固體製劑生產過程中的藥物晶型轉變
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固體製劑生產過程中的藥物晶型轉變
Drug polymorphic transformation during manufacturingprocess of solid dosage forms
作者
高晶，滕再進，束儉輝，蔣曙光
中國藥科大學
南京聖和葯業股份有限公司
摘要
固體口服製劑的質量和療效取決於活性藥物成分的選擇、處方設計以及藥物製劑生產過程。
然而，藥物製劑生產過程中的加工誘生相變難以預測和控制。因此，在藥物的研發過程中全面了解藥物多晶型有助於新葯開發、仿製葯療效一致評價及藥品質量控制。
本文簡要總結了藥物多晶型的定義，討論了藥物多晶型對製劑產品安全性和有效性的影響，著重強調了固體口服製劑工藝的各操作單元可能誘導藥物晶型轉變的因素，探討了在固體製劑生產過程中如何運用美國FDA 提倡的過程分析技術監控晶型變化，並在各部分舉例加以佐證。
正文
藥物多晶型( drug polymorph) 是指藥物晶體存在2 種及以上的空間排列方式。許多藥物存在多晶型現象，不同晶型可能具有不同的晶癖、熔點、密度、穩定性、溶解度、溶出速率等理化性質，以及不同的松密度、流動性、可壓性等粉體學性質。
因此，藥物的晶型可能會影響製劑的生產過程與製劑的體內外藥物效果。製劑的各製備操作單元可能存在加工誘生相變( processing-induced transformations，PITs) ，因此在製劑過程中需要運用適宜的分析方法監控晶型變化，尤其是運用過程分析技術( process analyticaltechnology，PAT) 進行實時監控以確保產品質量。
本文從藥物多晶型的概念、藥物多晶型與製劑產品安全性和有效性的關係、製備過程中藥物晶型與製備工藝的相互影響、生產過程中的晶型監控等方面，對藥物多晶型的研究現狀進行簡述，旨在為新葯、仿製葯的製劑研發以及藥品質量控制提供參考。
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藥物多晶型對製劑質量的影響
多晶型的定義由McCrone 在1965 年提出，是指具有2 種以上分子排列方式的固體結晶相。在晶體研究領域中，多晶型是指由相同分子組成但晶胞( unit cell) 不同的晶體物質。
FDA 對於多晶型具有更加廣泛的定義，其著重關注相同的物質具有不同的固體晶型，因此無定型和溶劑化物也被視為多晶型。晶體狀態、無定型狀態以及溶劑化物的結構示意圖如圖1 所示。
無定型分子排列無規則，沒有可識別的晶格。溶劑化物( solvatomorph) 的晶格中含有當量或非當量的溶劑。如果該溶劑為水，則溶劑化物通常被稱為水合物。
水分子對藥物安全性無影響，且因其體積小而在晶體合成過程中易滲透進入晶格中，因此藥物水合物比較多見。
不同的藥物晶型具有不同的晶格能，因而可影響晶體的表觀溶解度和溶出度。一般而言，無水物的溶解度高於水合物，無定型的溶解度高於穩態晶型。當不同晶型的溶解度差異明顯時，體內生物利用度不同。
例如，阿戈美拉汀的固有溶解度排序為晶型Ⅲ ＞ 晶型Ⅰ ＞ 晶型Ⅱ。口服後，晶型Ⅰ、晶型Ⅱ、晶型Ⅲ的葯動學曲線AUC0-12h結果分別為( 296. 25 ± 49. 39) ，( 186. 05 ± 45. 93) 和( 331. 16 ±54. 74) ng·h·mL-1，與固有溶解度大小順序一致。
溶解度低、滲透性好的BCS Ⅱ類藥物，溶出是其吸收的限速步驟，且具有體內外相關性。例如，Liu 等研究發現，對於尼莫地平的不同晶型L 和H，30 min 時，L 的體外溶出度是H 的4.51 倍; 在溶出終點時，L 的溶出度是H 的2.37 倍。
