Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Fenofibrat (FF) là dẫn chất của acid fibric được Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) cấp phép sử dụng trong điều trị rối loạn lipid máu từ năm 1998. Dược chất này thuộc nhóm II trong Hệ thống Phân loại Sinh dược học (BCS), đặc trưng bởi tính thấm cao nhưng độ tan trong nước rất thấp ($Log\ P = 5,2$) và tốc độ hòa tan chậm. Nhược điểm này dẫn đến sinh khả dụng đường uống kém, dao động lớn giữa các cá thể và đòi hỏi liều điều trị cao.
Để giải quyết vấn đề độ tan theo định luật Noyes - Whitney, các kỹ thuật giảm kích thước tiểu phân như bào chế vi hạt (microparticles) đã được ứng dụng rộng rãi. Song song với đó, xu hướng sản xuất trong ngành công nghiệp dược phẩm đang chuyển dịch từ mô hình sản xuất lô mẻ (batch manufacturing) sang mô hình sản xuất liên tục (continuous manufacturing). Mô hình sản xuất liên tục mang lại nhiều ưu thế như nâng cao tính đồng nhất của sản phẩm, giảm không gian vận hành, dễ dàng kiểm soát chất lượng theo thời gian thực và hạn chế rủi ro khi nâng quy mô sản xuất.
Khóa luận tốt nghiệp Dược sĩ với đề tài "Nghiên cứu bào chế vi hạt fenofibrat theo mô hình sản xuất liên tục" được thực hiện nhằm giải quyết các nhiệm vụ cụ thể:
- Xây dựng mô hình sản xuất liên tục vi hạt fenofibrat và đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố công thức đến phân bố kích thước tiểu phân của vi hạt fenofibrat.
- Đánh giá một số đặc tính lý hóa, trạng thái kết tinh và độ hòa tan của vi hạt fenofibrat tạo thành.
- Đối tượng nghiên cứu: Dược chất Fenofibrat và hệ vi hạt chứa fenofibrat.
- Phạm vi nghiên cứu: Thực hiện thực nghiệm tại Bộ môn Vật lý – Hóa lý, phối hợp cùng Bộ môn Bào chế và Viện Công nghệ Dược phẩm Quốc gia thuộc Trường Đại học Dược Hà Nội, hoàn thành vào tháng 06/2022.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết và mô hình ứng dụng
- Cơ chế hòa tan và phân loại sinh dược học: Vận dụng định luật Noyes - Whitney ($dm/dt = D \cdot A \cdot (C_s - C) / h$) để cải thiện tốc độ giải phóng của dược chất nhóm II thông qua việc gia tăng diện tích bề mặt tiếp xúc $A$.
- Kỹ thuật đông tụ nhũ tương dầu trong nước (O/W Melt Dispersion/Congealing): Pha dầu nóng chảy chứa dược chất và tá dược thân dầu được phân tán vào pha nước chứa chất diện hoạt thân nước ở nhiệt độ cao, sau đó hạ nhiệt độ đột ngột để làm đông đặc các giọt dầu thành vi hạt rắn.
- Quy trình sản xuất liên tục: Thiết kế hệ thống làm lạnh dòng chảy liên tục sử dụng đầu nối chữ T (T-junction) kết hợp cuộn ống đồng trao đổi nhiệt ngâm trong bể điều nhiệt.
- Tối ưu hóa thực nghiệm: Ứng dụng mô hình toán học Box-Behnken trên phần mềm Modde 8.0 để phân tích tương quan đa biến và thiết lập phương trình hồi quy bậc hai.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
- Xây dựng đường chuẩn quang phổ: Đo phổ hấp thụ phân tử UV-Vis trong dải bước sóng 200 – 400 nm bằng máy Hitachi U1900, xác định bước sóng hấp thụ cực đại $\lambda_{max} = 291\text{ nm}$ trong môi trường Natri lauryl sulfat (SLS) 1,5%.
- Khảo sát sàng lọc công thức đơn yếu tố: Khảo sát các chất diện hoạt thân nước (PVA 205, PVA 217, HPMC E6, Cremophor RH 40, SLS, Tween 80, Lutrol F127) và chất nhũ hóa thân dầu (GMS, Gelucire, Span 60, Span 80) nhằm chọn ra hệ tá dược có vi hạt hình cầu, không bị kết tinh hình que.
- Phương pháp phân tích kích thước tiểu phân:
- Kính hiển vi quang học Nikon Eclipse Ci-L kết nối camera để đánh giá sơ bộ hình thái và kích thước.
