高通量微乳化膜

相关申请的交叉引用

本申请要求2021年3月19日提交的美国临时申请第63/163,705号的优先权和权益，其公开内容通过引用全文纳入本文。

技术领域

本公开涉及用于制备微滴乳液和微粒悬浮液的高通量膜以及包括该膜的设备和系统。还提供了制备微滴乳液和微粒悬浮液的方法。

背景技术

治疗剂的微粒形式(如微球、微粒和微胶囊)为药物递送提供了许多优势，通常提供了更好的耐受性、疗效和便利性。这种微粒形式的制备在技术上具有挑战性，特别是在控制粒度分布方面。通常需要严格控制微粒制剂中的粒度分布，因为粒度会影响药物的几个关键特性——通过窄规格针头以最大限度地减少给药时的疼痛的可注射性；注射后的组织分布；巨噬细胞的摄取和随后的过敏反应；以及包括捕获在聚合物基质内或附着在聚合物基质上的药物的微粒形式的潜在药物释放和聚合物溶解行为。

微粒形式的材料通常是通过初始形成液体形式的材料(溶液或熔体)悬浮在不混溶溶剂(分散体或连续相)中的乳液来制备的。在液体材料发生化学变化或相变时，乳液变成不混溶相中的微粒的悬浮液，可以通过各种物理技术对其进行分离。因此，最终微粒材料中的粒度分布通常由乳化过程控制。

微流体技术已被用于生产用于药物递送的水凝胶微球，该微球具有极窄的粒度分布(例如，参见PCT公开号WO2019/152672)，然而这样的系统的通量能力本质上是有限的。更大规模的乳化技术往往以更宽的粒度分布为代价提供更高的通量。虽然可以通过使用各种尺寸筛选技术(例如通过筛分)来精细化粒度分布，但这会导致该过程中的总体材料损失，可能会带来经济负担。膜技术的最新发展已经提高了大规模乳化的效率，例如通过使用错流乳化工艺，在该工艺中，推动要形成微粒的液体形式的材料通过包括微米级孔的膜进入分散相的流动溶液中。对于油包水乳液，该错流乳化膜通常由金属或玻璃制成，生产成本通常很高，并且需要涂覆疏水剂以提供与微流体碎片类似的油相的适当润湿。这种涂覆在技术上具有挑战性，很难以所需的公差制备，并且在膜使用期间受到的侵蚀限制了膜的使用寿命。乳化过程中涂层失效通常会导致材料无法使用。因此，对价格低廉且在使用前不需要疏水涂层的乳化膜的需求没有得到满足。

发明内容

本公开提供了廉价、易于生产并且不需要疏水性涂层的由疏水性塑料制成的乳化膜。这些膜可用于制备具有受控粒度的微滴乳液和微粒悬浮液。

在一方面，提供了一种包括多个孔和由疏水性塑料制成的表面的膜。

在另一方面，提供了一种包括本文公开的管状膜和外室的设备。

在另一方面，提供了一种包括本文公开的设备的系统。

在另一方面，提供了一种使用本文公开的设备产生乳液的方法，该乳液是第一液体的微滴在与第一液体不混溶的第二液体中的乳液，该方法包括：

使第一液体流入外室；和

使第二液体流过管状膜，其中

第一液体穿过膜的孔，从而形成第一液体的微滴在第二液体中的乳液。

附图简要说明

图1示出了根据一些实施方式的膜。

图2示出了根据一些实施方式的设备。

图3A示出了根据一些实施方式的设备。图3B示出了该设备的截面图。

图4示出了根据一些实施方式的系统。

图5示出了根据一些实施方式的系统。

图6示出了通过具有不同参数的PEEK膜产生的液滴的显微照片。(A)由1/32"外径和0.020"内径的管以33mL/min的连续相和12mL/min的分散相产生的液滴。(B)由1/16"外径和0.020"内径的管以33mL/min的连续相和12mL/min的分散相产生的液滴。(C)由1/32"外径和0.020"内径的管以6mL/min连续相和4mL/min分散相产生的液滴。

