第1章绪论

1.1引言

近些年来，伴随着基因重组技术和蛋白质组学的发展，多肽类和蛋白质类药物已经成为目标医学最活跃的研究领域，其重要的发展潜力使其成为二十一世纪初最有前途的产业之一。药物进入人体到作用部位后，它的有效作用时间，给药强度，给药持续时间与其剂型有着非常密切的关系。纵观全球的制药行业，新药的研究开发都是一个高投入，大风险和长周期的产业。一般新药研发周期为10至15年，花费的研发经费超过10亿美元，成功率只有1/5000。然而新配方的研发只需要几年的时间，可以大大的提高现有药物的生命周期，风险相对较低，有着很大的利润空间。因此，药物新配方新剂型的开发是70%的制药企业在药物专利保护末期最常采用的延长产品生命周期的策略，而且，这种方式的成功率也在90%以上。至2014年，新型给药技术产品在全球市场规模将达到2000亿美元。许多新型的多肽类，蛋白质类药物除了在诊断学和预防疾病疫苗研究方面之夕卜，在治疗各型肝炎，糖尿病，关节炎，老年痴呆症和其它疾病方面也发挥着重要的作用；但是这些药物在体内不能稳定存在，所以临床上一般制备成溶液针剂或者冻干粉剂；注射入人体后会被迅速的清除或降解，为了达到治疗效果往往需要使用高剂量和长期频繁的给药，这样会带来副彳，用，并让人体对其产生耐受性(Weietal. 2004)c为了解决长期给药的问题，士肤类和蛋白质类的缓控释制剂的研究发展是药剂学面临的新的挑战（Wang etal. 2006; Zhu et al. 2000)。

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1.2缓控释给药技术简介

缓释给药系统是指通过延缓药物释放的速率，使人体对药物的吸收速率降低，从而使制剂获得更好的治疗效果的用药方式，它可以延长药物在人体内的作用的时间，减少用药次数，减小药物毒性副作用，间接的提高患者身体的舒适性（崔福德，2006)。控释给药系统是缓释给药技术的进一步发展技术，指为了发挥药物的治疗效果药物从制剂中以受控形式恒速地释放作用到特定IE向器官的一类制剂，可以消除一般药物疗效时的常见的波峰波谷现象，使用后一直维持着治疗状态（罗毅，1996)。大部分的控释给药系统同时具有缓释给药系统的优点，例如口服微球系统、注射式微球系统和口服渗透粟片剂等。控释给药系统还具有以下众多优点：1)减少服药次数，增强病人的适应性；2)避免了某些药物对胃肠道的刺激；3)保护容易受到机体破坏的药物（如多肽类、蛋白质类药物)；4)增加了药物治疗的稳定性；5)维持药物浓度稳定，减少给药浓度出现大幅度的变动，降低毒性副作用，提高治疗效果；6)减少后续的护理，患者易接收。理想的控释给药制剂应该能够控制药物释放速率以便符合药物动力学，药物在达到作用部位后能够迅速达到理想的浓度,并维持此治疗浓度持续相应的时间。人体其它部位则未出现药物分布或者药物浓度很低，一旦药物治疗目的达到，立即令其在作用部位分解消除。

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第2章X射线显微成像

2.1 X射线显微成像技术

X射线从本质上看是一种电磁波，一般是由高速电子撞击祀材料产生。X射线的波长范围从几个皮米到几个纳米，一般将波长在0.1埃?1埃范围内的X射线称为硬X射线，在1?10埃范围内的称为软X射线。X射线穿过物体时，相互之间主要发生三种相互作用：光电效应、康普顿散射和相干散射(Hsieh et al.2003 )。光电效应是指当X射线照射到物体上，如果X射线光子的能量大于物体中原子的电子结合能，X射线光子的能量就会被物体吸收。原子的内层电子吸收一个X射线光子，被激发到高能级或者,离后，在内壳层留下一个电子空穴，外层电子就会向内层跃迁，填充这个空穴：这一退激过程主要有两种途径：焚光过程和俄歇电子发射。焚光过程是外层电子向内层跃迁，以一个电子的形式向外辐射多余的能量；俄歇过程是不以光子的形式放出多余的能量，而是电离另一个内壳层电子将其作为光电子发射出去。康普顿效应是指X射线的光子与物质相互作用后，因失去部分能量引起X射线的波长变长的现象。物质中的电子在入射X射线的交变电场作用下作受迫振动，称为具有交变电矩的电偶极子，它的振动频率与入射X射线相同。电偶极子向四周发射的电磁波与其振动频率相同。由于这种散射X射线的波长、频率与入射X射线相同，各散射X射线间具有固定的相位差，在相同的传播方向上可以发生干涉现象，所以将其称之为相干散射。