- Thiết bị tán xạ laser (Laser Diffraction) Malvern Mastersizer 3000E để xác định các chỉ số kích thước $D_{10}, D_{50}, D_{90}, D[4,3]$ và độ phân tán $\text{SPAN}$.
- Phương pháp đánh giá trạng thái kết tinh:
- Nhiệt lượng quét vi sai (DSC) trên máy Mettler Toledo DSC StarSystem (dải nhiệt độ 25 – 150 °C, tốc độ gia nhiệt 10 °C/phút, dòng khí $N_2$ 50 ml/phút).
- Nhiễu xạ tia X (XRD) trên thiết bị Bruker D8 Advance (góc quét $2\theta$ từ 5° đến 50°, bước nhảy 0,02°, tốc độ quét 0,02°/giây).
- Phương pháp đánh giá độ hòa tan và định lượng:
- Đo độ hòa tan in vitro trên thiết bị cánh khuấy Pharmatest (theo USP 2019/DĐVN V) trong 900 ml môi trường SLS 1,5% ở 37 ± 0,5 °C, tốc độ 75 vòng/phút.
- Định lượng hoạt chất bằng phương pháp đo độ hấp thụ quang tại bước sóng 291 nm sau khi chiết bằng ethanol tuyệt đối.
Nguyên vật liệu và thiết bị chính
| Nguyên liệu / Thiết bị |
Tiêu chuẩn / Model |
Nhà sản xuất / Xuất xứ |
| Fenofibrat (FF) |
USP |
Trung Quốc |
| Glyceryl monostearat (GMS - GELEOL) |
NSX |
Gattefossé – Pháp |
| Lutrol F127 (Poloxamer 407) |
USP |
BASF – Đức |
| Máy siêu âm đồng nhất |
UP200Ht (100W, 26kHz) |
Hielscher – Đức |
| Máy đo kích thước tiểu phân |
Mastersizer 3000E |
Malvern – Anh |
| Máy đo nhiệt lượng quét vi sai |
DSC StarSystem |
Mettler Toledo – Mỹ |
| Máy đo nhiễu xạ tia X |
D8 Advance |
Bruker – Mỹ |
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương này hệ thống hóa lịch sử phát triển của nhóm fibrat từ clofibrat đến procetofen và fenofibrat. Trình bày chi tiết công thức phân tử ($C_{20}H_{21}ClO_4$, khối lượng 360,83 g/mol), nhiệt độ nóng chảy (80 – 81 °C), các chỉ số dược động học (chuyển hóa thành acid fenofibric có hoạt tính, liên kết protein huyết tương 99%, thải trừ chủ yếu qua thận 70% trong 24 giờ).
Chương tổng quan cũng tổng hợp các nghiên cứu nâng cao sinh khả dụng FF trước đây (vi hạt hóa bằng RESS, hấp phụ trên silica, tạo phức liposome chứa muối mật) và phân tích các nguyên lý cốt lõi của kỹ thuật đông tụ nhũ tương O/W. Cuối cùng, tác giả trình bày nền tảng của mô hình sản xuất liên tục trong ngành dược, định hướng ứng dụng Công nghệ phân tích quy trình (PAT) và cảm biến mềm (soft sensor).
Chương 2: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu
Trình bày danh mục 13 nguyên vật liệu và 10 nhóm thiết bị phân tích chuyên dụng. Mô tả chi tiết sơ đồ vận hành của mô hình sản xuất liên tục:
- Pha nhũ tương nóng: Pha dầu (FF + GMS) và pha nước (dung dịch Lutrol F127) được gia nhiệt đồng thời ở 80 – 85 °C, phối hợp và siêu âm phân tán trong 10 phút (công suất 100W, biên độ 100%, tần số 26kHz) ở 85 – 95 °C.
- Quá trình đông tụ liên tục: Bơm đồng thời dòng nhũ tương nóng và dòng dung dịch Lutrol F127 làm lạnh (5 °C) vào thiết bị chữ T theo tỷ lệ thể tích 1:1 (tốc độ bơm 30 vòng/phút). Hỗn dịch sau khi trộn được dẫn qua cuộn ống đồng đường kính trong 0,5 mm ngâm trong bể điều nhiệt ở 5 °C để làm đông rắn hoàn toàn các vi hạt.
