【晶云CMC系列线上课程回顾】第五期无定形药物和固体分散体- 大数跨境

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【晶云CMC系列线上课程回顾】第五期无定形药物和固体分散体

晶云药物

2020-05-28

导读：晶云CMC系列线上课程第五期 · 内容回顾

苏州晶云主办的CMC系列线上课程将于2020年4月17日-5月22日在药渡大学平台上线。课程邀请国内外药物研发领域知名专家进行分享和互动。点击图片查看课程详情。

第五期课程回顾

无定形药物和固体分散体

随着药物筛选技术的不断发展，基于新靶点的化合物结构越趋复杂，开发管线中难溶性候选药物分子所占的比重也越来越大，溶解性问题愈发成为制约一款药物能否顺利开发和最终成功上市的重要因素。在学术界和工业界持续的理论研究及实践探索中，涌现出了多种多样的药物增溶手段。其中无定形药物是近年来发展迅猛的一项新技术，在难溶性药物增溶领域展现出了广阔的应用前景。

5月15日，中国药科大学博士生导师、江苏特聘教授和省杰青基金获得者蔡挺老师以“无定形药物和固体分散体”为题，为广大学员带来了一堂深入浅出的课程。

蔡老师从无定形药物的基本理论和理化特点出发，探讨了无定形药物在性质上的优势及应用上的挑战，着重介绍了无定形固体分散体这一最常见的无定形药物形式的处方设计、制备工艺及影响稳定性和溶出性质的关键因素。

接下来，小编将回顾蔡老师课程中的精彩内容，与广大读者分享。

内容导览

难溶性药物与无定形制剂
无定形药物的分子运动与结晶因素
无定形固体分散体
固体分散体的物理稳定性
固体分散体的溶出行为

难溶性药物与无定形制剂

按照溶解度和渗透性的高低可以将药物划分为四个类别，即所谓的生物药剂学分类系统 (Biopharmaceutics Classification System，BCS)。其中，II类和IV类药物即是通常所说的“难溶性药物”。

根据统计，目前市场上销售额排名前200的药物中有约36%属于难溶性药物，而处于研发阶段的药物中难溶性药物的比例则高达90%。

难溶性药物的大量出现给制剂研究乃至整个药物研发带来了巨大的挑战。例如，对于难溶性药物，低溶解度和低溶出速率导致药物口服生物利用度降低；易受食物效应影响而造成吸收上产生明显差异；设计高剂量的毒性爬坡实验会比较困难；非口服给药途径的制剂设计存在困难。

BCS 分类系统

如何提高难溶性药物的溶解度，是许多药物开发过程中无法绕开的一个坎儿。从制剂学角度来看，对难溶性药物的增溶有三种主要途径：

改变处方工艺
降低药物粒径 (如采用微粉化、纳米晶体或使用崩解剂等措施)，使用微粒给药系统 (如常见的脂质体纳米粒和胶束等)

改变化学性质
将药物成盐、形成离子化前药或者制备成可溶性包合物 (如环糊精包合物)等

改变固体形态
将药物制备成亚稳态晶型、共晶、溶剂合物或者无定形等

在上述诸多措施中，无定形药物是近年来得到快速发展并显现出巨大潜力的一种增溶技术手段。

无定形态是与结晶态相对应的概念。结晶态中，分子在空间中排列呈长程有序的结构；无定形态中，分子在空间中排列成的结构具有长程无序但短程有序的特点。因此，处于无定形态的分子，既具有宏观状态的固体性质，又具有微观状态的液体性质。

与结晶态物质相比较，无定形态中的分子具有更高的动能和热力学自由能，而这也是两者在性质上存在显著差异的主要原因。

结晶态SiO2 (石英)与无定形态SiO2 (玻璃)

自然界中，一种比较常见的现象是同种物质分别以结晶态和无定形态存在。例如，我们几乎每天都能见到的玻璃，就是SiO2的无定形态，而我们通常所说的石英即是SiO2的结晶态，二者分子排列方式的不同导致其在性质和用途上存在明显差异。