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2.2泽尼克相位衬度成像

1935年，Zernike首次在光学显微成像技术中引入相位衬度的概念(Zernikeet al. 1935),这一伟大的创新使Zernike获得了 1953年的诺贝尔物理学奖。目前在X射线显微成像领域有很多种方法实现相位衬度，主要有干涉法成像、相位传播成像、衍射增强成像、光栅剪切成像和波带片成像等。近二十年发展起来的X射线相位衬度成像技术主要有以下三条基本思路：①基于干涉探测相移信号；②基于角度分辨探测折射角；③基于自由传播，使波面弯曲转化为光束的聚焦和发散。总之，相位衬度成像方法实现相位探测是通过将相位信号转化为光强信号来实现的。在波带片焦平面（即频谱面)，不含样品信息的背景透射光和含样品信息的衍射光，其空间频谱是分离的，对背景透射光的空间频谱进行单独处理。在靠近频谱面，聚焦镜出射环形光斑被波带片成像的位置放置一个兼有振幅衰减和相位移动的环，这样物体的相位移动项就转换为振幅项，它们在像平面上相互叠加增强成像衬度（Schneider et al.l998)。根据基础物理知识可知，在X射线波段和极紫外波段的能量范围内，所有物质的折射率都非常的接近1，也就是说在单位吸收长度范围内观察不到X射线发生明显的折射，所以没有办法利用折射来成像。目前，己经出现了X射线成像使用曲面镜掠入射全外反射成功的例子，但是由于其严重的像差带来的低成像分辨率严重限制了其应用。近些年来，在X射线波段，各式各样的菲淫尔波带片得到了非常广泛的应用，因为使用菲涅尔波带片成像的像差非常小，同时空间分辨率非常高，接近衍射极限。

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第3章基于双探测器的X射线微分相位衬度成像研究......... 37

3.1传统X射线相位成像技术........ 37

3.2 X射线微分相位衬度成像双探测器方法........ 38

3.3泰伯劳双探测器方法........ 42

3.4 小结........   43

参考文献........ 44

第4章硬X射线显微成像研究PLGA微球的结构........ 47

4.1 BSRF显微CT实验平台........ 47

4.2 PLGA微球样品 ........54

4.3 PLGA微球硬X射线显微成像流程........ 59

4.4成像结果........ 66

4.5 本章小结........ 71

参考文献........ 72

第5章硬X射线显微成像研究PLGA微球的性能........ 73

5.1 PLGA微球三维数据计算基础........ 73

5.2 PLGA微球孔隙率计算........ 74

5.3 PLGA微球载药量计算........ 79

5.4微球表面积体积比计算........ 83

5.5微球孔隙大小对载药量的影响........ 84

5.6 本章小结........ 86

参考文献........ 87

第5章硬X射线显微成像研究PLGA微球的性能

5.1 PLGA微球三维数据计算基础

实验是在北京同步福射光源纳米CT装置大视场模式中进行的，光路图见图5.1。具有高分辨（视场15um*15um,分辨率30nm)和大视场（视场60um*60um,分辨率64nin)两种成像模式。我们使用分辨率板对该设备进行性能测试。图5. 2所示的分辨率板的实验结果强有力的证明了两种模式的分辨率可信性。CCD的读出模式非常丰富，可以实现多种效果。像素组合Pixel Binning是一种图像读出模式，将CCD相邻像素中的感应电荷加在一起，以一个像素的模式读出，如图5. 3所示。图像中的有用信号和背景噪声性质不同，有用信号是直接相加的，而噪声则是功率相加，所有Binning可以提高图像中的光子数，降低噪声，提高信噪比和灵敏度。Binning分为水平方向和垂直方向，水平方向是将相邻行内像素的感应电荷叠加在一起读出，垂直方向是将相邻列内像素的感应电荷叠加在一起读出。本实验在采集纳米CT数据时采用Binning2处理，系统的成像分辨率是64nm,所以Binning后，投影图上的像数点大小是128nm x 128nm。三维重构之后，每个像素体的大小是128nm X 128nm X 128nm，即2.097 x 10—3 y rn3。这个数据将在下面计算PLGA微球的结构参数时使用到。

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总结

PLGA微球处方与制备工艺影响着PLGA微球的三维结构及性。但是目前，由于缺乏关于微球制备工艺、处方因素、微球理化性质及释药性能之间广泛深入的理论支持，导致了负载蛋白质类药物的PLGA微球科研效率低、周期长，成功率低。因此，探明PLGA微球内部的三维结构对于改进PLGA微球的载药量、释药率等性能参数有着重大的意义。但是研究PLGA微球结构的传统成像手段，如光学显微镜和电子显微镜，要么分辨率太低，要么只能获得微球切片横截面的二维图片，很难获得微球内部的三维结构。硬X射线显微成像技术的发展为研究PLGA微球的完整三维结构提供了一条崭新的道路。本论文基于北京同步辐射硬X射线显微成像站研究了多种处方的PLGA微球三维结构信息，并进一步计算分析了微球孔隙率、载药量等性能参数，关联了PLGA微球处方、制备工艺、结构和性能，主要工作如下：

1.介绍了北京同步辐射硬X射线显微成像站的主要工作原理和光路中重要的元器件；参与了此成像站的建设和调试工作，并进一步进行了性能的优化；分析了硬X射线显微成像装置结合泽尼克相位衬度和纳米CT技术在PLGA微球成像上的独特优势和光明前景。

2.在大量调研和实验的基础上，摸索出了适合硬X射线PLGA微球成像的样品处理流程；在获得PLGA微球三维重构片层的基础上，将微球骨架、微球内部孔洞和孔洞内分布的蛋白质类药物区分开来；提取出了一系列重要的结构信息参数，如孔洞大小、孔洞分布、体积面积比和孔隙率等，使得我们对PLGA微球内部结构的了解更加深入。

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参考文献（略）