均匀设计及其在药学中的应用
作者：张 蓉
单位：(第三军医大学附属新桥医院药局)重庆，400037
关键词：均匀设计；正交设计
第三军医大学学报990826 张 蓉 综述 张恩娟 审校
中图法分类号 R91
Uniform design and its application in pharmaceutics：Areview
在药学领域中，无论是药物合成工艺条件的研究、制剂处方的设计与筛选、抗菌素生产工艺条件的考察，还是生药有效成分的提取等，都会遇到多因素工艺条件的设计与优化，希望寻找一种有效的试验设计方法，在各因素的取值范围内，只做较少的试验便能得到理想的试验结果。目前较新的设计方法是均匀设计法，本文就其方法在药学领域中的使用情况作一综述。
, 百拇医药
1 均匀设计方法的提出
正交设计是广泛应用于多因素、多水平试验的设计方法。正交设计的特点是“均匀分散，整齐可比”。为了达到“整齐可比”，试验点的数目就必须多，试验次数为水平数的平方的整数倍。当水平数较大时，试验次数则嫌过多，如10个水平的多因素试验，至少要做102=100次试验。为解决此类问题，我国数学家方开泰教授[1]和王元教授于1978年提出了一种新的均匀设计方法。均匀设计(Uniformdesign)是将数论与多元统计相结合，在正交设计的基础上提出来的一种试验次数少、成本低且又不失一般性的试验设计方法。其特点是只考虑试验点在试验范围内“均匀分散”。忽略“整齐可比”。均匀设计要求安排的试验次数为因素所取水平数，因此可以适当增加因素所取的水平数，而不必担心由此导致的像正交设计那样试验次数呈平方增加。正交设计与均匀设计试验次数比较列于表1。
表1 两种设计方法试验次数比较 试验方法
, 百拇医药
试验次数N
正交试验
rq2
均匀设计
rq
r:试验重复次数；N：试验次数；q：水平数
2 均匀设计的一般步骤
明确试验目的和确定试验指标。每次试验都有其目的。因此，首先要确定通过试验解决什么问题，如需解决的问题比较多，则应分清主次，解决最关键的问题。试验目的明确后，进而考虑试验指标，如试验目的是提高原料药的得率，则指标可为得率(%)。
确定试验的因素和水平。确定了试验目的和指标后，则应考虑哪些因素对指标有影响。在确定了试验因素后，还须确立这些因素的相应水平。各因素的水平可相等，也可不等。一般说来，重要的因素多取几个水平。
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选用“均匀设计表”和“均匀设计应用表”，做好表头设计。该表的选用和表头设计将在下面应用举例中具体说明。
确立各次试验的条件和顺序，进行试验，取得数据。
分析数据，得出结论。
3 应用举例
下面以MTX、HSA微球制备工艺优化为例说明均匀设计方法的使用[2]。
根据专业需要，初步认定影响微球粒径的因素，进行预试验，由预试验的结果确定出主要因素有：白蛋白水溶液百分浓度A(%)，乳化搅拌速度B(rpm)，乳化时间C(min)，乳化剂用量D(ml)。由于考察的范围较少，所以各因素均取三个水平，见表2，又因水平数最好是因素数的两倍以上，故将三水平拟合成九个水平，选择均匀表U9(96)，拟合后列入表3，根据U9(96)的使用表规定，选择其中1、2、3、5四列组成表4，将对应的各因素各水平填入表内。试验方案就安排好了。按照表4安排的条件进行试验，将每个试验号结果列入表中粒径栏内。将表4中的结果进行回归处理，得回归方程Y=9.5217+0.1613A-0.0218B-0.1100C+1.5667D……(1) R=0.9415,F=7.806,S=0.9956,N=9。查表得知F0.05
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4.4=6.36，F>F0.05
4.4，所以F检验通过。由上述回归方程可知，A和D的系数为正值。在考察范围内，它们的值越小，Y值越小，一般它们宜取上限值，D选定为0.2ml，但考虑到微球制备量不宜太小，故A选定为25%。B和C的系数为负值，表明它们取值越大，Y值越小。所以优化条件时，B和C分别选定为450rpm和6min，将上述优化条件代入式(1)，得预报的优化值为：Y=3.39(um)区间估计为y=y±U2S，查表U2(0.05)=1.96，所以优化条件下的优化结果为3.39±1.95。按优化条件进行试验，其试验结果的微球径为3.37μm，在预测范围内，且较其他几个试验号的结果好。