对药物分子而言，无定形态也不鲜见。消炎镇痛药吲哚美辛 (Indomethacin)既能以结晶态存在 (如α/γ/δ等晶型)，也能以无定形态存在。利用XRD、DSC、偏光显微镜、拉曼光谱和固体核磁等表征手段能够有效地区分同种药物分子的结晶态和无定形态。

(Chen X, et al. J. Am. Chem. Soc. 2002)

吲哚美辛的结晶态与无定形态

由于无定形药物中分子的空间排列没有长程有序性，相比于结晶态而言具有更高的吉布斯自由能，因此在溶解度和溶出速率上往往会具有较大的优势。

我们可以通过无定形态与结晶态在自由能上的差异 (ΔGV)来估算其溶解度差异：

ΔGV = G2 – G1 = RTln(C2/C1)

其中，其中G2和G1分别为无定形态药物和结晶态药物的吉布斯自由能，C2和C1分别为无定态药物和结晶态药物的饱和溶解度。

吉布斯自由能的差异 (ΔGV)可以利用热力学参数进行估算：

ΔGV = (ΔHf•ΔT•T)/Tm^2

其中，ΔHf和Tm分别为结晶态药物的熔融焓和熔点，ΔT为过冷度 (Tm – T)。

无定形药物通常比结晶态药物具有更高的溶解度，例如上文中提到的吲哚美辛，其无定形态的溶解度是结晶态的5-17倍。

雅培公司的抗HIV药物利托那韦 (Ritonavir)是一种低溶解度和低渗透性的药物 (BCS IV类)，将其制成无定形态后，在相同条件下的溶出速率可达到结晶态的3倍。

利托那韦无定形态与结晶态的溶出速率比较

(Law D, et al. J.Pharm. Sci. 2004)

另一个典型案例是抗真菌药伊曲康唑 (Itraconazole)。伊曲康唑分子结构中疏水基团较多，水溶性和生物利用度很低。在pH 7条件下伊曲康唑在水中的溶解度只有约1 ng/mL，在0.1N HCl条件下也只有约4 μg/mL的溶解度。

最初产品上市时采用的是环糊精增溶措施，在20% w/v HPβCD (pH 7)条件下可达到约0.5 mg/mL的溶解度。但由于环糊精在口服液与注射剂具有一定副作用，上述剂型已从美国市场撤市。取而代之的是基于羟丙甲基纤维素的伊曲康唑无定形固体分散体，不仅可以达到良好的药物释放和口服生物利用度，还能够有效降低副作用。

无定形药物较高的吉布斯自由能带来了溶解度优势，但同时也带来了物理稳定性问题。由于自由能差值所产生的热力学驱动力，无定形药物存在着自发结晶的趋势。一旦发生结晶，便会失去增溶优势。

药物不同状态下的焓(体积)随温度的变化规律

传统观点认为，处于玻璃态下的药物具有高粘度和低扩散系数的特点，分子运动能力差，从而能够在动力学上抑制药物结晶。但近年来的研究表明，即使在玻璃态下药物仍能够发生结晶，使得热力学稳定性问题成为了无定形药物产业化道路上最大的阻碍之一。

比如，无定形硝苯地平 (Nifedipine)在40 ºC条件下5天内就能观察到明显的结晶；另一个典型案例是用于治疗帕金森症的罗替戈汀 (Rotigotine)透皮贴剂 (NeuproTM)。贴剂中的罗替戈汀以无定形态存在，但在储存过程中贴剂表面出现雪花状结晶，严重影响药物递送效率和药效发挥。该产品2008年被迫从美国市场撤回，直到2012年才重新获批上市。

无定形罗替戈汀透皮贴剂的结晶现象

(Rietveld I B and Ceolin R. J. Pharm. Sci. 2015)

