口服固体制剂生产和工艺研发过程中的相变考量

口服固体制剂生产和工艺研发过程中的相变考量

在工艺过程中，药物溶解或部分溶解在溶剂（典型的如水）中是非常普遍的情况。如果在除去溶剂的过程中引发了相变，则这种机制被称为溶液机制。意识到相变可以是亚稳态向稳态或稳态向一种或多种亚稳态之间进行转变这一点是非常重要的。比如，在湿法制粒过程药物可能部分溶于水中，在冻干会喷雾干燥过程中药物则完全溶解在水中。一旦除去溶剂便会再生出固相的药物。再生药物的固相状态可能已不是原来的晶型或者为混晶状态。需要注意的是只有溶解的那部分药物才可能发生相变。

最终的固相状态是单一相态还是无定型以及晶型的混合取决于溶剂取出的速率、晶核形成的难易以及在相应工艺环境下可形成晶型的晶体生长速度等因素[16]。

2.1.4溶液介导

与溶液机制不同，溶液介导机制只会引起亚稳态向稳态的相变。该种相变是两种相态下溶解度的不同导致的。与溶液机制的相变发生在干燥过程不同，溶液介导机制的相变在亚稳态接触到饱和溶液时发生。

在溶液介导机制的相变中存在三个连续的过程[17-19]：1）亚稳相态溶解于所接触到的饱和溶液并达到稳定相态的过饱和状态；2）稳定相态的成核；3）稳定相态的晶核生长同时伴随亚稳状态的不断溶解（过程1）。过程（2）和（3）往往是限速步骤。当过程（2）为限速步骤时，任何影响成核的因素均会影响整体的相变过程。这些因素包括溶解度和溶解度差异、工艺过程的温度、接触面积、搅拌以及可溶性辅料/杂质等。当步骤（3）为限速步骤时，相转变的动力学取决于溶解度差异、固相与溶剂的比例、工艺过程的温度、起始物相（晶核）的粒径、搅拌以及可溶性辅料/杂质等。

上面讨论的四种常见机制可引起三种类型的相变：多晶型、水合/脱水、玻璃化转变/无定型晶体化转变。以下将会详细讨论。

2.1.4.1 多晶型转变

多晶型转变意味着不同晶型间的互变。根据“一对”多晶型之间的稳定关系可以分为单变晶体和双变晶体两大类。两种类型多晶型系统的热力学相图如图1所示。

图表1单变晶体（右）和双变晶体（左）的热力学相图

对于双变晶体而言，一种晶型在低于相变温度（transition temperature ，Tt）时温度，另一种则在高于相变温度时稳定。对于单变晶体而言，在整个温度范围只有一种稳定晶型存在。

单变晶体当一种亚稳态的晶体被使用时，在工艺过程中上面的四种机制均可引起向稳态晶体转变的过程。如果是固相相变机制引起，由于分子运动很慢这种转变是动力学“禁止”的。通过加热或施加机械力（干燥、研磨、压缩等）的方式可加速向稳定晶型转变的过程。当载药很少或者溶剂对药物溶解性好时则可能发生溶液机制引发的相变。相反，载药很高时进行湿法制粒或溶剂对药物溶解性差时可可能发生溶液介导机制引发的相变。从稳定晶型想亚稳型的相变只可能发生在融化或溶液机制中。

双变晶体在加热过程中如果未达到相变温度，那么双变晶体则实际表现为单变晶体。但如果超过了相变温度那么相变可能通过四种机制中的任何一种发生。需要注意的是，对于固相机制的相变而言，在相变温度附近，更可能出现过冷而非过过热现象，因为分子的运动需要依靠大量的热量[21-22]。因此在加热过程中，温度高于相变温度的前提下，向低温度的亚稳态晶型（高温度的稳态晶型）的转变发生后，在随后的冷却过程中是不可逆的。

对于单变晶体系统和双变晶体系统而言，在整体的相变过程中可能会发生一系列的相变，如相变可能以水合过程开始随后经历脱水过程或者以玻璃化转变开始随后经历结晶过程。

水化和脱水这种类型的转变是指无水物和水合物之间或者低结晶水水合物和高结晶水合物之间的相变。不同化学当量的水合物间的稳定性如图2表示的恒温相图所示。恒温条件下，在一定的水蒸气活度（相对湿度，RH）范围内某一晶型是稳定的。在临界湿度下，无水物/水合物或者低化学当量水合物/高化学当量水合物是可以共存的。由于动力学的因素往往形成亚稳态的过渡状态，特别是对于水化过程而言。