Chương này cũng thiết lập 15 công thức thực nghiệm theo mô hình Box-Behnken 3 yếu tố: nồng độ FF ($X_1$), nồng độ GMS ($X_2$) và nồng độ Lutrol F127 ($X_3$).
[ Pha Dầu: FF + GMS (80-85°C) ]
[ Cuộn ống đồng làm lạnh (5°C) ]
[ Thu hỗn dịch vi hạt FF ]
Chương 3: Thực nghiệm, kết quả và bàn luận
- Xây dựng đường chuẩn: Phương trình đường chuẩn tại $\lambda = 291\text{ nm}$ có hệ số tương quan $R^2 = 0,9973$ trong khoảng nồng độ 2,37 – 19,75 $\mu\text{g/ml}$.
- Sàng lọc tá dược: Lutrol F127 (nồng độ 4 – 8%) và GMS (nồng độ 6 – 8%) được lựa chọn do ngăn ngừa hiện tượng kết tinh que của fenofibrat và duy trì tiểu phân hình cầu ổn định so với các tá dược khác (PVA gây kết tinh sau 15 – 30 phút; Span 60, Span 80, Gelucire để lại nhiều tinh thể tự do).
- Nhiệt độ quy trình: Khoảng nhiệt độ nhũ hóa thích hợp nhất là 82 – 95 °C (ở 75 °C vi hạt chưa đồng đều, $\ge 100\text{ }^\circ\text{C}$ nước bay hơi gây đặc nhũ tương và tắc ống). Hỗn dịch vi hạt ổn định trong 2 – 4 ngày khi bảo quản ở 5 – 25 °C trước khi xuất hiện hiện tượng gel hóa.
- Mô hình hóa Box-Behnken: Đánh giá 15 công thức thực nghiệm, xác định các phương trình hồi quy bậc hai:
$$\text{D}[4,3] = 2,8270 + 0,1974 X_1 + 0,1882 X_2 - 0,3881 X_3 - 0,2127 X_3^2$$
$$D_{90} = 6,5108 + 0,5837 X_1 + 0,6260 X_2 - 1,2418 X_3 - 0,6110 X_3^2$$
$$\text{SPAN} = 3,2827 + 0,2172 X_1 + 0,2826 X_2 - 0,5300 X_3 - 0,2144 X_3^2$$
Các phương trình đều đạt $R^2_{hc} > 0,75$ và $p < 0,05$ đối với các hệ số bậc một, khẳng định cả ba biến đầu vào đều tác động có ý nghĩa thống kê đến kích thước hạt.
| Mẫu tiêu biểu |
$D_{10}\ (\mu\text{m})$ |
$D_{50}\ (\mu\text{m})$ |
$D_{90}\ (\mu\text{m})$ |
$D[4,3]\ (\mu\text{m})$ |
$\text{SPAN}$ |
| N11 (Kích thước nhỏ nhất) |
0,601 |
1,300 |
3,030 |
1,650 |
1,870 |
| N8 (Kích thước lớn nhất) |
0,635 |
1,760 |
8,090 |
3,200 |
4,231 |
| TT (Mẫu trung tâm: N13-N15) |
0,666 |
1,780 |
6,563 |
2,853 |
3,325 |
- Trạng thái kết tinh (DSC & XRD):
- Giản đồ DSC cho thấy pic nóng chảy của FF nguyên liệu ở 84 °C chuyển thành pic tách rời và sắc gọn hơn trong mẫu vi hạt, chứng tỏ có sự thay đổi dạng thù hình.
- Phổ XRD ghi nhận các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của FF trong vi hạt giảm cường độ và kém sắc nhọn hơn nguyên liệu; các đỉnh tại $2\theta = 6,32^\circ; 31,10^\circ; 44,62^\circ$ biến mất, gợi ý một phần hoạt chất chuyển sang trạng thái vô định hình hoặc thay đổi mạng tinh thể.
- Độ hòa tan và định lượng: Độ hòa tan của vi hạt trong SLS 1,5% đạt 69,16% ngay tại thời điểm 5 phút (nguyên liệu thô chỉ đạt 8,58%) và tiếp tục duy trì giải phóng đến 60 phút. Hàm lượng hoạt chất thực tế trong mẫu trung tâm đạt $7,60% \pm 0,24%$ (so với mức lý thuyết 8%).
Kết quả và đóng góp
Kết quả định lượng chính
- Thông số kỹ thuật của mô hình liên tục:
- Nhiệt độ nhũ tương nóng: 85 °C.
- Nhiệt độ dung dịch làm lạnh: 5 °C.
