（壳层材料）
功能与选择依据
PLA因其生物相容性、可降解性及成膜能力被选为壳层材料。溶剂挥发后，PLA形成多孔表面结构，有利于药物的缓释和保护核心药物免受环境降解。
溶剂与浓度
溶剂：主要使用二氯甲烷（DCM）或氯仿-乙醇共溶剂（如95%氯仿+5%乙醇）。
浓度：3%PLA溶液被确定为最佳浓度（浓度过高如5%会导致纤维化，过低则颗粒形貌不规则）。
作用机制
通过调控PLA溶液的粘度和表面张力，影响电喷雾液滴的稳定性和颗粒形态。
氯仿-乙醇混合溶剂中，乙醇的快速挥发促进相分离，形成表面孔隙结构。
2、PEO（核心材料）
功能与选择依据
PEO因其水溶性和生物相容性被选为核心材料，用于包裹水溶性纳米药物。其水溶性特性可实现药物在体液中的可控释放，同时避免有机溶剂对药物活性的破坏。
溶剂与浓度
溶剂：核心溶液多使用水或氯仿（需与壳层溶剂匹配）。
浓度：核心PEO浓度通常为3%~15%，高浓度（如15%）用于增强溶液粘度，防止核心溶液在电喷雾过程中滴落。
作用机制
高浓度PEO增加核心溶液的粘弹性，确保核层在壳层包裹下稳定存在。
水作为核心溶剂时，可保护蛋白质或肽类药物活性，避免氯仿等有机溶剂的破坏。
尽管本研究在实验室规模实现了可控的核壳颗粒制备，但大规模生产仍需解决以下问题：
1、工艺稳定性：电喷雾过程对电压、流速和环境条件（如温湿度）高度敏感，微小的波动可能导致颗粒形态差异（图2c显示电压与粒径的强相关性）。需开发闭环控制系统实时调节参数，例如通过图像反馈调整电压或流速。
2、批次间一致性：核壳结构的均匀性依赖壳层与核心溶液的粘度匹配（图8显示流速差异导致核层包裹不均）。采用在线粘度监测与动态混合技术，可确保溶液性质的稳定性。
3、设备扩展性：同轴针头的并行化是规模化关键。但多喷嘴系统易受电场干扰（如液滴合并或偏移），需通过电场屏蔽设计或空间分布优化降低干扰。
4、溶剂回收与成本：氯仿等有机溶剂的大规模使用需配套回收系统，而水基核心虽环保，但高浓度PEO可能增加原料成本。未来可探索绿色溶剂或生物降解聚合物替代方案。
图1.3%PLA与3%PEO的DCM溶液，流速0.5:0.5ml/h，14kV，尖端-收集器距离（a）18cm；（b）24cm；（c）32cm
图2.（a）2%PLA与2%PEO的DCM溶液在18cm尖端-收集器距离下的颗粒形貌，在三个稳定电压水平下使用14-20和18-24号喷嘴；（b）粒径分布；（c）稳定电压范围比较
图3.PLA与PEO的DCM溶液，流速0.5:0.5ml/h，14kV，（a）3%PLA和3%PEO；（b）5%PLA和5%PEO
图4.2%PLA与2%PEO的DCM溶液，尖端-收集器距离18cm，采用低、中、高稳定电压和3个水平的流速
图5.3%PLA与3%PEO的DCM溶液，尖端-收集器距离18cm，采用低、中、高稳定电压和3个水平的流速
图6.3%PLA（95%氯仿和5%乙醇）与3%PEO（氯仿）溶液，流速1:1ml/h，尖端-收集器距离为22和26cm，喷嘴尺寸：16-22号
图7.3%PLA浓度调整为3.25%与3.5%（95%氯仿和5%乙醇）及3%PEO（氯仿），流速为1:1ml/h，尖端-收集器距离为22cm和26cm，喷嘴尺寸：16-22号
图8.核溶液：3%和5%PEO（95%氯仿与5%乙醇）；壳溶液：2%PLA（95%氯仿与5%乙醇），不同壳-核流速比，电压10kV，尖端-收集器距离26cm
图9.2%PLA（95%氯仿和5%乙醇）与15%PEO（水），流速为1:0.1ml/h，尖端-收集器距离为26cm，（a）8kv，（b）14kv
图10.表面孔隙结构：壳（2%PLA，氯仿与乙醇）；核（15%PEO，水），流速1:0.1ml/h，尖端-收集器距离26cm，电压8kV，乙醇浓度0%-10%
图11.2%PLA（氯仿和5%DCM）与15%PEO（水），流速1:0.1ml/h，尖端-收集器距离26cm，电压9kV
图12.不同PLA浓度（95%氯仿和5%乙醇）与15%PEO（水），流速1:0.1ml/h，尖端-收集器距离26cm，电压8kV：（a）1%PLA；（b）2%PLA；（c）3%PLA
图13.（a）壳：2%与3%PLA（95%氯仿和5%乙醇）；核：15%PEO（水），电压9kV，尖端-收集器距离26cm，流速1:0.1ml/h；（b）壳：2%PLA（5%乙醇和95%氯仿或15%乙醇和85%氯仿）；核：15%PEO（水），电压9kV，尖端-收集器距离26cm，流速1:0.1ml/h
图14.不同施加电压下的颗粒形态，尖端-收集器距离为26cm。成分：壳，2%PLA（95%氯仿和5%乙醇）；核，15%PEO与纳米载体（水）
论文链接：https://doi.org/10.1007/s00170-025-15279-3
