Nghiên cứu
Y Học TP. Hồ Chí Minh * Tập 25 * Số 6 * 2021
B - Khoa Học Dược
46
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: pdduy@ump.edu.vn
Y Học TP. Hồ Chí Minh * Tập 25 * Số 6 * 2021
Nghiên cứu
B - Khoa Học Dược
47
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 liệu
Curcumin 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
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:
Nghiên cứu
Y Học TP. Hồ Chí Minh * Tập 25 * Số 6 * 2021
B - Khoa Học Dược
48
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
Y Học TP. Hồ Chí Minh * Tập 25 * Số 6 * 2021
Nghiên cứu
B - Khoa Học Dược
49
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