具体实施方式

在一方面，提供了一种包括多个孔和由疏水性塑料制成的表面的膜。在一些实施方式中，膜由疏水性塑料制成。在一些实施方式中，疏水性塑料是聚醚醚酮(PEEK)。

膜可以是平面或弯曲的。在一些实施方式中，膜是平面的。在一些实施方式中，膜是弯曲的。在一些实施方式中，膜是管状的(例如，液体可沿中心轴线流过的管)。

可以通过任何合适的技术(例如激光钻孔)在塑料中产生膜中的孔。在一些实施方式中，孔的直径为约1μm至约100μm、约1μm至约90μm、约1μm至约80μm、约1μm至约70μm、约1μm至约60μm、约1μm至约50μm、约1μm至约40μm、约1μm至约30μm、约1μm至约20μm、约1μm至约10μm、约10μm至约100μm、约10μm至约90μm、约10μm至约80μm、约10μm至约70μm、约10μm至约60μm、约10μm至约50μm、约10μm至约40μm、约10μm至约30μm、约10μm至约20μm、约20μm至约100μm、约20μm至约90μm、约20μm至约80μm、约20μm至约70μm、约20μm至约60μm、约20μm至约50μm、约20μm至约40μm、约20μm至约30μm、约30μm至约100μm、约30μm至约90μm、约30μm至约80μm、约30μm至约70μm、约30μm至约60μm、约30μm至约50μm、约30μm至约40μm、约40μm至约100μm、约40μm至约90μm、约40μm至约80μm、约40μm至约70μm、约40μm至约60μm、约40μm至约50μm、约50μm至约100μm、约50μm至约90μm、约50μm至约80μm、约50μm至约70μm或约50μm至约60μm。在一些实施方式中，孔的直径为约1μm、约5μm、约10μm、约15μm、约20μm、约25μm、约30μm、约35μm、约40μm、约45μm、约50μm、约55μm、约60μm、约65μm、约70μm、约75μm、约80μm、约85μm、约90μm、约95μm或约100μm。

在一些实施方式中，孔呈模式化排列。孔可以是间隔开的，以便在乳化过程的压力下保持膜的结构完整性。在一些实施方式中，模式化排列包括多行，其中每行包括多个孔。在一些实施方式中，一行中两个相邻孔的中心之间的距离为孔直径的约5倍至约100倍、约5倍至约90倍、约5倍至约80倍、约5倍至约70倍、约5倍至约60倍、约5倍至约50倍、约5倍至约40倍、约5倍至约30倍、约5倍至约25倍、约5倍至约20倍、约5倍至约15倍或约5倍至约10倍。在一些实施方式中，一行中两个相邻孔的中心之间的距离为孔直径的约5倍、约10倍、约15倍、约20倍、约25倍、约30倍、约35倍、约40倍、约45倍、约50倍、约55倍、约60倍、约65倍、约70倍、约75倍、约80倍、约85倍、约90倍、约95倍或约100倍。

在一些实施方式中，这些行彼此平行，并且两个相邻行之间的距离可以与一行中两个相邻孔的中心之间的距离相同或不同。在一些实施方式中，两个相邻行之间的距离为孔直径的约5倍至约100倍、约5倍至约90倍、约5倍至约80倍、约5倍至约70倍、约5倍至约60倍、约5倍至约50倍、约5倍至约40倍、约5倍至约30倍、约5倍至约25倍、约5倍至约20倍、约5倍至约15倍或约5倍至约10倍。在一些实施方式中，两个相邻行之间的距离为孔直径的约5倍、约10倍、约15倍、约20倍、约25倍、约30倍、约35倍、约40倍、约45倍、约50倍、约55倍、约60倍、约65倍、约70倍、约75倍、约80倍、约85倍、约90倍、约95倍或约100倍。

