扫描电子显微镜在制药领域的应用

2022-10-31 09:57

扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）是一种用于高分辨率微区形貌分析的大型精密仪器，其具有分辨率高，景深好等优点，可以使微观组织的形貌变得清晰、可视化。扫描电子显微镜的工作原理是首先电子枪发射电子，经聚光镜和物镜缩小成细微的电子束，经过扫描线圈驱动对测试样品的表面进行扫描，当电子束与测试样品表面进行互相作用产生二次电子、X射线等信息，通过探测器收集后转化为视频信号，经显像管调制后呈现出测试样品表面的微观图像[1]，其结构示意图参见图1。扫描电子显微镜的强大功能注定对各领域的科技进步起到了积极的作用，其中制药领域尤为显著。

图1 扫描电镜结构示意图和样品表面信号

扫描电子显微镜在药物鉴别和质量控制方面的应用

在仿制药的研究工作中，首先要保证物质基础一致、晶型一致。然而往往在研发过程中，物质基础一致、晶型一致，但药品的稳定性、药效差别比较大，这时利用扫描电镜技术可直观的看出差别，为今后的研究找到方向。最终通过扫描电镜观察细微形貌，发现二者之间存在较大差别，进口原研药（图1-a）微观形态为较为圆滑的块状，分布均匀，国产仿制药（图1-b）微观形态上更复杂，不仅有圆滑的块状结构，还有片状结构。这也很好的解释了晶型一致而稳定性和溶解性差别较大的原因，扫描电镜信息为药物研究提供了更有力的支持。

图2.进口原研药和仿制药的微观形貌

药物制剂一般由原料药和原料辅药组成，二者的有效结合是决定药物吸收效果的关键。药物辅料虽不具有明显的药物活性，但不能完全将其认为“惰性物质”，其与药物一同进入人体，在体内发生吸收、代谢、转运和消化等过程，因此药物辅料对人体的作用也不容忽视。一般而言，原料药既需要足够的吸附性与分散性，也要保证在使用环境下能够及时释放脱附。因此，通过对药物进行扫描电镜分析，不仅可以对药物颗粒粒径及形貌进行分析，更可以判断辅料对原料药颗粒的吸附效果[2]。这些因素深刻地影响着药物的品质和质量。

扫描电子显微镜在纳米药物研发中的应用

扫描电子显微镜的高分辨率和对样品损伤影响微乎其微的特点，使得纳米药物的研究和表征成为可能。早在1997年，Damge[3]等就利用扫描电镜发现，胰岛素和聚氰基丙烯酸酯在强酸环境下静电吸引十分强烈。这种静电吸引力可以将胰岛素牢牢地吸附于表面。这一发现可以有效地规避胃蛋白酶和胰蛋白酶对胰岛素的分解作用，为如今的口服胰岛素提供了可行方案。

在中国纳米中药的研究也借助扫描电镜得到了飞速的发展。纳米微粒的高活性，多反应点，超强的吸附能力均是一款成功药物所需要的。通过扫描电镜技术对纳米药物表面进行观察、修饰和实验，使其可以到达指定位置释放药物，作为“靶向药物”来治疗疾病，大大地减少了药物的用量和药物对人身体的毒副作用。吴道澄[4]等曾通过观察与实验，制备了纳米级脂质体，该药物主要用于肝癌栓塞化疗。纳米级脂质体可以有效减少药物的用量，降低化疗的毒副作用，同时药物在病灶释放也对症状取得了预期的效果。该研究团队是采用日立冷场扫描电镜S4800（当前型号为SU 8600）对纳米级的脂质体形貌和粒径进行表征。冷场电镜可以采用低加速电压实现样品的高分辨率和低损伤观察，这个特点十分适合生物医药类样品，如图3所示。