图表2 恒温条件下不同化学当量水合物稳定性相图

水化过程一般为溶液或溶液介导机制发生。对于API占比高的制剂而言更可能发生溶液介导机制的过程。对于通道型（channel-type）水合物而言，可能会发生固相机制的过程。脱水过程可通过固相或溶液机制，也是也可能为融化机制。需要注意的是，不同化学当量的水合物脱水[22]或者同一水合物在不同条件下脱水[23-24]会导致化合物不同的物相。在受到外力的情况下，如研磨等，可能会由于产生新的接触面或晶格缺陷以及局部产热等原因而加速脱水过程。

玻璃化转变及无定型晶体化这一相变指的是无定型和晶型以及无定型和水合物间的互变。图3表示了无定形态和其相应晶体无水物间的热力学能图。借用多晶型相变中的术语，无定形态类似于“单变晶体系统”中的亚稳态。因此，在任何温度下无定形态都存在通过固相、溶液或溶液介导机制向晶体转变的倾向。高载药制剂长时间制粒或溶剂对药物溶解性差的条件下更可能通过溶液介导机制进行转变。

图表3 无定形态热力学能图

由于比晶体具有溶解度优势，无定型在药物递送中变得越来越重要[25-26]。因此过去十多年对无定型的物理稳定性有了更深入的理解。无定型晶体化过程的动力学主要由分子的运动性决定[27]。随着温度的升高，特别是在高于玻璃化转变温度（glass transition temperature ，Tg）时，分子运动性提高可显著增加无定型向晶体转变的可能。Kauzmann 温度是指晶体的熵与过冷液体的熵相同时的温度（Kauzmann佯谬）[28-29]。

由于熵可以与分子的运动性进行关联，无定型制剂的稳定必须在（或者低于）Kauzmann 温度[30-31]。然而表现为分子构象焓的分子的复杂性在决定无定型晶体化的倾向时同样重要[32]。此外，在低于Kauzmann 温度时，被定义为构象自由能晶体化驱动力并未改变[33]。另外，环境湿度也以多种方式影响着无定型的晶体化。首先，可以作为增塑剂减低Tg，增加分子流

动性[34,35]。其次，可以作为“反溶剂”（anti-solvent）改变固体分散体的组成提高晶体化的驱动力。

玻璃化转变是晶体转变成无定型的过程[36]，经常通过融化或者溶液机制。在两种机制下，晶体成核速度或晶体生长速度均慢与冷却速度或去除溶剂的速度。玻璃化也常常在受到机械压力或失水时通过固相机制发生[37-39]。

2.2表征技术

许多技术可以用来进行固体表征。常用分析技术的优缺点如表2所示。

表格2 常用固体表征技术

技术优点缺点

X射线粉末衍（PXRD）固态识别的“金标准”，可展

示不同晶型的显著差异需择优定向；易受晶型辅料干扰

X射线单晶衍射可对终极相态进行识别，可深

入研究晶体结构

单晶制备困难

差示扫描量热法（DSC）样本量小，可记录相变及与辅

料相互作用的信息“暗箱”：没有相变的本质信息；受晶型和无定型辅料的干扰

热重分析（TGA）可对化学当量的溶剂化物/水

合物进行定量分析仅适用于溶剂化物/水合物，易受辅料水分干扰

中红外（IR）相态识别的补充手段；可区分极易受湿度影响，受辅料

水的不同状态；与显微镜联用

只需少量样品

干扰；区分度低

近红外（NIR）相态识别的补充手段；可区分

水的不同状态；可穿透容器检

测低信号强度；区分度低；基线不平；受辅料干扰

拉曼光谱相态识别的补充手段；样品量

少；可穿透容器检测；基本不

受水分影响

受辅料干扰

固态核磁共（SSNMR）相态识别的补充手段；可提供

原子周围的化学环境信息

耗时；技术要求高

偏振光显微镜提供晶体形态学和粒径信息；

对结晶度定性分析

受辅料干扰

热台显微镜（HSM）可提供相变的补充信息受辅料干扰

溶剂吸附可低水平无定型进行甄别；判

断水合物的稳定性受无定型辅料干扰；结果可能滞后

为了对API进行最优的表征，不同功能的辅料也往往包含在制剂中。这种混合物给固体的分析带来两个主要挑战。第一个是检测限。因为不像水相检测那样灵敏，随着药物比例降低，识别和区分不同晶型变得困难。定量分析则比定性分析遇到的难度更大。第二个便是辅料的干扰。正如表2所示，辅料的干扰会限制许多仪器的运用。但干扰的程度也视化合物和剂型而定，因此不同情况需区别对待。

