基于超临界流体技术的中药及天然药物研究与应用

中山大学广东省中药超临界流体萃取工程技术研究中心是依托中山大学成立与发展的科研平台，同时以中山大学（南沙研究院及药学院）为依托建立了南药集成制造与过程控制技术研究中心和天然药物研究中心、以中山大学为技术支撑联合共建了超临界流体技术及装备国家地方联合工程研究中心等平台。由葛发欢教授团队负责建设与运行。团队重点针对中药研究及生产中提取分离等过程涉及的科学和关键技术问题，以超临界流体技术为核心，研究开发了先进实用的中药提取分离过程单元技术及装备、过程质量控制技术及系统、现代纳米药物制备技术，并通过集成优化，形成了中药提取分离及过程控制成套技术与装备，建立了相应的中试线。

一、研究方向与应用概况

1.中药超临界流体萃取技术方法的研究与建立及应用发展

超临界流体技术是“环境友好”的绿色新技术。CO2由于来源广、惰性、无毒，是最常用的超临界流体，因其具有许多独特的性质，超临界流体技术在萃取、反应、材料、分析、清洗、印染等多个领域的研究和应用中显示了较大的优势。

超临界CO2流体萃取技术始于20世纪70年代，之后迅速发展，成为新一代提取分离技术。用超临界CO2萃取天然产物，由于具有较佳的提取分离效率、选择性高、周期短、无溶剂残留等优点，国际上率先在食品、香料、化工等领域广泛应用。国内的研究始于80年代，但能否在中药领域应用当时争议较大。

图1 超临界CO2流体的特点

葛发欢教授及团队早在80年代末就率先将超临界流体萃取的理念和方法引入中药领域，研究开发了中药的超临界CO2流体萃取技术，通过主持承担国家“八五”科技攻关项目“超临界CO2萃取技术在中草药中的应用研究与开发”及随后相继承担的国家及省市“八五”跨“九五”到“十三五”的相关项目及大量横向项目，进行了近100种中草药的超临界CO2萃取技术研究，历经多年的努力，从超临界CO2萃取在中药或天然药物应用基础研究、国产装备的开发、中药与天然药物品种的研究开发及产业化等方面展开了系统深入的研究，证明了超临界CO2萃取技术可用于中药领域并揭示了其应用规律性，解决了很多重大技术问题，建立了中药超临界流体萃取技术方法；开发了适合中药萃取的装备及多个中药及天然药物品种，并实现了产业化及推广应用，充分显示了超临界CO2萃取技术在中药中药现代化中的优势。有关成果有力推动了国内超临界CO2萃取技术在中药及天然药物中的研究与应用。

近三年来，团队通过合作，又研究开发了新一代高效节能连续式超临界CO2萃取技术。在原间歇式超临界CO2萃取技术设备的基础上，开发了三釜瞬间等压智能切换萃取等系统，并优化流程及系统配置，形成连续式高效节能超临界CO2萃取成套技术与装备。品种的效果验证研究证明：与传统超临界CO2萃取技术比，提取过程由原来的间隙式操作变成连续式操作，相同的药材处理量，可大大节约工时、缩短生产周期，减少CO2耗量和用电量，大幅提高了生产效率、节能降耗。该成套技术已开始在药用与功能性油脂、中药健康产品中推广应用。另外，在一般超临界萃取压力（通常小于40MPa）基础上，还开发了中药高压及超高压超临界萃取技术，大大提高了超临界CO2流体的溶解度，拓宽了中药有效成分的萃取范围，提高了萃取效率。

图2 超临界流体萃取技术用于中药有效成分群的提取分离

2.中药超临界流体技术的过程机制研究

超临界流体技术尤其是中药及天然产物的超临界萃取存在一个有趣的现象，即其过程机制的基础研究滞后于其应用发展的步伐。尽管超临界萃取技术已经开始广泛应用于中药及天然药物成分的产业化提取分离，但如何快速获得最佳的工艺参数及大型设备的设计方案仍然是普遍存在的问题，目前通常凭借经验设计或通过大量的条件试验来优化。