- Tốc độ bơm nạp dòng: 30 vòng/phút với tỷ lệ thể tích phối hợp qua đầu nối chữ T là 1:1.
- Đường kính trong ống làm lạnh trao đổi nhiệt: 0,5 mm.
- Đặc tính sản phẩm vi hạt tạo thành:
- Kích thước tiểu phân trung bình $D[4,3]$ dao động từ 1,650 đến 3,350 $\mu\text{m}$.
- Chỉ số phân bố kích thước $\text{SPAN}$ dao động trong khoảng 1,870 đến 4,231 $\mu\text{m}$.
- Tốc độ hòa tan tăng gấp hơn 8 lần tại thời điểm 5 phút đầu tiên so với nguyên liệu chưa bào chế (69,16% so với 8,58%).
Bảng so sánh độ hòa tan trong môi trường SLS 1,5%
| Thời điểm (Phút) |
% Hòa tan vi hạt FF bào chế |
% Hòa tan bột nguyên liệu FF |
| 5 |
69,16% |
8,58% |
| 15 |
78,40% |
15,20% |
| 30 |
84,10% |
22,50% |
| 60 |
89,30% |
31,10% |
Đóng góp của đề tài
- Chuyển đổi thành công kỹ thuật đông tụ nhũ tương truyền thống từ sản xuất lô mẻ sang mô hình sản xuất liên tục trên quy mô phòng thí nghiệm.
- Chứng minh tính ưu việt của mô hình liên tục trong việc kiểm soát kích thước hạt nhỏ gọn ($D[4,3] < 3,5\ \mu\text{m}$), dải phân bố hẹp hơn so với phương pháp sản xuất lô mẻ ở cùng công thức.
- Xây dựng được mô hình hồi quy đa biến cho phép dự đoán và kiểm soát kích thước tiểu phân dựa trên tỷ lệ thành phần đầu vào.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế được ghi nhận
- Chưa khảo sát sâu ảnh hưởng của các thông số vận hành cơ học (tốc độ dòng chảy, áp suất bơm, các tỷ lệ pha trộn khác nhau tại đầu nối chữ T).
- Chưa thể thực hiện các phân tích cấu trúc nâng cao như phổ Raman, cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) hay phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) để khẳng định chính xác bản chất tương tác giữa fenofibrat và GMS hoặc dạng thù hình cụ thể do hạn chế về thiết bị.
- Sản phẩm dạng hỗn dịch lỏng có xu hướng bị gel hóa sau 4 – 10 ngày bảo quản, quy trình thu hồi vi hạt khô ở cuối giai đoạn vẫn phụ thuộc vào phương pháp ly tâm và sấy hút ẩm gián đoạn.
Hướng nghiên cứu tiếp theo
- Đánh giá toàn diện các yếu tố kỹ thuật của dòng chảy liên tục (nhiệt độ bể điều nhiệt, tốc độ bơm, tỷ lệ dòng).
- Nghiên cứu tích hợp đầu dò PAT để giám sát phân bố kích thước tiểu phân trực tiếp theo thời gian thực trên dây chuyền.
- Nghiên cứu tích hợp các công đoạn thu hồi tiểu phân liên tục như sấy phun (spray drying) hoặc ly tâm liên tục để hoàn thiện dây chuyền sản xuất khép kín.
Giá trị tham khảo
- Đối tượng tham khảo: Sinh viên, học viên cao học chuyên ngành Công nghệ Bào chế - Sinh dược học, Kỹ thuật Hóa Dược và các nhóm nghiên cứu phát triển quy trình sản xuất dược phẩm hiện đại.
- Nội dung giá trị nhất:
- Thiết kế hệ thống làm lạnh vi dòng (micro-congealing) bằng thiết bị chữ T kết hợp cuộn trao đổi nhiệt.
- Bộ dữ liệu thực nghiệm Box-Behnken và hệ số hồi quy định lượng ảnh hưởng của hệ tá dược Lutrol F127 - GMS đến kích thước vi hạt.
- Phương pháp kiểm nghiệm đồng thời trạng thái kết tinh (DSC, XRD) và phân bố kích thước laser đối với hệ tiểu phân lipid rắn chứa dược chất khó tan.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao Lutrol F127 và GMS lại được chọn làm cặp tá dược tối ưu thay vì PVA hoặc Span?