最近过程分析技术（PAT）由于可以实时监控生产过程而备受瞩目[40]。该技术在方法专属性、鉴别方面仍有大幅提升的空间。

3、工艺设计和开发过程中的固相考量

API被制成含有辅料的固体片剂或胶囊以改善其可加工性、提供疗效和美化外观等。生产出临床批制剂后，必须通过GMP通过对原料、工艺过程、设备、厂房、成品剂型及包装等多个环节的控制尽量减小批次间的差异。根据分子的物理和化学性质，可能需对制剂的成分、生产工艺及API的固相形式进行改变。这些改变可能会对产品的质量和疗效造成无法预期的后果。为了预测和防止这种产品不一致性，必须对API和辅料的物理化学性质进行全面充分和研究。选择合适的辅料并进行质量控制以及产品的生产工艺也同等重要。

3.1固相及工艺引起的固相改变对产品质量的影响

一个固体制剂的主要重要产品属性主要包括稳定性、溶出度、生物利用度、外观、生产加工性、密度及硬度等，所有这些均可能被相变所影响。一般来说，对于溶解度差的药物相变主要关注溶出度/生物利用度，因为相变可能会引起溶解度的改变及制剂中API其他性质的变化（粒径等）。对于可溶和难容分子来说，相变对两者的稳定性和可加工性都有影响。

为了确保产品货架期内质量和疗效的一致性，一般倾向于选择热力学稳定的晶型作为起始物料。如果亚稳型和无定型已证明在贮存条件下是稳定的，也可用来提高产品的溶出度和改善加工性。如前说述，化合物的物理稳定性很大程度上取决于环境条件。加工过程，API处于温度压力和湿度均不断变化的环境中，工艺引起的相变是可能发生的。为了确保产品的一致性，特别是对难溶性药物而言，一定要知道最终成品中API的固相存在形式。

根据API和工艺环境的不同常见的工艺引起的相变主要形成有部分或完全的亚稳晶型、无定型、水合物/溶剂化物或去溶剂化等。不同稳定性和溶解性的亚稳晶型之间的缓慢转变或随着时间推移亚稳晶型向热力学稳定晶型的转变可能引起产品在储存过程中溶出和稳定性等的各种变化。虽然在特定环境下无定型是物理稳定的，但一般而言其具有更差的物理稳定性、更大的溶解度及更高的化学反应活性。无定型药物和辅料的重新晶体化也可能影响片剂的其他性质（硬度、崩解及溶出等。API水合/脱水的循环过程可能形成1）亚稳或稳定性晶体；2）无定型3）包括水合物或溶剂化物在内的各种混晶形式。所有这些相变均会对产品质量产生重大影响。

3.2口服固体制剂生产工艺及相关可能的相变

在许多参考文献和论著中对口服固体制剂生产工艺有全面的描述[41-43]。图4总结了常见的方法和与之相关的单元操作。这些工艺过程对固态相变的影响和相应的挑战本文将陆续讨论。

3.2.1 减小粒径

固体制剂生产的第一步往往是减小原料药粒径。减小粒径可以为后续工艺过程提供便利同时可提高产品的活性（通过改善形态/流动性、降低分离趋势、提高均一性、增加表面积等）。研磨是减小粒径的基本方法，该过程主要通过对药物粒子施加剪切/切割力、压缩、冲击力及颗粒自身的磨损等达到目的。冲击式粉碎机（锤式粉碎机等）和流能磨（气流粉碎机等）在制药工业有着广泛应用。其他减小粒径的方法包括超临界流体技术等[44]，往往并不常用在此不做论述。

