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中藥提取物粉末物理指紋譜研究及應(yīng)用
中藥提取物粉末物理指紋譜研究及應(yīng)用
[摘要] 中藥口服固體制劑原輔料的物理性質(zhì)與產(chǎn)品質(zhì)量密切相關(guān)。
該文借鑒中藥化學指紋圖譜的概念，提出構(gòu)建中藥提取物粉末物理指紋譜的方法，物理指紋譜由5個一級指標(堆積性、均一性、流動性、可壓性和穩(wěn)定性)和12個二級指標(松密度、振實密度、粒徑<50 μm百分比、相對均齊度指數(shù)、豪斯納比、休止角、粉末流動時間、顆粒間孔隙率、卡爾指數(shù)、內(nèi)聚力指數(shù)、干燥失重、吸濕性)構(gòu)成，并以雷達圖定量直觀展示。
以三七總皂苷(PNS)提取物為例，介紹了物理指紋譜在不同來源或不同批次提取物粉末質(zhì)量一致性評價中的應(yīng)用，通過對12個二級指標的集成，構(gòu)建參數(shù)指數(shù)、參數(shù)輪廓指數(shù)和良好可壓性指數(shù)，用于預(yù)測PNS提取物粉末及其與常用藥用輔料構(gòu)成的制劑處方的壓縮特性，為中藥粉末質(zhì)量評價和中藥固體制劑處方開發(fā)及工藝控制提供新的思路。
[關(guān)鍵詞] 中藥提取物; 物理指紋譜; 粉末表征; 質(zhì)量一致性; 質(zhì)量源于設(shè)計
中藥質(zhì)量評價及控制是制約中藥產(chǎn)品現(xiàn)代化和標準化的關(guān)鍵問題之一[1]。
現(xiàn)有中藥質(zhì)量評價方法可分為內(nèi)在質(zhì)量評價法和外在質(zhì)量評價法。
內(nèi)在質(zhì)量評價是采用生物學手段評價中藥臨床療效和毒副作用;外在質(zhì)量評價是采用物理化學手段評價中藥的組成含量等理化特性。
隨著對中藥效應(yīng)成分復(fù)雜性、模糊性和不確定性認識的深入，大量先進的分析方法應(yīng)用于中藥質(zhì)量控制，如多指標成分定性定量[2]、標準物質(zhì)替代技術(shù)[3]、多維多息指紋圖譜[4]、化學生物學技術(shù)聯(lián)用[5]、模式識別和計量學技術(shù)[6]等，為中藥整體全面質(zhì)量控制奠定了基礎(chǔ)。
在中藥生產(chǎn)和制劑成型過程中，藥物粉末作為口服固體制劑的原料輸入生產(chǎn)系統(tǒng)，其質(zhì)量會隨制藥工序傳遞至最終產(chǎn)品，進而影響制劑產(chǎn)品的療效。
Maderuelod等[7]研究表明羥丙基甲基纖維素(HPMC)的粒徑大小影響卡托普利骨架型緩釋片的體外釋放行為，HPMC粒徑越小越有利于凝膠骨架的形成，并可降低藥物釋放的速度。
阮克萍等[8]以中藥川參方壓片工藝為研究對象，發(fā)現(xiàn)片劑的抗張強度主要受粉體粒徑、粉體含水量和壓片壓力的影響，川參方片劑的最佳制備工藝為壓片力1 300 kg，粉體粒徑125 μm，粉體含水量45%。
根據(jù)粉末物理性質(zhì)的變化，可預(yù)先對處方組成或工藝參數(shù)進行定量調(diào)節(jié)和預(yù)測，以確保產(chǎn)品質(zhì)量均一穩(wěn)定。
本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，受原料、制備工藝的影響，同品種不同批次或不同來源的中藥提取物物粉末不僅化學性質(zhì)存在差異，而且物理性質(zhì)也存在波動。