无定形药物的分子运动与结晶因素

由于物理稳定性是无定形药物在应用上的主要障碍，因此有必要弄清楚无定形药物的结晶受哪些因素影响。从热力学角度来看，由于无定形药物相比于结晶态药物具有更高的自由能，因此存在着自发结晶的趋势，二者的自由能之差 (ΔG)即可认为是结晶的热力学驱动力。

无定形药物结晶过程中的自由能变化

热力学决定了无定形药物的结晶趋势 (ΔG，热力学驱动力)，而具体的结晶行为 (自由能变化的实际路径)则更多地受到动力学因素的控制。影响无定形药物结晶行为的因素通常包括：药物自身结晶趋势，温度，晶型，表界面因素，加工工艺，成核速率，水分，辅料和添加剂。

1.药物自身结晶趋势

受分子量、构象熵、刚性和对称性等因素的影响，不同的药物分子其自身结晶趋势可能会存在显著差异。利用循环DSC测试，可以将药物按自身结晶趋势的强弱分为三类：

结晶趋势强 (Class I，高风险)，熔体降温过程中即发生结晶；

结晶趋势中等 (Class II)，熔体降温过程中不发生结晶，二次升温中发生冷结晶；

结晶趋势弱 (Class III，低风险)，熔体降温及二次升温过程中均不发生结晶。

药物自身结晶趋势的分类

(Baird J A, et al. J.Pharm. Sci. 2010)

2.温度

温度是影响无定形药物结晶行为的一个重要因素。一般来说，随着温度的升高，药物分子运动能力增强，结晶能力会随之提高。具体而言，在不同的温度区间内药物的结晶机理有所不同，因此具体的结晶行为也会有差异。

以灰黄霉素 (Griseofulvin)为例，在玻璃化转变温度以下是玻璃态晶体生长机制，在中间温度范围内晶体生长受分子扩散控制，在高温下晶体生长则主要受热力学控制。

不同温度下无定形灰黄霉素的结晶速率

(Shi Q, et al. Cryst.Growth Des. 2016)

3.晶型

相同条件下同种药物的不同晶型可能表现出不同的结晶动力学特征，从而对无定形药物的结晶行为产生显著影响。

以灰黄霉素为例，其三种已知晶型 (Form I/II/III)在无定形态下生长的结晶动力学存在显著差异，其中Form I和Form II的结晶速率在某些温度下可相差100倍之多。

灰黄霉素三种晶型的生长动力学

(Su Y, et al. Chem.Commun. 2018)

4.表界面因素

表界面因素对无定形药物结晶的影响主要体现在，位于体相和表面的药物分子在运动能力上存在显著差异，从而导致截然不同的结晶行为。

一般而言，位于无定形药物表面的分子在运动时所受到的限制相较于体相分子要小得多，因此其结晶能力更强，从而在无定形药物的表面出现快速结晶行为。

一旦发生表面结晶，一方面晶体可能继续向体相中生长最终使整个样品发生结晶，另一方面在无定形药物表面的晶体会阻碍药物释放，削弱无定形药物的增溶效果。

仍以灰黄霉素为例，当其处于玻璃态时，分子在表面的扩散速率要比在体相中的扩散速率快好几个数量级，使得分子在表面发生快速扩散并导致晶体的快速生长。除了玻璃态样品的外表面，其内部的裂纹也会产生新的固-气相界面，促进药物结晶。此外，在过冷液体中若存在气泡，由此产生的液-气相界面也会导致晶体快速生长。

表界面对无定形灰黄霉素结晶的影响

（左：玻璃态；右：过冷液体）

(Shi Q, et al. Cryst.Growth Des. 2016)

因此，表界面的存在会显著加快无定形药物的成核和结晶速率，从而降低无定形药物的物理稳定性。无论是在过冷液体中的液-气相界面，或是玻璃态中的固-气相界面，在无定形药物开发过程中都应予以关注。