表2 因素水平表
水平
因素
1
, 百拇医药
2
3
A(%)
20
30
40
B(rpm)
250
350
450
C(min)
2
4
, http://www.100md.com 6
D(ml)
0.2
0.4
0.6
表3 四因素拟水平表
水平
因素
1
2
3
4
5
6
, http://www.100md.com
7
8
9
A(%)
20
20
20
30
30
30
40
40
40
B(rpm)
, http://www.100md.com
250
250
250
350
350
350
450
450
450
C(min)
2
2
2
, 百拇医药 4
4
4
6
6
6
D(ml)
0.2
0.2
0.2
0.4
0.4
0.4
0.6
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0.6
0.6
表4 试验方案及结果表
因素
试验号
A(%)
B(rpm)
C(min)
D(ml)
粒径(μm)
1
1(20)
2(250)
, http://www.100md.com
4(4)
7(0.6)
8.58
2
2(20)
4(350)
8(6)
5(0.4)
4.43
3
3(20)
6(350)
3(2)
, http://www.100md.com
3(0.2)
5.66
4
4(30)
8(450)
7(6)
1(0.2)
3.38
5
5(30)
1(250)
2(2)
8(0.6)
, 百拇医药
8.76
6
6(30)
3(250)
6(4)
6(0.4)
9.55
7
7(40)
5(350)
1(2)
4(0.4)
8.15
, http://www.100md.com
8
8(40)
7(450)
5(4)
2(0.2)
6.76
9
9(40)
9(450)
9(6)
9(0.6)
6.89
4 均匀设计在药学中的应用
, 百拇医药
王洪光等[3]采用均匀设计法，选择扑热息痛作模型药物，采用微机程序处理，筛选出最佳处方和制备工艺。邓英杰等[4]用均匀设计方法筛选了黄芪多糖脂质体的处方。高晓黎等[5]采用均匀设计，以乳剂的稳定性参数为考察指标，考察了初乳乳化剂，复乳乳剂的优化处方和工艺。张晓菁等[6]采用均匀设计方法，考察了齐墩果酸磷酸酯的合成工艺，收率由原工艺70.0%提高至85.0%。温文清等[7]在清热宁的工艺研究中，运用均匀设计对其第1次水提和第2次水提分别独立选择因素水平，找到了最佳提取工艺。山岚等[8]利用均匀设计，对硫软膏含量测定条件进行实验筛选，得出了适合硫软膏含量测定的条件。蔡鹰等[9]采用计算机辅助均匀设计优化策略，对正品大黄的提取工艺进行了筛选。王建新等[10]采用均匀设计法，以粘着强度为指标，筛选中药巴布剂基质。以所得回归方程对基质组成比例进行优化，确定了基质的最佳配比。张志荣等[11]以氰基丙烯酸正丁酯为载体，用乳化聚合法制备了万乃洛韦聚氰基丙烯酸正丁酯毫微粒，通过均匀设计法精选，确定了较佳处方和制备工艺。
, 百拇医药
5 运用均匀设计的注意事项
均匀设计方法简便，使用得当，往往得到较好的结果，但如果使用不当，也会导致错误的结论。因此，在运用该法时，要注意以下几点：①正确选择相关因素。着重考虑对结果影响较大的因素；对影响不大的因素，不必考虑，以免引进误差；对影响大小已经确定的因素，可固定在适当的水平上。②正确选择水平数。水平数尽可能为奇数，同时还应考虑水平数与因素数的适当比例关系。水平数一般大于因素数的两倍。在选择水平数时应结合专业知识，确定适当的水平数，使最佳条件值落在设计范围内。在确定水平数时，一般应以中间水平最佳较合理，如果出现最高或最低水平为最佳，必须分析边缘效应的缘由。③合理选用试验指标。试验指标最好用定量指标，在遇到不能用数量表示，只能采用定性指标时，对定性指标通常通过打分或评定等级予以数量化，便于统计分析，遇到多指标时，应着重考虑起主要作用的指标。