相應地，2 種晶型在2 個月大的大鼠體內的葯-時曲線下面積( area under the curve，AUC) 分別為( 343. 68 ±47. 15) 和( 140. 91 ± 19. 47) ng·h·mL-1，溶出的差異影響生物利用度，可通過體外溶出度預估體內生物利用度。
不同的藥物晶型具有不同的晶格熱力學穩定性和功能基團微環境，因而會影響晶體穩定性，進而影響藥品穩定性和療效。
雅培有限公司的HIV 蛋白抑製劑利托那韋是一個典型的例子。其在研發和生產階段的初始階段只發現單斜晶系Ⅰ，將利托那韋溶於一定比例的乙醇溶液後填充膠囊，但是在上市2 年後發現該膠囊溶出度不合格。
經研究後發現，原因是在過飽和的溶液中藥物降解，降解產物導致異相成核，進而促使形成更加穩定的Ⅱ型晶系。新生成的Ⅱ型晶系溶解度僅有Ⅰ型晶系的50%，利托那韋療效受到嚴重影響，因此撤市。
後來，雅培公司對藥物晶型和處方進行再研究，確保製劑產品中Ⅰ型晶系的穩定性後，利托那韋重新上市。
此外，不同的藥物晶型具有不同的機械性能和晶體形態學，導致松密度、流動性、可壓性等粉體學性質不同，進而影響製劑工藝。
例如撲熱息痛的2 種晶型，單斜晶體Ⅰ和斜方晶體Ⅱ。單斜晶體分子排列是堅硬而稠密的，而斜方晶體具有分裂層，故斜方晶體Ⅱ的可壓性優於Ⅰ。
斜方晶體Ⅱ可作為直壓處方的原料，製劑工藝更加簡單。布洛芬具有片狀和針狀晶體，片狀晶體具有更好的流動性、較低的彈性恢復和黏性。選擇片狀晶體進行壓片，片面更加光滑，不易黏沖。因此，在選擇製劑工藝時要考慮到晶型固有性質是否與所選工藝相適應。
綜上所述，不同的藥物晶型具備不同的溶解度溶出度、穩定性等理化性質，因而可影響製劑的生產過程、藥物穩定性及生物利用度，進而影響藥品的安全性和有效性。
為了確保藥品質量，有必要對不同的藥物晶型進行研究。若不同晶型的性質差異對藥品質量有影響，則需要對不同的藥物晶型進行選擇，並建立產品的質量標準，如圖2 所示。
在選擇藥物的晶型時，一般優先選擇熱力學穩定的晶型。對於無定型和亞穩型晶體，雖然可以提高溶出度，但是隨著時間的推移有可能會轉變為更穩定的晶型，所以須保證藥品在後續製劑製備、貯存時晶型不發生改變。
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固體製劑工藝對藥物晶型的影響
藥物的晶型確定後，確保製劑產品中藥物晶型保持不變十分重要。但是，晶型易受到溫度、壓力、相對濕度的影響，因此在製劑工藝的粉碎、制粒、乾燥、壓片、包衣等操作過程及貯存過程中易發生轉變，進而影響藥品溶出度及生物利用度。這裡主要討論固體製劑過程中各操作單元對藥物晶型的影響。
2.1 粉粹
固體製劑工藝的第一步通常是粉碎，用以減小藥物粒徑、增加比表面積。研磨是粉碎中常用的手段之一，高能量的過程及過程中產生的高溫易誘導晶型轉變。通常藥物在較低的溫度下研磨趨向於生成非晶型，而在高溫下研磨易生成亞穩型或是穩定型。
Macfhionnghaile 等以磺胺甲基嘧啶為模型藥物，研究在常溫和低溫條件研磨時晶型的變化，採用X 射線粉末衍射( XPRD) 和近紅外光譜( NIR) 進行晶型變化的實時監控。
低溫研磨時，磺胺甲基嘧啶的Ⅰ型晶型在研磨15 min 時，XPRD的峰強度開始減小，30 min 時全部變為無定型，而較為穩定的Ⅱ型晶型在研磨120 min 後完全變為無定型。
常溫研磨時，Ⅰ型晶型在開始45 min 內XPRD的峰強度減弱、峰變寬，45 min 後峰再次銳化表現為Ⅱ型晶型的特徵峰，而穩定的Ⅱ型晶型在常溫研磨時晶型未發生變化。
磺胺甲基嘧啶的2 種晶型在低溫研磨時均變為無定型，而在常溫研磨時Ⅰ型晶型最終轉變為穩定的Ⅱ型晶型，所以通過選擇研磨方式可在一定程度上控制晶型的變化。