5.加工工艺

无定形药物的加工工艺对其物理稳定性和结晶行为有不可忽视的影响。根据不同的原理，无定形药物的常见制备途径有：

破坏晶格 (研磨、机械力作用)、溶液析出 (喷雾干燥、反沉淀)、熔融冷却 (热熔挤出)和升华凝华 (气相沉积)等。

不同的制备途径可能会影响到无定形药物的微观结构，进而影响其稳定性。例如，用冷冻研磨法制备的无定形辛伐他汀 (Simvastatin)在1天内就会迅速结晶，而通过熔融冷却方法制备的无定形则能在42天内保持稳定。

除加工工艺的影响外，制剂工艺过程中导致的无定形药物结晶也是不可忽视的。

具体来说，粉碎过程中的机械力和热量等因素以及增加的表面积可能导致结晶加速；混合过程中辅料的影响 (包括辅料中含有的水分等以及与环境中水分接触等因素)可能导致结晶加速；湿法制粒中的水分和干法制粒中的压力因素可能导致结晶加速；压片过程中机械力和热量可能诱导结晶；包衣过程中的溶剂、温度和包衣材料等因素也会影响药物结晶。

6.成核速率

无定形药物的结晶包括成核和晶体生长两个阶段。成核速率是其中需要考量的一个重要因素。

经典成核理论认为药物分子会通过运动和碰撞相互结合形成团簇，当团簇超过一定的临界尺寸时会形成晶核，最终生长形成晶体，而未达到临界尺寸的核会溶解，所以成核是一个动态过程。

成核速率受温度、晶型、表界面 (异相成核)、水分和添加剂等因素的影响。

7.水分

由于在药物的生产和储存过程中水分几乎无处不在，其对无定形药物结晶行为的影响也需要认真考量。

通常认为无定形药物相比于结晶态药物具有更多的自由体积，因此具有更强的吸湿性。

无定形和结晶态吲哚美辛的吸湿能力

(Andronis V, et al. J. Pharm. Sci. 1997)

水分对无定形药物结晶的影响主要是通过塑化作用。水分可以看做是一种极强的塑化剂，它能够加快分子运动，加快分子初级、次级弛豫以及扩散等，从而加速无定形药物的体相和表面结晶。

水分对分子运动性的影响可以通过测定分子弛豫时间来进行定量研究。

经验结论是，1%的吸水就可能使分子运动性加快两个数量级。因此严格控制无定形药物的含水量是保持其物理稳定的一种重要手段。

8.辅料和添加剂

前面已经提到，影响无定形药物结晶行为的因素有很多，它们有各自不同的作用机理。

其中，通过加入辅料和添加剂来抑制药物结晶以获得稳定的无定形药物制剂，是目前研究和应用的一个主流方向，即通常所说的无定形固体分散体 (Amorphous Solid Dispersion，ASD)。

无定形固体分散体

无定形药物固体分散体一般是指将药物以无定形态的分子均匀分散在载体中形成的一种以固体形式存在的分散系统。固体分散体的研究始于上世纪五六十年代，前后已经发展出了五代产品，各代固体分散体的性质特点总结如下。

各代固体分散体的特点

上世纪八十年代FDA批准了第一个商业化的无定形固体分散体产品，到目前为止已有几十种固体分散体药物进入市场。

FDA批准的固体分散体药物

(张杰，蔡挺.药学进展，2018)

固体分散体的处方和制备

药物固体分散体通常包含两种主要成分——API和载体/添加剂。当药物确定时，载体/添加剂的种类对固体分散体的理化性质有至关重要的影响。

固体分散体的常用载体是水溶性高分子，最常用的有以下四种：

聚乙烯吡咯烷酮 (如PVP K30)
无定形聚合物，易与药物发生氢键相互作用，粘度较大，抑制药物结晶能力较强

乙烯吡咯烷酮-醋酸乙烯酯共聚物 (如PVP VA64)水溶性高分子，吸湿性较低，可用于替代PVP

聚乙烯己内酰胺-聚醋酸乙烯酯-聚乙二醇接枝共聚物 (商品名SOLUPLUS)
特点是玻璃化转变温度低，毒性小，热稳定性好，是一种新型固体增溶剂，可作为非离子型表面活性剂
醋酸羟丙甲纤维素琥珀酸酯 (HPMCAS)
具有两亲性和pH依赖性，具备较好的抑制药物结晶的能力。