实践证明，均匀设计不愧为试验设计的最佳方法之一，根据均匀设计表及使用安排实验，可大大减少试验次数，再辅以计算机对实验结果进行线性回归计算处理，经F统计检验确定回归是否显著(成立)，如果回归方程显著，可根据方程了解指标与各因素之间的关系，进行工艺选择与优化，使之选出更好的工艺条件，达到提高效率、节约时间和经费的目的。
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作者简介：张 蓉，女，26岁，药师
参考文献
1 方开泰.均匀设计——数论方法在实验设计的应用.应用数学学报，1980 ，3(4)：363
2 周红卫.均匀设计在科研中应用.数理医学杂志，1997，10(3)：251
3 王洪光，张汝华.以扑热息痛为模型药物对片剂生产量化控制的研究.中国医药工业杂志，1996，27(2)：61
4 邓英杰，刘素琴，顾学裘，等.黄芪多糖脂质体的制备和稳定性研究.沈阳药科大学学报，1996，13(1)：1
5 高晓黎，孙殿甲.W/O/W型甘草酸单铵盐口服复乳的处方设计及其理化特性研究.中国医药工业杂志，1996，27(1)：8
, 百拇医药
6 张晓菁，刘明生，陈树人，等.均匀设计在齐墩果酸磷酸酯单钠合成中的应用.沈阳药科大学学报，1996，13(4)：282
7 温文清，陈 斌.应用均匀设计选择清热宁的提取工艺.中药材，1996，19(9)：47 4
8 山 岚，唐 尧，刘雪梅，等.均匀设计在硫软膏含量测定条件选择中的应用.华西药学杂志，1996，11(4)：251
9 蔡 鹰，范国荣，梁秉文，等.中药大黄提取工艺的优化研究.军队医药杂志，199 6，6(6)：46
10 王建新，李令媛，李 望.均匀设计法筛选中药巴布剂基质的研究.华西药学杂志 ，1998，13(2)：91
11 张志荣，何 勤.万乃洛韦聚氰基丙烯酸正丁酯毫微粒制备工艺的优选. 华西药学杂志，1998，13(1)：14
(收稿：1999-05-04；修回：1999-07-25), 百拇医药
单位：(第三军医大学附属新桥医院药局)重庆，400037
关键词：均匀设计；正交设计
第三军医大学学报990826 张 蓉 综述 张恩娟 审校
中图法分类号 R91
Uniform design and its application in pharmaceutics：Areview
在药学领域中，无论是药物合成工艺条件的研究、制剂处方的设计与筛选、抗菌素生产工艺条件的考察，还是生药有效成分的提取等，都会遇到多因素工艺条件的设计与优化，希望寻找一种有效的试验设计方法，在各因素的取值范围内，只做较少的试验便能得到理想的试验结果。目前较新的设计方法是均匀设计法，本文就其方法在药学领域中的使用情况作一综述。
, 百拇医药
1 均匀设计方法的提出
正交设计是广泛应用于多因素、多水平试验的设计方法。正交设计的特点是“均匀分散，整齐可比”。为了达到“整齐可比”，试验点的数目就必须多，试验次数为水平数的平方的整数倍。当水平数较大时，试验次数则嫌过多，如10个水平的多因素试验，至少要做102=100次试验。为解决此类问题，我国数学家方开泰教授[1]和王元教授于1978年提出了一种新的均匀设计方法。均匀设计(Uniformdesign)是将数论与多元统计相结合，在正交设计的基础上提出来的一种试验次数少、成本低且又不失一般性的试验设计方法。其特点是只考虑试验点在试验范围内“均匀分散”。忽略“整齐可比”。均匀设计要求安排的试验次数为因素所取水平数，因此可以适当增加因素所取的水平数，而不必担心由此导致的像正交设计那样试验次数呈平方增加。正交设计与均匀设计试验次数比较列于表1。
表1 两种设计方法试验次数比较 试验方法
, 百拇医药
试验次数N
正交试验
rq2
均匀设计
rq
r:试验重复次数；N：试验次数；q：水平数
2 均匀设计的一般步骤
明确试验目的和确定试验指标。每次试验都有其目的。因此，首先要确定通过试验解决什么问题，如需解决的问题比较多，则应分清主次，解决最关键的问题。试验目的明确后，进而考虑试验指标，如试验目的是提高原料药的得率，则指标可为得率(%)。