图1示出了根据一些实施方式的包括多个孔的管状膜。膜中的孔排列成5行，每行200个孔，其中这些行平行于管状膜的轴线并且围绕管的圆周均匀地间隔开。可以通过激光钻孔形成管状膜。在一些实施方式中，管状膜由PEEK管形成，例如通过对PEEK管进行激光钻孔。可以在市场上购得直径为0.010"(0.254mm)至1"(25.4mm)，壁厚为0.002"(0.050mm)至0.010"(0.254mm)的PEEK管，也可定制其他尺寸。在一些实施方式中，管状PEEK膜的外径为1/16"，内径为0.0025"至0.04"(0.0635至1.016mm)。这样的管是可商购的，其可以在液相色谱系统中的压力下使用，并且可以支持在2.878米/秒的目标速度下高达140毫升/分钟的液体流量。出于本公开的目的，PEEK具有某些优点：a)对于油包水乳液，疏水材料使得能够在未经表面处理的情况下被连续相润湿；b)它对有机和水性介质具有耐化学性(chemicallyresistant)；c)它可以以适合于药物制造的符合USP VI类的等级获得；和d)它是高度温度稳定的，并且可以在高压釜中灭菌，因此它适合无菌应用。

在另一方面，提供了一种包括本文公开的管状膜和外室的设备。在一些实施方式中，可以将膜放置在外室的内部。在一些实施方式中，外室由金属(例如不锈钢)制成。在一些实施方式中，外室包括入口，液体可以通过该入口流入外室。在一些实施方式中，外室包括入口和出口，液体可通过该入口流入外室以及通过该出口流出外室。

图2示出了根据一些实施方式的包括膜101和外室102的设备100。外室102具有入口103，第一液体(分散相)可以通过该入口流入外室102。第二液体(连续相)沿着中心轴线流过膜101，从而形成乳化液滴。

图3A示出了根据一些实施方式的包括膜201和外室202的设备200。外室202具有入口203和出口204。箭头指示第一液体的流动(经由入口203和出口204)和第二液体的流动(沿着中心轴线通过管状膜201)。图3B显示了设备200的截面图。膜201通过压接螺母(compression fitting nut)205和套圈206固定在外室202内部。螺母和套圈可以有不同的尺寸。

在另一方面，提供了一种包括本文公开的膜或设备的系统。在一些实施方式中，该系统还包括对液体加压和使液体流动进入设备的外室或通过管状膜的装置、测量和控制液体流量和压力的装置、整体过程控制装置和/或收集由该系统产生的微滴乳液的装置。在一些实施方式中，该系统还包括用于杀菌和/或去除可能堵塞膜孔的颗粒的过滤器。在一些实施方式中，可以对该系统进行灭菌(例如通过高压灭菌)以用于微粒的无菌生产。在一些实施方式中，可以使用泵或压力作为对液体加压和使液体流动进入设备的外室或通过管状膜的手段。在一些实施方式中，使用用于HPLC应用的类型的无脉冲泵。在一些实施方式中，使用惰性气体，例如氮气或氩气。在一些实施方式中，惰性气体压力的使用对于处理挥发性和易燃液体是优选的。在一些实施方式中，可以使用液体流量计来监测和协助控制流量，并且可以将液体流量计连接到提供对流量的反馈控制的整体过程控制装置(例如，计算机)。在一些实施方式中，该系统可以进一步包括用于收集由该系统产生的微滴乳液的容器、搅拌乳液的装置、改变乳液温度的装置和/或精细化粒度分布的装置。

本文公开的膜或设备也可与任何先前公开的装置一起使用，例如PCT专利公开号WO 2013/045918、WO 2014/006384和WO 2019/092461中公开的装置。

在另一方面，本文提供了一种使用本文公开的设备产生第一液体的微滴在与第一液体不混溶的第二液体中的乳液的方法，该方法包括：

使第一液体流入外室；和

使第二液体流过管状膜，该管状膜包括多个孔和由疏水性塑料制成的表面，其中该管状膜被放置在外室的内部，其中，

第一液体穿过膜孔，从而形成第一液体的微滴在第二液体中的乳液。

在本文公开的方法的一些实施方式中，第一液体是包含等摩尔量的两种"预聚物"的缓冲水性溶液，第二液体是含烃表面活性剂。可使用的第一液体和第二液体的示例包括但不限于美国专利号9,649,385和10,398,779；PCT公开号WO 2019/152672和WO 2021/026494中公开的液体。在一些实施方式中，在引入设备之前即时通过混合两种预聚物的单独流来制备第一液体。也可以根据聚合速率在开始乳化过程之前形成混合物。在水性微滴内的两种预聚物聚合后，所得悬浮液形成水凝胶微球。可以对所得到的水凝胶微球的悬浮液进行筛分处理以精细化粒度分布，并且可以如PCT公开号WO 2013/036847和WO 2021/026494中所述通过高压灭菌对其进一步灭菌。在一些实施方式中，水凝胶具有式(I)