常用高分子载体的基本性质总结如下。

固体分散体常用高分子载体的基本性质

除高分子载体外，药物固体分散体中常常还会加入一些添加剂，如表面活性剂和塑化剂等。

表面活性剂和塑化剂的使用可以改善药物的释放行为或者提升固体分散体的加工性能。常用的表面活性剂和塑化剂有十二烷基硫酸钠 (SLS)、泊洛沙姆 (Poloxamer)、聚氧乙烯氢化蓖麻油 (Cremophor® RH 40/60)、维生素E聚乙二醇琥珀酸酯 (TPGS)、聚乙二醇 (PEG)和柠檬酸三乙酯 (TEC)等。

固体分散体有多种多样的制备方法。在实验室中以较小规模制备固体分散体时，常用溶液法和加热法，前者包括快速沉淀、旋转蒸发、冷冻干燥和喷雾干燥等，后者主要是热熔融冷却。此外，在实验室中还可以采用研磨和超临界流体等方法。

以工业规模生产固体分散体时，主要的手段包括喷雾干燥、热熔挤出、反溶剂沉淀和冷冻干燥等，其中又以喷雾干燥和热熔挤出最为常见。

喷雾干燥

喷雾干燥的基本原理是，将药物和辅料/添加剂溶解于合适的共溶剂之中后，经溶液雾化和极快速溶剂挥发得到粉末状或颗粒状的固体分散体产物。

喷雾干燥的两个关键点：

一是需要选择合适的溶剂来溶解药物和高分子载体，保证溶液中的药物和高分子有足够的浓度；

二是要考虑溶剂毒性和溶剂残留的问题，最好选用ICH规定的第三类溶剂。

实际生产时的关键工艺参数有喷嘴尺寸、喷雾速率、入口温度、出口干燥温度和雾化空气流量等。

典型的喷雾干燥流程

热熔挤出

热熔挤出主要是利用高温和机械力对药物和高分子载体进行熔融和混合，然后经均相挤出、冷却和造粒等步骤得到固体分散体产物。

与喷雾干燥相比，热熔挤出没有溶剂残留的问题，但要考虑药物和载体的热稳定性。

热熔挤出比较适合于连续生产，实际生产中的关键工艺参数包括加料速度、挤出温度、挤出速度和螺杆直径等，同时在运行时需要重点监控的参数有扭矩和熔体压力等。

典型的热熔挤出流程

热熔挤出的工艺设计中，需要重点关注两个要素——挤出温度和物料粘度。

热熔挤出需要经历高温过程，需保证药物和高分子材料在挤出过程中无热降解，同时还要兼顾药物的熔点和高分子材料的玻璃化转变温度，以保证二者能够充分均匀地混合。

同时，热熔挤出需要保证挤出物的粘度在合适的范围，以确保挤出产品具有良好的成型性，同时挤出过程中扭矩不过载。

不同种类的高分子载体均有其对应的挤出温度范围，通过加入合适的塑化剂能够扩展高分子材料的挤出温度范围。

在设计热熔挤出参数时，流变学测试是一种有效的辅助手段。通过流变学测试可以获得固体分散体粘度随着温度的变化情况，确定合适的挤出扭矩和挤出温度范围。另外，通过考察流变学参数特别是损耗因子随着温度的变化，还能够确定结晶态药物向无定形态转变的温度。