冲击式粉碎机主要施加机械压力并往往伴随着产热，可能会引起诸如失水、固相相变机制或融化机制的玻璃化转变等多种相变。相变的程度和速度往往取决于物料的初始相态、粉碎机类型及粉碎条件等。有关于地高辛、螺内酯和雌二醇等在粉碎过程发生多晶型转变的报道[42]。多数情况下，在与辅料进行混合前往往需要相对原料药进行粉碎，因此相对制剂的表征而言，粉碎后原料药相变的情况和程度要简单的多。

3.2.2制粒/增加尺寸

在粉末被压缩成片剂或填充进胶囊之前必须具有流动性、粘附性、可压缩性及润滑性等多种物理特性。由于大部分物料不会同时具备所有特性，因

此需借助造粒技术赋予物料上述性质。对片剂和胶囊的生产而言主要有两只制剂技术：1）湿法制粒；2）干法制粒。其他制粒工艺包括喷雾干燥及熔融高速搅拌制粒、喷雾凝结制粒和热熔挤出制粒等热熔造粒技术。

图表4 固体口服制剂的常用制备方法

3.2.2.1湿法制粒和干燥

湿法制粒由于其适用性及获得后续工艺所需颗粒物理性质的较大可能性，是目前应用最为广泛的技术。主要包括低速/剪切制粒、流化床混合及造粒（挤出和滚圆等）[41]。湿法制粒一般通过烘箱干燥、流化床干燥及真空干燥等方式来进行。其他干燥方法还包括微波干燥、隧道干燥及旋转气流干燥等[43]。虽然适用性广泛，但湿法制粒往往带来相变的问题。可能的相变不仅取决于物料自身性质还与制粒及干燥的方式和条件有关。

根据制粒和干燥方式等的不同，加液量、在液体、气流和干燥温度下的暴露时间等条件均有差异。载药量的大小、药物在润湿剂（粘合剂）中的溶解度及制粒过程决定了起始物料的固相是部分还是完全溶解。随后溶剂去除的速率取决于制粒和干燥的方式，该过程可能会影响干颗粒相态的形成。除了API性质之外，制粒及干燥的条件和方式也会影响相变以溶液还是溶液介导的机制发生，如多晶型转变、水化/脱水、玻璃化/晶体化等。如果药物完全溶解在制粒液中，干燥的方式和选用的辅料将决定相变是否通过溶液机制发生。如果难溶性药物分散在制粒液中，则无水物倾向于通过溶解介导机制转变为水合物。对相变的检测能力和相应可采用的分析手段取决于载药量的多少和辅料的干扰程度。

3.2.2.2干法制粒

当制剂成分对水分敏感或者无法承受干燥所需的温度时一般采用干法制粒。如果处方成分固有键合力或内聚力很强时也会应用干法制粒技术。干法制

粒也被称为预压或二次压缩技术[41]。压片法和辊压法是干法制粒常用的两种方法。由于滞留时间的不同压片法施加的压力可能小于辊压法。由于该过程不使用制粒液因此也就排除了溶液或溶解介导可能引发的相变进而降低相变的可能性。该过程施加的加大机械力则可能导致固相或融化机制的相变。与湿法制粒技术一样，干法制粒过程对相变的检测能力和相应可采用的分析手段同样取决于载药量的多少和辅料的干扰程度。

3.2.2.3熔融造粒

熔融造粒过程首先部分或完全将固体辅料溶解，随后与API和剩余辅料一起制粒，最后通过冷却和凝结的方式降低粒径。该过程中API受热可能部分或完全溶解在熔融状态的辅料中。如果API熔点相对低或加热的温度足够高，API在制粒过程则可能融化。部分或完全融化的API也可充当粘合剂或固化载体的作用。随后的冷却过程可能会经历固相或融化机制的相变。事实上，有时通过融化机制采用该过程用来制备晶体或无定型的固体分散体。

在喷雾-冷凝过程中，一般采用低熔点的载体以满足喷雾所需的流动性。在较高温度下，药物可能部分或完全溶解在熔融态的载体中。在喷雾-冷凝过程中，高温的液滴需要快速冷却固化，因为这是形成较小粒径且保证粒径分布较窄的必须条件，药物也可能遵循奥斯特瓦尔德阶段相律（Ostwald’s Rule Stages）以亚稳态晶型或无定型的形式沉淀[45,46]。在高剪切熔融