其中P

Z*和B是连接基团；

n＝0-10；

R

每个R

q和y独立地是0-6。

吸电子基团定义为哈米特σ(Hammett sigma)值大于0的基团(例如，参见Hansch等人1991，Chemical Reviews 91:165-195)。典型示例是腈、硝基、砜、亚砜、羰基和任选取代的芳烃。在一个实施方式中，吸电子基团是CN；NO

可以将液滴乳液收集在储存/处理容器中，用于储存和进一步处理。储存/处理容器的示例可以在PCT公开号WO2019/152672中找到，并且可以包括搅拌乳液的装置、改变乳液温度的装置和精细化粒度分布的装置中的一种或多种。

在本文公开的方法的一些实施方式中，该方法还包括将微滴转化为微粒。在一些实施方式中，该方法包括将微滴收集在储存/处理容器中，其中微滴形成微粒的悬浮液。在一些实施方式中，该方法还包括分离和/或精细化微粒。可以通过尺寸筛选进一步精细化微粒悬浮液，例如使用筛网去除过大或过小的颗粒。这种筛网可以放置在储存/处理容器的底部，并且可以选择筛网使得其保留或通过具有特定尺寸分布的颗粒。在一些实施方式中，首先允许初始微粒悬浮液通过大孔筛，大孔筛的选择使得大于所需最大直径的颗粒保留在筛上，而所需尺寸或更小的颗粒通过进入第二储存/处理容器。然后使用小孔筛洗涤该部分精细化的微粒悬浮液，小孔筛的选择使得小于所需最小直径的颗粒在洗涤中通过，同时将所需尺寸的颗粒保留在储存/处理容器中。筛网可以由具有所需孔径的任何合适的材料制成。在一些实施方式中，筛网由编织钢丝网(例如密纹编织钢丝网)制成。

在一些实施方式中，微粒基本上是均匀的。在一些实施方式中，微粒基本上是均匀的，并且具有约10μm、约20μm、约30μm、约40μm、约50μm、约60μm、约70μm、约80μm、约90μm或约100μm的尺寸。

在另一方面，本文提供了使用本文公开的方法形成的微粒或微粒悬浮液。在一些实施方式中，微粒是聚乙二醇(PEG)水凝胶的微球。水凝胶的示例包括但不限于美国专利号9,649,385和10,398,779；PCT公开号WO 2019/152672和WO 2021/026494中公开的水凝胶。

以下实施例用于说明而非限制本公开。

制备A.用于形成水凝胶微球的预聚物

预聚物A，其中A*＝酰胺，B＝胺，C＝叠氮化物

N

N

(N

(N

预聚物B，其中C'＝环辛炔基

将PEG

实施例1.PEEK膜管的制备

在Potomac Photonics公司(巴尔的摩市，马里兰州)对用于HPLC应用的外径为1/16"的PEEK管进行激光钻孔。用于钻孔的模式如图1所示。激光钻出共1000个10μm的孔，孔排列为5行，每行200个，间隔200μm，平行于管的中心轴排列，并在管圆周上径向间隔1mm。