设计和确定固体分散体的制备工艺是一个多因素共同作用的复杂过程，下面这张决策流程图可用于帮助选择固体分散体的工业化制备方法。

固体分散体工业化制备方法的决策图

与结晶态药物类似，法规对无定形态药物的检测项目也有明确规定。在中国药典、FDA指导原则以及ICH Q6A等部分中对多晶型检测分析方法的描述也适用于对无定形态药物的检测和鉴别，主要包括X射线衍射、显微检测、热力学检测 (DSC)、光谱学检测 (红外/拉曼)和固体核磁等。

固体分散体的物理稳定性

物理稳定性是决定固体分散体能否真正实用化的关键因素。只有确保固体分散体在制备和储存过程中保持其微观结构稳定不变，才有可能按照设计指标发挥增溶效果。

无定形固体分散体在制备和储存过程中可能发生无定形药物的直接结晶，也有可能发生无定形相分离 (液-液相分离)，形成药物浓集相和高分子浓集相，并进一步促进结晶。

无定形固体分散体的相分离和结晶

(Huang Y and Dai W-G. Acta Pharm. Sin. B 2014)

在无定形固体分散体的研究中，药物-高分子二元混合相图是一种有效的工具。药物和高分子之间相图的建立，一方面有助于确定处方中药物和高分子材料的比例，另一方面有助于预测固体分散体的物理稳定性。

典型的药物-高分子二元相图

(Huang Y and Dai W-G. Acta Pharm. Sin. B 2014)

Flory-Huggins理论

在理想的无定形固体分散体中，药物与高分子在分子尺度上均匀混合，形成一个均相“溶液”。因此可以通过药物与高分子之间的互溶性来评估无定形固体分散体的物理稳定性。

一种常用的手段是借助于Flory-Huggins理论，通过特征的相互作用参数来判断药物与高分子之间的相互作用强弱以及互溶性。

具体操作如下：

1. 首先利用熔融焓和熔融温度等热力学参数来估算药物在高分子载体中的活度，

ln a = (ΔHm/R)(1/Tm – 1/T)

其中ΔHm和Tm分别代表纯药物晶体的熔融焓和熔融温度，T代表药物在高分子载体中的溶解温度 (可通过测试熔点降低来获得，melt point depression)。

2. 通过Flory-Huggins理论对获得的活度进行拟合，

ln a = ln vdrug + (1 – 1/x)vpolymer + χvpolymer^2

其中vdrug和vpolymer分别代表药物和高分子的体积分数 (假设体积分数与质量分数相等)，x代表高分子与药物的分子量比值，χ即是Flory-Huggins相互作用参数，该参数可反映药物和高分子的相互作用强弱和互溶性。

通常来说，χ值为负值 (表示药物与高分子之间具有一定的相互作用)，且绝对值越大表明二者之间的相互作用就越强，互溶性就越好。

例如，硝苯地平与PVP K12、PVP VA64和PVAc三种高分子的相互作用参数分别为-2.5 ± 0.2、-1.8 ± 0.2和-0.02 ± 0.2，表明三种高分子与硝苯地平的互溶性顺序为PVP K12 > PVP VA64 > PVAc，因此使用PVP K12作为载体制备的无定形固体分散体的物理稳定性将会优于其余两种高分子。

聚合物可以显著增强无定形药物的物理稳定性。例如，低浓度的PVP K15 (1% w/w)就能够有效抑制无定形硝苯地平的结晶。另一个案例是无定形伊曲康唑，当使用HPMCAS作为载体时，抑制结晶的效果会好于使用PVP作为载体，因此需要根据具体情况来选择最合适的高分子载体。

值得注意的是，并非所有的高分子都能抑制无定形药物的结晶，某些高分子甚至会加速药物结晶。例如，3% w/w的PEO就可以使无定形灰黄霉素中晶体生长速率提高100倍，原因在于低浓度的PEO导致无定形灰黄霉素分子运动加快，进而加速了结晶过程。因此，在选择高分子载体时通常要尽量避免选用链段运动能力较强的高分子。

总的来说，利用高分子来稳定无定形药物主要是从分子运动和结晶动力学两个角度入手。具体的机制目前尚无定论，但普遍认为集中于以下几个方面。