研磨過程中加入溶劑或輔料共研磨是製劑工藝中常用的方法。在研磨過程中溶劑作為潤滑劑會影響分子排列，輔料的加入也可能會誘導晶型轉變。
Hu 等以磺胺噻唑的藥用晶型( commercial form，FC) 作為模型藥物，選取常用的11 種溶劑和藥用輔料分別與其共研磨。
FC 與非極性溶劑共研磨30 min 時，得到Ⅰ型晶型和Ⅳ型晶型的混合物。Ⅰ型晶型的比例隨著溶劑的增加而減少。FC 與極性溶劑共研磨時得到純晶型Ⅳ。FC 與玉米澱粉、一水乳糖、甘露醇共研磨時形成亞穩態的晶型Ⅰ與無定型的混合物，與聚乙烯吡咯烷酮( polyvinylpyrrolidone，PVP) 或纖維素共研磨時轉變為無定型。
其中，與纖維素共研磨得到的無定型能在室溫10%RH 的條件下保持9 個月穩定。因此，採用共研磨的方法處理藥物時，要考慮高能量的機械力及共研磨物對晶型的影響。
2.2 制粒過程
制粒是把物料加工後製成具有一定形狀與大小的顆粒狀物，以達到改善粉體流動性與可壓性的過程。
制粒是壓片、膠囊填充等的共同單元操作，主要分為濕法制粒和干法制粒。其中，濕法制粒中的高剪切力、溫度變化以及引入的溶劑均會促使藥物的晶型發生轉變。
Guo 等以尼莫地平及吲哚美辛作為模型藥物，研究濕法制粒過程中剪切速率及溫度對晶型轉變的影響。
研究表明，尼莫地平隨著葉輪速度的增加，其晶型Ⅰ轉變為晶型Ⅱ，不同溫度條件下變化趨勢差異不大。
吲哚美辛隨著葉輪速度的增加，晶型轉變速率相應提高，在葉輪速度300r·min-1、溫度25 ℃時幾乎不發生晶型轉變，但隨著溫度的升高晶型發生轉變且轉變速率增大。
這是因為在高剪切的濕法制粒過程中，增加葉輪速率導致更多的液體擠壓至顆粒表面，從而促進藥物、輔料及液體之間的碰撞，加速晶型轉變過程。由此可知，在濕法制粒過程中可通過制粒參數的調節，在一定程度上控制晶型的轉變。
除此之外，濕法制粒過程中引入的溶劑易與藥物形成溶劑化物，改變藥物晶型。茶鹼是一個典型的例子，Sakamoto 等研究茶鹼在濕法制粒及隨後乾燥過程中晶型的轉變，並運用太赫茲光譜( terahertzspectrum) 進行監控。
在濕法制粒過程中，茶鹼無水物的0.95 THz 和1.60 THz 2 個特徵峰消失，僅在1.64 THz 觀察到一水合物的特徵峰，說明茶鹼無水物變為一水合物。但根據太赫茲光譜監控結果顯示，在隨後50 ℃和70 ℃的恆溫乾燥過程中茶鹼一水合物分別在乾燥60 和15 min 後完全變回無水物。
該例子表明，在濕法制粒及隨後的乾燥過程中無水物和水合物易發生相互轉變。因此，我們需要在該過程中監控藥物晶型，避免晶型轉變而影響藥品療效。
干法制粒是另一種常用的制粒手段，該過程中不引入溶劑，有利於提高藥物的化學穩定性和物理穩定性。干法制粒對藥物晶型的影響也比濕法制粒小得多，但混合物料經過反向旋轉滾軸的高擠壓過程可能會影響藥物的晶型。
例如，Bozic 等研究了大環內酯類抗生素的干法制粒及壓片過程，發現XPRD 圖譜中峰展寬、晶體結構峰消失，DSC 圖譜中溶解熱降低等變化。表明在干法制粒過程中大環內酯類抗生素局部無定型化，在隨後的壓片過程中無定型化更加嚴重。因此，在制粒時，應考慮到不同制粒方法和參數對晶型的影響。
2.3 乾燥過程
乾燥是固體製劑工藝中的一個重要步驟，特別是濕法制粒後需要乾燥以除去引入的溶劑。藥物多晶型常在乾燥過程中發生晶型轉變，尤其是溶劑化物易在乾燥過程中失去結晶水或溶劑分子。
如前所述，茶鹼濕法制粒後變為一水合物，而在乾燥過程中失去結晶水再次變為無水物。此外，不同的乾燥方式具有不同的溫度、濕度、真空度等，也會對晶型變化有影響。
Davis 等在研究甘氨酸濕法制粒後乾燥速率對晶型變化的影響時發現，流化床80 ℃快速乾燥、60 ℃乾燥以及乾燥速率更低的盤式乾燥過程中，均會生成亞穩的α-甘氨酸，轉化率分別為9.2%，6.9%，0.9%。