实施例2.微滴乳化

根据一些实施方式，用于形成在第二液体中的第一液体的微滴乳液的系统如图4所示。使用装有调节器的压缩氮气罐将含有第二液体(连续相)的不锈钢罐(合金产品)加压至60psi。通过配有球阀(图4，部件A)以打开或关闭流体的汲取管从罐中输送连续相。使用氟化乙烯丙烯(FEP)管(1/8"OD，1/16"ID)将连续相输送至0.2μm聚(四氟乙烯)(PTFE)膜胶囊过滤器(Saint-Gobain，JKPF0201N1N-NO)，然后是用于限制流量的针阀(图4，部件B)，然后是用于测量流量的流量计(Sensirion，SLQ-QT500)，最后是内部膜管。通过双活塞脉冲阻尼HPLC泵(Cole Parmer，Masterflex EW-74931-30)将第一液体(标记为"AB混合物")从GL45实验室瓶输送到不锈钢高压过滤器外壳(Millipore，XX4404700)中的0.2μm亲水性聚偏二氟乙烯(PVDF)膜过滤器(Millipore，47mm圆盘，GVWP04700)中，然后输送至膜管容纳器(外室)。膜管容纳器具有用于预聚物溶液的出口或"旁路"流动路径，其带有用于控制旁路流量的针阀(图4，部件C)和用于监测旁路流量的流量计(Sensirion，SLI-2000)。转化为乳液的第一液体的流量＝(HPLC泵流量)-(旁通流量)。旁通流旨在消除分散管(interspersion tube)容纳器中的死端，其中聚合的水凝胶可能随着时间的推移而积累。HPLC泵的最大操作压力设置为300psi。使用计算机监测来自流量计的流量数据并控制HPLC泵。可以简单地用提供给它们的计算机应用程序来监测流量传感器并且可以手动控制HPLC泵，或者可以使用计算机控制的反馈回路来精确控制流量，如PCT公开号WO 2019/152672中所述。

外室有一根外径为1/8"、内径为0.085"的316不锈钢管。内部膜管同轴固定在外室的内部。

实施例3.微滴乳液的制备

根据一些实施方式，使用实施例2的系统制备微滴乳液的方法如下所示。使用包含两种聚乙二醇“预聚物”混合物的水性溶液作为第一液体，使用分别含有1％w/v表面活性剂

实施例4.微球悬浮液的制备

使实施例3的微滴悬浮液聚合以形成微球的悬浮液。将含有微滴乳液的瓶子加热至40℃18小时，以驱动交联反应并将微滴乳液转化为水凝胶微粒的悬浮液。使用固定在罐子外部的硅带加热器实现加热，硅带加热器带有PID控制器和浸入乳液中的不锈钢护套K型热电偶以进行温度监测。聚合后，使用3/16"内径、1/4"外径的FEP汲取管将微球悬浮液转移到洗涤反应器(公开于PCT公开号WO 2020/206358)中。以50-100rpm搅拌悬浮液，并在10psi压力下将其通过大孔筛(50x250 0.0055"x0.0045"密纹编织)排入第二洗涤器/反应器中。用3x400mL的第二液体洗涤第一洗涤反应器，将该第二液体排放到第二洗涤反应器中。然后以100-200rpm搅拌的同时，在10psi压力下将过量的第二液体从第二洗涤反应器中的悬浮液中排出；收集到1200mL。向洗涤器/反应器中加入水(200mL)以溶胀水凝胶微球，然后按如下方式洗涤悬浮液：用0.8kg庚烷洗涤6次，用1L的190度(proof)乙醇洗涤6次以及用1kg的100mM pH 4乙酸盐缓冲液洗涤8次。乙酸盐缓冲液洗涤后，将微球悬浮液(1600mL)收集到2LGL45瓶中，并在4℃下储存。如表1所示，这些微球的物理和化学性质与使用微流体方法制备的微球相同(公开于PCT公开号WO 2020/206358)。然而，膜方法的通量显著高于微流体方法的产量，与每个芯片具有7个通道的5芯片微流体系统的40mL/h相比，单个膜管产生800mL/h的微球。此外，制造单个膜管的成本(100美元)小于5个微流体芯片的成本(3500美元)。由于疏水性表面涂层的侵蚀，微流体芯片的使用寿命较短(对于5个芯片组，约1L的微球悬浮液)，而膜管在已重复使用大于3L的情况下，性能没有明显下降。