确定试验的因素和水平。确定了试验目的和指标后，则应考虑哪些因素对指标有影响。在确定了试验因素后，还须确立这些因素的相应水平。各因素的水平可相等，也可不等。一般说来，重要的因素多取几个水平。
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选用“均匀设计表”和“均匀设计应用表”，做好表头设计。该表的选用和表头设计将在下面应用举例中具体说明。
确立各次试验的条件和顺序，进行试验，取得数据。
分析数据，得出结论。
3 应用举例
下面以MTX、HSA微球制备工艺优化为例说明均匀设计方法的使用[2]。
根据专业需要，初步认定影响微球粒径的因素，进行预试验，由预试验的结果确定出主要因素有：白蛋白水溶液百分浓度A(%)，乳化搅拌速度B(rpm)，乳化时间C(min)，乳化剂用量D(ml)。由于考察的范围较少，所以各因素均取三个水平，见表2，又因水平数最好是因素数的两倍以上，故将三水平拟合成九个水平，选择均匀表U9(96)，拟合后列入表3，根据U9(96)的使用表规定，选择其中1、2、3、5四列组成表4，将对应的各因素各水平填入表内。试验方案就安排好了。按照表4安排的条件进行试验，将每个试验号结果列入表中粒径栏内。将表4中的结果进行回归处理，得回归方程Y=9.5217+0.1613A-0.0218B-0.1100C+1.5667D……(1) R=0.9415,F=7.806,S=0.9956,N=9。查表得知F0.05
, http://www.100md.com
4.4=6.36，F>F0.05
4.4，所以F检验通过。由上述回归方程可知，A和D的系数为正值。在考察范围内，它们的值越小，Y值越小，一般它们宜取上限值，D选定为0.2ml，但考虑到微球制备量不宜太小，故A选定为25%。B和C的系数为负值，表明它们取值越大，Y值越小。所以优化条件时，B和C分别选定为450rpm和6min，将上述优化条件代入式(1)，得预报的优化值为：Y=3.39(um)区间估计为y=y±U2S，查表U2(0.05)=1.96，所以优化条件下的优化结果为3.39±1.95。按优化条件进行试验，其试验结果的微球径为3.37μm，在预测范围内，且较其他几个试验号的结果好。
表2 因素水平表
水平
因素
1
, 百拇医药
2
3
A(%)
20
30
40
B(rpm)
250
350
450
C(min)
2
4
, http://www.100md.com 6
D(ml)
0.2
0.4
0.6
表3 四因素拟水平表
水平
因素
1
2
3
4
5
6
, http://www.100md.com
7
8
9
A(%)
20
20
20
30
30
30
40
40
40
B(rpm)
, http://www.100md.com
250
250
250
350
350
350
450
450
450
C(min)
2
2
2
, 百拇医药 4
4
4
6
6
6
D(ml)
0.2
0.2
0.2
0.4
0.4
0.4
0.6
, http://www.100md.com
0.6
0.6
表4 试验方案及结果表
因素
试验号
A(%)
B(rpm)
C(min)
D(ml)
粒径(μm)
1
1(20)
2(250)
, http://www.100md.com
4(4)
7(0.6)
8.58
2
2(20)
4(350)
8(6)
5(0.4)
4.43
3
3(20)
6(350)
3(2)
, http://www.100md.com
3(0.2)
5.66
4
4(30)
8(450)
7(6)
1(0.2)
3.38
5
5(30)
1(250)
2(2)
8(0.6)
, 百拇医药
8.76
6
6(30)
3(250)
6(4)
6(0.4)
9.55
7
7(40)
5(350)
1(2)
4(0.4)
8.15
, http://www.100md.com
8
8(40)
7(450)
5(4)
2(0.2)
6.76
9
9(40)
9(450)