為更好地理解并控制中藥提取物質(zhì)量，本文借鑒中藥化學指紋圖譜方法[910]和SuéNegre等提出的SeDeM專家系統(tǒng)[1113]，通過對反映中藥粉體流動性、潤滑性、可壓性等關(guān)鍵物理質(zhì)量屬性指標的測試，建立中藥提取物粉末的物理指紋譜，用以評價中藥提取物粉末質(zhì)量一致性，預(yù)測中藥提取物粉末和固體制劑用輔料之間的壓縮兼容性，為中藥粉末質(zhì)量控制和中藥固體制劑處方及工藝開發(fā)奠定基礎(chǔ)。
1 材料
振實密度儀(HY100，丹東市皓宇科技有限公司)，激光粒度分布儀(BT2001，丹東百特儀器有限公司)，粉末流動性測定儀(BEP2，英國Copley公司)，快速水分測定儀(MA35，德國Sartorius公司)。
三七總皂苷(PNS)提取物粉末(南京澤朗生物科技有限公司，批號ZL20150524，ZL20150518，ZL20150120;武漢遠成共創(chuàng)科技有限公司，批號98256;云南三圣藥業(yè)有限公司，批號20140502)。
2 原理與方法
21 粉末物理質(zhì)量屬性確定 根據(jù)中藥提取物粉末自身物理性質(zhì)以及藥用功能，將粉末物理質(zhì)量屬性分為5個方面，即堆積性、均一性、流動性、可壓性和穩(wěn)定性，作為中藥提取物粉末物理指紋譜的一級指標。
堆積性用松密度(Da)和振實密度(Dc)2個質(zhì)量指標表征，表示粉末堆積能力，此外還可用于其他物理質(zhì)量指標的計算。
均一性用粒徑小于50 μm的粉體粒子所占百分比(%Pf)和相對均齊度指數(shù)(Iθ)表征，它們表示粉末粒徑分布均勻程度，影響粉末的潤滑性及所制成制劑的劑量。
流動性以豪斯納比(IH)、休止角(α)和粉末流動時間(t″)表征。
可壓性以顆粒間孔隙率(Ie)、卡爾指數(shù)(IC)和內(nèi)聚力指數(shù)(Icd)3個指標表征。
穩(wěn)定性以干燥失重(%HR)和吸濕性(%H)表征，它們影響粉末的潤滑性能和所制成制劑的穩(wěn)定性。
由Da，Dc，%Pf，Iθ，IH，α，t″，Ie，IC，Icd，%HR和%H共12個可定量測量參數(shù)構(gòu)成中藥提取物粉末物理指紋譜的二級指標，相關(guān)計算方法見表1。
22 粉末物理質(zhì)量指標的測定方法 中藥粉末物理指紋譜二級質(zhì)量指標的測定首選法定標準(如藥典)收載方法，本文采用的測定方法如下。
松密度(Da)[15]：取潔凈、干燥的250 mL量筒，將100 g待測粉末緩慢地加入到量筒中，輕輕抹平粉末表面，讀取待測粉末的體積(Va)。
振實密度(Dc)[15]：將上述盛有待測粉末的量筒固定在振實密度儀上，經(jīng)1 250次振動后讀取待測粉末的體積(Vc)。
粒徑<50 μm百分比(%Pf)[15]：使用激光粒度分布儀，取適量待測粉末，置于激光粒度儀的干法進樣器中，以空氣為分散媒介，計算粒徑小于50 μm粉末所占的百分比。
相對均齊度指數(shù)(Iθ)[15]：使用激光粒度分布儀，取適量待測粉末，置于激光粒度儀的干法進樣器中，以空氣為分散媒介，測定粉末的粒徑分布，計算每個粒徑范圍內(nèi)待測粉末所占的百分比。
所選取的粒徑分別為0355，0212，0100，005 mm，計算公式如下。
23 物理質(zhì)量指標的標準化變換 由于二級物理質(zhì)量指標的數(shù)值和量綱不同，為方便展示，根據(jù)所選指標的性質(zhì)，并參考藥用輔料手冊[14]和藥典標準(如歐洲藥典80[15])，確定每個物理質(zhì)量指標的可能數(shù)值范圍，包括下限和上限，見表2。
然后，將所測物理指標值標準化至同一尺度，即0～10。
每個物理性質(zhì)的標準化轉(zhuǎn)換公式見表2。
24 中藥提取物粉末物理指紋譜的構(gòu)建 采用雷達圖的方式定量直觀展示中藥提取物粉末物理指紋譜。
當上述12個二級物理指標的標準化值均為10時，可用線段將各指標值連接起來形成正十二邊形，見圖1。