Thực nghiệm cho thấy PVA tạo nhũ tương ban đầu tốt nhưng khi hạ nhiệt độ đột ngột, lớp màng bảo vệ mất ổn định khiến fenofibrat tái kết tinh thành các tinh thể hình que chỉ sau 15 – 30 phút. Các chất nhũ hóa thân dầu khác như Span 60, Span 80 hay Gelucire để lại lượng lớn tinh thể que tự do trên vi trường. Cặp GMS (tá dược thân dầu, HLB = 3) và Lutrol F127 (chất diện hoạt thân nước, HLB = 18 – 23) tạo ra hệ có HLB chung nằm trong khoảng tối ưu 8 – 18, giúp hạt duy trì hình cầu tròn đều và ổn định cấu trúc.
2. Mô hình sản xuất liên tục trong khóa luận này hoạt động theo nguyên lý nào?
Mô hình sử dụng nguyên lý làm lạnh tức thì dòng nhũ tương D/N nóng. Nhũ tương nóng (85 °C) và dung dịch Lutrol F127 làm lạnh (5 °C) được bơm đồng thời qua hai nhánh của khớp nối chữ T với tỷ lệ 1:1, tốc độ 30 vòng/phút. Hỗn hợp tiếp tục đi qua cuộn ống đồng đường kính trong 0,5 mm đặt ngập trong bể điều nhiệt ở 5 °C, làm các giọt dầu đông rắn ngay lập tức thành vi hạt trước khi ra khỏi hệ thống.
3. Các yếu tố công thức ảnh hưởng đến kích thước tiểu phân vi hạt như thế nào theo phương trình hồi quy?
Theo phương trình hồi quy đa biến:
- Nồng độ FF ($X_1$) và nồng độ GMS ($X_2$) tỷ lệ thuận với kích thước hạt (khi tăng % FF hoặc % GMS, các giá trị $D[4,3], D_{90}$ và $\text{SPAN}$ đều tăng do tăng độ nhớt và mật độ pha phân tán).
- Nồng độ Lutrol F127 ($X_3$) tỷ lệ nghịch với kích thước hạt (khi tăng % Lutrol F127, kích thước hạt và dải phân bố giảm mạnh do sức căng bề mặt giảm và màng phân cách pha bền vững hơn).
4. Kết quả phân tích DSC và XRD phản ánh điều gì về cấu trúc tinh thể của Fenofibrat sau khi bào chế?
Giản đồ DSC cho thấy pic nóng chảy của hoạt chất tách rời và thu hẹp so với pic 84 °C ban đầu. Giản đồ XRD cho thấy các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng giảm cường độ, mất các pic tại góc $2\theta = 6,32^\circ; 31,10^\circ; 44,62^\circ$. Điều này chứng minh fenofibrat trong vi hạt vẫn ở dạng tinh thể nhưng đã có sự biến đổi dạng thù hình hoặc một phần chuyển sang trạng thái vô định hình, góp phần làm tăng độ tan.
5. Tốc độ hòa tan của vi hạt Fenofibrat thay đổi như thế nào so với nguyên liệu thô ban đầu?
Trong môi trường hòa tan SLS 1,5%, vi hạt fenofibrat giải phóng 69,16% hoạt chất chỉ sau 5 phút đầu tiên, cao gấp hơn 8 lần so với bột nguyên liệu thô (8,58%). Tỷ lệ giải phóng này tiếp tục duy trì và đạt xấp xỉ 90% ở phút thứ 60, giúp khắc phục nhược điểm hòa tan chậm của dược chất nhóm II.
Kết luận
Khóa luận đã nghiên cứu và ứng dụng thành công mô hình sản xuất liên tục để bào chế vi hạt fenofibrat bằng phương pháp đông tụ nhũ tương O/W quy mô phòng thí nghiệm. Bằng thiết kế thực nghiệm Box-Behnken, tác giả đã làm rõ quy luật ảnh hưởng của nồng độ fenofibrat, GMS và Lutrol F127 đến kích thước hạt, qua đó thu được hệ vi hạt có kích thước trung bình $D[4,3]$ từ 1,650 đến 3,350 $\mu\text{m}$ với hình thái cầu đồng đều. Sản phẩm vi hạt tạo thành giúp tăng tốc độ hòa tan của fenofibrat lên hơn 8 lần ở thời điểm 5 phút đầu so với nguyên liệu thô. Đề tài mở ra hướng tiếp cận thực tiễn cho việc phát triển các dạng thuốc chứa dược chất kém tan trên dây chuyền sản xuất liên tục hiện đại.