研究团队根据超临界流体与中药成分相互关系的基本特点，针对如何快速高效获得药物有效成分的关键问题，设计精密设备对药物成分在超临界流体中的相行为进行深入分析，通过PR方程、半经验模型、相互作用方程等方法描述了药物-CO2等二元及多元相平衡规律，建立了药物在超临界流体中的相行为拟合模型，并结合超临界萃取过程机理研究，建立了萃取过程数学模型，实现了萃取过程最优参数的快速预测。在此基础上，团队将这一研究方法进一步拓展到基于超临界流体技术的纳米药物研究之中，并建立相关数据库。

3.基于超临界流体技术的现代纳米药物研究

研究团队利用超临界CO2的独特性质，根据中药及天然药物成分的理化性质和药学特点，通过应用化学、流体动力学、药剂学、现代药理学等多学科交叉，建立了多种“因药制宜”的现代纳米药物制备的基本方法—超临界快速膨胀过程与超临界抗溶剂过程融合的成套技术，着力探索高效的中药及天然药物成分新型给药系统，为进一步发展中药及天然药物的新剂型提供新的思路和方法。

图3 超临界流体中药物成分相行为的研究

图4 多元相平衡模型建立与参数预测

图5 纳米药物产物形貌的灵活控制

图6 SEDS技术改善难溶性药物水溶性

图7 实现药物缓控释及提高生物利用度

例如，通过对超临界CO2多相体系中的相转变、相平衡、传质过程、成核生长机制等方面的深入研究，实现了基于超临界流体技术制备纳米药物产物形貌的灵活控制；通过超临界RESS和SEDS技术将难溶性药物转变为无定型纳米颗粒，有效改善了药物的水溶性和吸收；通过研究SAS过程中“药物-载体”相互作用规律，构建多种不同的固体纳米给药系统，改善药物的体内稳定性、药代动力学性质、生物利用度；通过超临界SSI和药物“穿墙”载药技术，构建药物-介孔纳米给药系统，实现药物的应激释药、靶向给药等功能。

二、科研团队及科研支撑条件

以葛发欢教授为学术带头人的科研团队现设有专职科研人员13人，其中正高级职称1人、副高级职称2人、中初级职称6人、其他工程技术人员4人，具有博士学位2人、硕士学位6人，在读研究生5名。另外尚有兼职研究人员10多人。是一支专业从事以中药超临界流体萃取技术及中药现代提取分离技术、基于超临界流体技术的现代纳米药物技术、中药提取分离过程近红外质量控制技术研究的研发团队。

团队目前拥有研发试验场地近1400平方米，按照实验室功能，下设有中药超临界流体萃取室、中药新型提取分离室、超临界流体纳米药物制备室、中药质量分析与过程控制室、细胞实验室、中药及健康产品开发室等。专门配有设备仪器总值达1800多万，包括超临界流体相平衡仪、超临界流体萃取及逆流萃取装备、新一代连续式超临界CO2萃取装备及超高压超临界流体萃取装备、超临界纳米药物制备装备、连续式高压破碎提取装备、动态轴向压缩工业色谱定向分离装备、分子蒸馏装备、纳滤膜分离与浓缩装备等及相应的3条成套技术装备中试示范线；精密仪器包括LCMS-IT-TOF液质联用仪、气质联用色谱仪、高效液相色谱仪、近红外光谱离线及在线分析系统、酶标仪等。

三、主要科研成果及国内外技术交流与合作

多年来，团队负责人承担了国家科技攻关计划、支撑计划、重大新药创制专项、重点研发计划及广东省、广州市等科技项目40多项，大部分项目与中药及天然药物的超临界流体技术相关；研究的中药及天然药物、中药健康产品多项获得批文，大部分已产业化；获各级科技奖励11项，其中国际发明金奖1项、省部级科技进步一等奖、二等奖各1项；发表中文及SCI论文140多篇，主编专著2部。

近5年来，团队申请发明专利50余项、实用新型专利4项、软著作权5项，充分利用关键技术优势，积极开展与国内外企业、大专院校及科研院所的技术交流与合作，技术服务与合作项目30多项，相当一部分已投入产业化应用；举办了第十届全国超临界流体技术学术及应用研讨会、第三届海峡两岸超临界流体技术学术研讨会、第四届中-法超临界流体技术国际学术会议。