這是由於快速乾燥導致甘氨酸局部過飽和，促進亞穩態α-甘氨酸成核聚集，而溶劑介導的亞穩態α-甘氨酸轉化為穩定γ-甘氨酸的速率小，所以乾燥速率在晶型轉變過程中佔主要作用，促使形成更多的α-甘氨酸。由此可知，通過乾燥方式和參數的選擇可在一定程度上控制晶型的轉變。
冷凍乾燥的原理是冰晶升華，首先將濕物料凍結至晶點溫度以下，然後在低溫低壓條件下使物料中的水升華，從而達到乾燥的目的。冷凍乾燥是在低溫條件下進行，因此不會破壞藥品的熱敏成分。但是冷凍乾燥中涉及到溫度的變化及結晶水的升華等複雜過程，可能會誘導晶型的轉變。
Kauppinen等運用拉曼光譜，實時在線分析甘露醇在冷凍乾燥過程中選用不同冷凍速率時晶型的轉變: 在選擇1 ℃·cm-1的常規冷卻速率時，無論有沒有-10 ℃條件下的退火操作均得到α，β，δ 晶型以及無定型的甘露醇混合品; 而選擇10 ℃·cm-1的快速冷凍時主要形成δ 晶型和無定型甘露醇。
所以，我們需要充分了解冷凍乾燥過程中各操作參數對藥物晶型的影響，從而選擇適宜的操作參數，在達到乾燥目的的同時保證藥物晶型不發生影響藥品質量的變化。
2.4 壓片過程
通常，多晶型藥物的亞穩定型與穩定型在壓力下會相互轉變，並且轉變比例隨著壓力的增大或壓片次數的增多而加大。
利福平的晶型Ⅱ在壓力超過2 000 psi 時轉化為晶型Ⅰ。法莫替丁的晶型B 在壓片過程中轉化為晶型A，且轉化率隨著壓力的增大而升高。
Mazel 等以咖啡因為模型藥物運用XPRD 和DSC 分析方法研究壓片過程中晶型的變化，在常規條件下咖啡因更加穩定的晶型Ⅱ壓片後晶型未發生改變，而晶型Ⅰ在壓片後逐漸轉變為晶型Ⅱ，並且隨著時間的推移轉化率增加，這是由於生成的晶型Ⅱ作為晶種進一步促進了轉變的發生。
一般來說，壓片過程中高能量的晶型會轉變為低能量或更加穩定的晶型。對於很少受到熱能和機械能影響的膠囊填充等工藝過程，一般不會發生晶型轉變。
2.5 包衣過程
一般情況下，固體製劑的薄膜包衣不會導致晶型轉變，但部分產品如微丸是在製劑過程中將藥物溶解後作為包衣層，故在包衣過程中易發生晶型轉變。
Lust 等將吡羅昔康溶於水後作為包衣層，以拉曼光譜、XPRD，DSC，SEM 等分析方法監控包衣時晶型的變化。
結果表明，吡羅昔康無水物和一水合物在包衣過程中穩定，而無定型態晶型在包衣開始10 min 後轉變為一水合物。這類包衣過程中因溶劑的引入和熱能的影響，易發生晶型轉變。
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固體製劑生產過程中的晶型監控
製劑生產過程中，運用適宜的分析技術對晶型變化進行監控有利於確保藥品質量。
大量的分析技術可用於監控晶型的變化: 觀察晶體形態學的顯微技術有光學顯微鏡技術( light microscope) 、電子顯微鏡技術( electron microscopy) 等; 觀察固體物質的理化性質隨溫度變化的熱分析技術有熱重分析法( thermo gravimetric analysis) 、差示掃描量熱法( differentialscanning calorimeter) 以及差熱分析法( differentialthermal analysis) 等; 鑒別物質晶型的光譜技術有紅外光譜( infra-red) 、拉曼光譜( ramanspectroscopy) 等; 檢測原子在不同化學環境下化學位移變化的固態核磁共振技術( solid nuclearmagnetic resonance); 對物質結構成分和晶型進行分析的X 射線衍射技術( X-ray diffraction) 有單晶X 射線衍射和粉末X 射線衍射。
本節著重關注在製劑生產過程中運用過程分析技術( process analyticaltechnology，PAT) 進行晶型的實時監控。PAT 技術的核心在於將檢測與生產融為一體。