每個實際測定的物理指標的標準化轉(zhuǎn)換值所構(gòu)成的不規(guī)則十二邊形即構(gòu)成中藥提取物粉末物理指紋譜見圖1陰影面積。
3 應(yīng)用舉例
31 質(zhì)量一致性評價 中藥提取物粉末物理指紋譜可用于同類型粉末不同批次或不同來源原料間的質(zhì)量一致性評價，包括直觀評價法和相似度法。
直觀評價法是將中藥提取物粉末物理指紋圖譜疊加，以顯示粉末在各質(zhì)量指標上的相似或差異程度;相似度評價法是通過夾角余弦的計算，從整體角度比較不同中藥提取物粉末的相似性。
與中藥化學指紋圖譜類似，中藥提取物粉物理指紋譜是評價中藥粉末制備工藝可重復(fù)性和可控性的工具。
中藥提取物粉末物理質(zhì)量指標的變異程度須限制在一定范圍內(nèi)或符合所建立的質(zhì)量標準，以滿足制劑成型的需求，并減少原料變異引起的中藥固體制劑生產(chǎn)過程質(zhì)量波動。
以4個批次的三七總皂苷(PNS)提取物粉末(ZL20150524，ZL20150518，ZL20150120，98256)為例，繪制雷達圖，見圖2。
同一廠家的3個批次PNS提取物各項物理指標數(shù)值接近，批次間相似度均大于999%。
不同廠家的4個批次間相似度為950%，推測可能由于不同廠家使用的三七原料、提取純化工藝或貯存條件的不同，導(dǎo)致提取物粉末在對堆積性、可壓性和穩(wěn)定性指標上存在明顯的差異。
32 粉末可壓性評價 基于中藥提取粉末物理指紋譜12個二級物理指標的半徑值，可分別構(gòu)建參數(shù)指數(shù)(index of parameter，IP)、參數(shù)輪廓指數(shù)(index of parametric profile，IPP)和良好可壓性指數(shù)(index of good compression index，IGC)，用于判斷粉末可壓性并推測其是否適合粉末直接壓片。
參數(shù)指數(shù)定義為半徑值≥5的物理指標的個數(shù)占物理指紋譜中物理指標總數(shù)的百分比，可接受范圍為IP≥5。
物理指紋譜中所包含的物理指標數(shù)越多，則由其構(gòu)成的多邊形面積越大，則可靠性因子f越大。
按照上述方法，測定PNS提取物粉末(20140502)的12個物理指標值，然后根據(jù)相應(yīng)公式進行轉(zhuǎn)換，并計算每個一級指標的平均半徑值，結(jié)果見表3，所有物理指標數(shù)值均為3次實驗測定的平均值。
基于各物理指標的半徑值，繪制PNS提取物粉末物理指紋譜見圖3。
由表3看出，均一性指標值遠遠小于5(均值=029)，表明其粒徑較小，細粉(粒徑<50 μm)含量較高，且粒徑分布不均，粒徑大的顆粒含量較低，粉末無法自由從漏斗留下，降低了流變學特性(流動性)。
這些不足可直觀地從物理指紋譜中反應(yīng)出來，大多數(shù)物理性質(zhì)陰影區(qū)域的面積較大(陰影區(qū)域的面積越大，表明該特性越適合直接壓縮過程)。
此外，還可得到該批次PNS提取物粉末的如下信息：它具有合適的堆積性能(Da和Dc);具有可接受的可壓縮性能(Ie，IC，Icd);具有較好的穩(wěn)定性(%HR，%H)。
為了判斷PNS提取物是否適合粉末直接壓片，根據(jù)表3中的半徑值計算可壓性評價指數(shù)。
若IP>05，IPP和IGC均≥5表明該提取物具有較好的可壓性，并可以用于直接壓縮(加入少量的潤滑劑);若IP>05，IPP和IGC在3～5，則提示該提取物需要加入輔料調(diào)和并彌補其不足，使其適合直接壓縮;若IP>05，IPP和IGC均<3，則表明該粉末無法直接壓縮，可加入適以輔料后采用濕法制�；蚋煞ㄖ屏：笤龠M行壓片。
本例中經(jīng)計算，該批次PNS提取物的參數(shù)輪廓指數(shù)為408，良好可壓縮指數(shù)為389，其數(shù)值均小于5，表明其可壓性較差，但可加入適宜的輔料以彌補其不足以使?jié)M足直壓的要求。