9(6)
9(0.6)
6.89
4 均匀设计在药学中的应用
, 百拇医药
王洪光等[3]采用均匀设计法，选择扑热息痛作模型药物，采用微机程序处理，筛选出最佳处方和制备工艺。邓英杰等[4]用均匀设计方法筛选了黄芪多糖脂质体的处方。高晓黎等[5]采用均匀设计，以乳剂的稳定性参数为考察指标，考察了初乳乳化剂，复乳乳剂的优化处方和工艺。张晓菁等[6]采用均匀设计方法，考察了齐墩果酸磷酸酯的合成工艺，收率由原工艺70.0%提高至85.0%。温文清等[7]在清热宁的工艺研究中，运用均匀设计对其第1次水提和第2次水提分别独立选择因素水平，找到了最佳提取工艺。山岚等[8]利用均匀设计，对硫软膏含量测定条件进行实验筛选，得出了适合硫软膏含量测定的条件。蔡鹰等[9]采用计算机辅助均匀设计优化策略，对正品大黄的提取工艺进行了筛选。王建新等[10]采用均匀设计法，以粘着强度为指标，筛选中药巴布剂基质。以所得回归方程对基质组成比例进行优化，确定了基质的最佳配比。张志荣等[11]以氰基丙烯酸正丁酯为载体，用乳化聚合法制备了万乃洛韦聚氰基丙烯酸正丁酯毫微粒，通过均匀设计法精选，确定了较佳处方和制备工艺。
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5 运用均匀设计的注意事项
均匀设计方法简便，使用得当，往往得到较好的结果，但如果使用不当，也会导致错误的结论。因此，在运用该法时，要注意以下几点：①正确选择相关因素。着重考虑对结果影响较大的因素；对影响不大的因素，不必考虑，以免引进误差；对影响大小已经确定的因素，可固定在适当的水平上。②正确选择水平数。水平数尽可能为奇数，同时还应考虑水平数与因素数的适当比例关系。水平数一般大于因素数的两倍。在选择水平数时应结合专业知识，确定适当的水平数，使最佳条件值落在设计范围内。在确定水平数时，一般应以中间水平最佳较合理，如果出现最高或最低水平为最佳，必须分析边缘效应的缘由。③合理选用试验指标。试验指标最好用定量指标，在遇到不能用数量表示，只能采用定性指标时，对定性指标通常通过打分或评定等级予以数量化，便于统计分析，遇到多指标时，应着重考虑起主要作用的指标。
实践证明，均匀设计不愧为试验设计的最佳方法之一，根据均匀设计表及使用安排实验，可大大减少试验次数，再辅以计算机对实验结果进行线性回归计算处理，经F统计检验确定回归是否显著(成立)，如果回归方程显著，可根据方程了解指标与各因素之间的关系，进行工艺选择与优化，使之选出更好的工艺条件，达到提高效率、节约时间和经费的目的。
, http://www.100md.com
作者简介：张 蓉，女，26岁，药师
参考文献
1 方开泰.均匀设计——数论方法在实验设计的应用.应用数学学报，1980 ，3(4)：363
2 周红卫.均匀设计在科研中应用.数理医学杂志，1997，10(3)：251
3 王洪光，张汝华.以扑热息痛为模型药物对片剂生产量化控制的研究.中国医药工业杂志，1996，27(2)：61
4 邓英杰，刘素琴，顾学裘，等.黄芪多糖脂质体的制备和稳定性研究.沈阳药科大学学报，1996，13(1)：1
5 高晓黎，孙殿甲.W/O/W型甘草酸单铵盐口服复乳的处方设计及其理化特性研究.中国医药工业杂志，1996，27(1)：8
, 百拇医药
6 张晓菁，刘明生，陈树人，等.均匀设计在齐墩果酸磷酸酯单钠合成中的应用.沈阳药科大学学报，1996，13(4)：282
7 温文清，陈 斌.应用均匀设计选择清热宁的提取工艺.中药材，1996，19(9)：47 4
8 山 岚，唐 尧，刘雪梅，等.均匀设计在硫软膏含量测定条件选择中的应用.华西药学杂志，1996，11(4)：251
9 蔡 鹰，范国荣，梁秉文，等.中药大黄提取工艺的优化研究.军队医药杂志，199 6，6(6)：46
10 王建新，李令媛，李 望.均匀设计法筛选中药巴布剂基质的研究.华西药学杂志 ，1998，13(2)：91
11 张志荣，何 勤.万乃洛韦聚氰基丙烯酸正丁酯毫微粒制备工艺的优选. 华西药学杂志，1998，13(1)：14
(收稿：1999-05-04；修回：1999-07-25), 百拇医药