傳統的製藥工業通常採用批處理的方法進行樣品分析。這種隨機收集樣品用以質量評價的離線方法不僅耗時且效率低下，不能完全掌握生產過程中的產品信息，並且相關信息是從一個生產階段後的樣品中獲取，不能實現過程式控制制。為了確保產品的高品質，FDA 提倡使用過程分析技術( PAT) 實行在線、實時分析。
在PAT 框架下，持續實時對藥物晶型進行監控不僅可以確保產品質量，更重要的是可以聯合化學統計學工具及相應的實驗設計，識別出對晶型變化有影響的關鍵條件及範圍，尋找到最優參數。最終設計出在此空間範圍內進行的實驗方案，從而通過源頭設計保證了產品質量。
近紅外光譜( near-infrared spectroscopy，NIR) 和拉曼光譜是重要的PAT 手段，其可以在不接觸和不破壞樣品的情況下快速獲取樣品信息。近紅外光譜和拉曼光譜均屬於振動光譜。
近紅外光譜根據不同晶型的內部空間排列不同，分子的振動-轉動能級變化不同，進行定性及定量分析。拉曼光譜是一種散射光譜分光技術，可通過檢測特徵頻率的分子振動和轉動信息來確定物質的化學結構。
Otsuka 等以茶鹼為模型藥物，NIR和化學統計學相結合，使用偏最小二乘回歸( partial least-squares regression，PLS) 模型，實時監控茶鹼在不同溫度下濕法制粒及乾燥過程中晶型的變化。
茶鹼無水物在27 ℃ 和40 ℃ 濕法制粒時轉變為一水合物，後在乾燥過程中變回無水物，而在50 ℃濕法制粒時未發生轉變。
NIR的使用可以準確快速地得到製劑過程中茶鹼晶型變化的相關信息。拉曼光譜是常用的另一種PAT 手段。
Potter等以吡拉西坦作為模型藥物，研究其在濕法制粒過程中因溶劑介導而發生的晶型轉變。研究結果表明，增大加水量會促進吡拉西坦晶型Ⅲ在溶劑介導下溶解，然後重結晶為一水合物，而後在乾燥過程中轉變為亞穩態的晶型Ⅱ。
分子水平的分析推測表明，一水合物的結構與晶型Ⅱ更為相似是吡拉西坦一水合物轉變為晶型Ⅱ而不是晶型Ⅲ的原因。拉曼光譜與紅外光譜相比對水不敏感，更適用於在濕法制粒過程中作為PAT 對晶型進行監控，是定性與定量的重要手段。
從美國FDA 正式公布PAT 工業指南以來，世界先進的製藥企業逐漸將PAT 運用於藥品生產中。然而，我國的醫藥生產長期以來採用傳統常規儀錶加手動控制的生產方式，對PAT 的認知不夠充分，並且PAT 的運用需要製藥企業具有相當的規模和經濟實力，所以在我國很少有製藥企業將PAT 運用於藥品生產中。
但是PAT 能幫助我們找出影響關鍵質量屬性的根本原因，從而制定出相應的控制策略，從源頭設計確保產品質量。因此，製藥行業必將會從現有傳統的生產模式逐步轉向自動化、高質量的PAT 生產模式。
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小結
藥物多晶型知識有助於藥物的合理選擇，以及在設計製劑工藝時預估、控制或防止晶型轉變以確保製劑產品的質量。
不同的藥物晶型具備不同的理化性質，而製劑生產過程中的粉碎、制粒、乾燥、壓片、包衣等操作過程可能誘導晶型轉變，因而可影響藥品的安全性和有效性。
所以，需要運用適宜的分析方法監控制劑過程中晶型的轉變，並確定關鍵工藝參數。目前，藥物晶型研究技術在國家「重大新葯創製」專項中已被列為化學藥物研製的關鍵技術之一，藥學工作者已逐步認識到藥物多晶型的重要性。
在今後的藥物研發中，會更加註重對藥物晶型進行系統全面的研究，以提高我國藥品質量。
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來源：中國新葯雜誌2018 年第27 卷第9 期
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