33 粉末可壓性校正 中藥提取物粉末物理指紋譜不僅用于原料批次間質(zhì)量一致性評價，而且提供了中藥提取物可壓縮性的物理信息。
當粉末可壓性較差，即IGC<5時，可加入適宜種類及比例的輔料，對中藥提取物粉末5個一級指標(堆積性、均一性、流動性、可壓性和穩(wěn)定性)進行校正，以使其滿足可壓性要求。
校正方法為同時計算滿足中藥提取物每個指標的最小半徑值所需輔料的最低量。
CP=100- RE-RRE-RP×100(9)
其中，CP表示校正用輔料所占百分比;RE表示校正用輔料物理指標的平均半徑值;R表示期望達到的物理指標半徑值(5是期望校正的最小值);RP表示待校正的中藥提取物粉末物理指標的平均半徑值。
如果某中藥提取物粉末的可壓縮性指數(shù)IGC<5，則可選擇將其與具有良好質(zhì)量屬性(一級指標平均值> 5)的輔料混合，根據(jù)公式(9)，設(shè)定期望達到R=5，帶入經(jīng)半徑值計算的輔料RE和中藥提取物粉末RP，通過計算可得到理論上需加入的校正輔料的量。
應(yīng)用該初始處方，結(jié)合考慮制成制劑的其他藥學和生物藥劑學特性(如崩解、溶出等)的要求，可進一步優(yōu)化并獲得最佳處方。
以PNS提取物粉末(20140502)為例，為使PNS提取物能夠采用粉末直接壓片的方法，需加入輔料提高其流動性。
本文模擬應(yīng)用5種直壓輔料(Exp1至Exp5，分別為益壽糖Isomalt 721、微晶纖維素Vivapur12、微晶纖維素Avicel200、麥芽糖Advantose 100和微晶纖維素Microcel MC250，數(shù)據(jù)來自文獻[16])對其可壓性進行校正，其相應(yīng)的二級指標半徑值、一級指標平均值見表4。
將PNS提取物粉末和5種輔料流動性指標的平均值帶入公式(9)，設(shè)定R=5，結(jié)果見表5。
可見，Exp4用量最少，是用于校正PNS提取物流動性的最適宜輔料，其在處方中的含3959%。
為了更好地理解該方法，將PNS提取物粉末及直壓輔料的物理指紋譜疊加起來。
最終處方中輔料如何校正了PNS提取物的不足見圖4。
圖中藍色實線為理論上校正輔料對最終混合物所能提供的特性，可見通過校正輔料的加入，PNS提取物不足的一級指標均得到改善，Exp4對其改善效果最好。
4 總結(jié)與展望
人用藥品注冊技術(shù)國際協(xié)調(diào)會(ICH)于2009年出臺ICH Q8 R2，提出了“質(zhì)量源于設(shè)計(quality by design，QbD)”的概念，強調(diào)對產(chǎn)品和工藝的理解，以及對過程的控制，從設(shè)計的層面保證藥品質(zhì)量。
本文基于粉末關(guān)鍵質(zhì)量屬性，提出建立中藥提取物粉末物理指紋譜，用以評價中藥提取物原料的質(zhì)量一致性，并幫助理解其物理質(zhì)量屬性對制劑成型性的影響，有助于QbD在中藥制劑研發(fā)和生產(chǎn)中的應(yīng)用。
本文所建立的物理指紋譜方法并不局限于中藥提取物粉末，也適用于輔料等粉末狀物質(zhì)以及顆粒狀物質(zhì)。
中藥提取物粉末物理指紋譜包含的指標越多，所表征的質(zhì)量信息越豐富，可靠性越高。
通過在物理指紋譜中增加其他物性指標，如真密度、孔隙率、靜電電荷、比表面積、吸附力、脆碎性及彈性等，可提高方法的可靠性。
但物理指紋中包含的指標數(shù)目越多，測試時間則延長，會降低分析的效率。
具體應(yīng)用時，需綜合考慮需求、實驗條件、操作的簡便性等因素進行選擇。
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