表1

实施例5.制备微球悬浮液的另一种系统

根据一些实施方式，用于形成微球悬浮液的系统如图5所示。包含癸烷和表面活性剂的连续相以约20mL/min的速率通过0.2μm PTFE膜过滤器从加压罐中通过汲取管输送到微孔管的开孔中。通过两个计算机控制的脉冲阻尼HPLC型活塞泵和静态混合器形成分散相，分散相包含pH为5的乙酸盐缓冲液中的各3.1mM的预聚物A和预聚物B。或者，对于具有缓慢反应端基的预聚物，例如在此使用的环辛炔-叠氮端基对，可以在输送前约5分钟在玻璃瓶中预混合预聚物A和B溶液，并使用单个泵和过滤器在足够短的时间内(在此为60分钟)输送到组件中，以避免预聚物过早聚合导致粘度增加。在任何一种情况下，以10mL/min的速率将预聚物混合物通过亲水性0.2μm PVDF膜过滤器泵入组件的外套管中。使用PID回路监测流量并改变进料罐的压力，也使用该计算机控制连续相流量。在微孔管内的流动连续相中形成液滴。液滴的PEG含量是聚合水凝胶的水性平衡溶胀浓度的两倍，这允许更高的体积生产速率，因为液滴一旦交换到水性介质中就会膨胀到其体积的两倍。

将产物乳液收集在2L玻璃罐中后，将其加热至40℃20小时，以驱动SPAAC交联反应完成。然后使用汲取管将所得氨基微球(氨基MS)悬浮液转移到由两个连续的筛底洗涤反应器(B)组成的组件中，该反应器用于分离出直径约为20-100μm的氨基微球。超过约100μm的颗粒被第一个洗涤反应器中的筛网去除，超过约20μm和低于100μm的所需颗粒被第二个洗涤反应器中的筛网保留。筛分后，用庚烷洗涤氨基MS，然后用乙醇洗涤以除去连续相，然后交换到pH 4.0的AcOH缓冲液中储存。一次典型的运行产生了约1500mL具有所需粒度的水溶胀氨基MS浆料，基于所用预聚物，产率约为65％至70％。

氨基MS在100mM AcOH/NaOAc缓冲液(pH 4.0)中的悬浮液的关键质量定义属性是反向凝胶化时间(t

表2

A

实施例6.PEEK膜厚度对液滴尺寸的影响

使用33mL/min的连续相流量和12mL/min的分散相(水)流量，比较了外径为1/32"和1/16"以及内径为0.020"的包含1000个10±3um孔的PEEK膜的性能。管分别产生13±4μm和44±14μm的乳化液滴(图6，A和B)。在此，预计对液滴尺寸影响最大的参数：孔径、连续相流量以及较小程度地分散相流量在两种管之间保持不变，这表明液滴尺寸的大差异是由于管的壁厚造成的。

为了在1/32"管中产生更大的液滴，连续相流量降低到6mL/min，提供了45±15μm的液滴(图6，C)，然而分散相流量必须降低到4mL/min。这是保持连续相与分散相之比足够高以支持乳液稳定性所必需的。尽管就液滴尺寸而言是可行的，但1/32"管的体积通量减少了3倍。

在以上实施方式的描述中，参考了构成本文一部分的附图，并且在附图中通过示例的方式示出了可以实践的具体实施方式。尽管已参考附图对所公开的实施方式进行了全面描述，但应注意，各种变化和修改对本领域技术人员来说将是显而易见的。这些变化和修改应被理解为包括在所附权利要求所定义的所公开实施方式的范围内。应当理解，各种实施方式仅以示例的方式而非以限制的方式呈现。同样，各种图可以描绘实施方式的示例构造或其他配置，这样做是为了帮助理解可以包括在所公开的实施方式中的特征和功能。本公开不限于所示的示例构造或配置，而是可以使用各种替代构造和配置来实现。此外，尽管以上根据各种示例性实施方式和实现方式描述了本发明，但是应当理解，在一个或多个单独的实施方式中描述的各种特征和功能在其适用性方面不限于对其进行描述的特定实施方式。相反，它们可以单独或以某种组合应用于本发明的一个或多个其他实施方式，无论是否描述了这样的实施方式，以及无论是否将这样的特征呈现为所描述的实施方式的一部分。因此，本发明的广度和范围不应受到任何上述示例性实施方式的限制。

除非另有明确说明，否则本文件中使用的术语和短语及其变体应被解释为开放式的，而不是限制性的。如本文所用，单数形式的“一个”、“一种”和“该”包括复数指代物，除非内容中另有明确规定。如本文所用，除非另有规定，当与指定值结合使用时，术语“约”是指包括与指定值相差5％、4％、3％、2％、1％、0.5％或0.1％以内的值。

所有引用的参考文献通过引用纳入本文。提供以下实施例是为了说明而非限制本发明的实施方式。