制粒中，温度、加热的强度和时间、冷却的速度均显著低于喷雾-冷凝过程，引起相变的可能性也较小。与喷雾-冷凝类似，热熔挤出需将辅料完全熔融，虽然冷却过程相对缓慢，但仍可能出现相变。

3.2.2.4喷雾干燥和冷冻干燥

喷雾干燥会得到形态和粒径比较均一的高孔隙率粉末颗粒。该技术也用来对药物进行包裹或包衣以达到保护药物或控制释放速度的目的。该过程中，高度分散的液体在充足热空气的作用下形成均一的细小液滴，随后去除液体形成颗粒[41]。供给液可以是溶液混悬液或乳液。该过程要求药物完全或部分溶解，因此增加了溶液机制产生相变的可能性。细小液体中溶剂的干燥往往只需几秒钟，可能会通过溶液机制相变，快速形成亚稳晶型或无定型。

冷冻干燥通常用来制备无定型。在该过程需采用极低温度限制分子运动及药物和辅料的成核。冻干条件会显著影响药物在产品中的固相形态。虽然不是固体制剂的常用生产手段，但也被用来制备特殊功能片剂如Zydis?等[47,48]。

3.2.3颗粒研磨/过筛及混合

在该阶段经常需对颗粒进行研磨（整粒），但强度与粉碎时相比减小很多。虽然与粉碎和制粒过程相比，相比可能性大大降低，但辅料的存在时相变的检测变得困难。

在压片或灌装前需将颗粒与润滑剂或其他辅料混合（润滑剂、助流剂、崩解剂等），但并不改变颗粒物理性质。在混合过程发生相变可能性很小。

3.2.4压片和灌装

润滑后的颗粒进行压片或进行胶囊填充。压片过程中，在只有毫秒级的滞留时间下可能受到高达40KN的压力。施加这种级别的能量可能使药物或辅料经固相机制相变。有文献报道咖啡因、磺胺苯酰及盐酸马普替林会在压片过程发生多晶型转变[49]。胶囊填充过程由于固体受到热量和机械影响相对较小，很少发生相变。

3.2.5包衣

在制得片剂后，往往会在包衣锅或流化床中采用水基或溶剂基的高分子聚合物体系进行薄膜包衣。包衣的目的一般在于美化外观、掩盖味道及改善药物释放等。糖衣片及微丸等不常用包衣几乎再次不做讨论。薄膜包衣的过程是采用喷雾法将稀的高分子包衣液粘附在适当的底物上（片剂、颗粒或晶体）。

为了使得包衣材料分布均匀同时避免包衣出现的问题，需对包衣参数进行优化以维持包衣液传送速度和干燥能力的平衡。包衣过程一般快速干燥，高效率的气流交换确保包衣液和片剂表面只有短暂接触随后溶剂便被除去，以这种方式降低片芯和包衣液的相互作用。包衣过程中，大部分情况下不会发生溶液机制的相变。如有必要，在薄膜包衣前，可在片剂表面事先包一层高分子密封衣，以防止薄膜包衣过程可能发生的固-页相互作用。

对于改性释放制剂，总剂量中的部分药物可能会出现在包衣层中。该包衣层可作为两相缓释系统中的速释部分，或在脉冲递药系统中快速释药。根据剂量和药物的溶解度，含药包衣层通过喷洒含药溶液或混悬液于片剂表面制得。将药物溶解或分散在液体中增加了通过溶液或溶液介导机制发生相变的可能性。该过程对药物固相的影响与上文讨论的喷雾干燥比较相似。也就是说，在包衣过程中快速除去溶剂可能会导致亚稳晶型的快速析晶，或者通过溶液机制在含药包衣层中形成无定型。

3.3预测和防止工艺开发中的相变

充分了解API和辅料的晶型和无定型状态以及它们之间相互转化的机制和过程对预测和防止在生产中可能出现的相变是非常至关重要的。对这些信息的综合认知是合理选择API和辅料的物理形态、合适的生产过程、处理方式及储存条件所必须的。在一定的情况下，即使已经确定了固相的形式

和工艺，对成品中所有原材料的晶型和物理形态进行监控仍是比较明智的。对于那些溶出和稳定性易受到相变影响的制剂这种监测就显得尤为重要。监测的严密程度则需根据API、剂型、工艺和分析方法等多方面而定。对于溶解性及稳定性好，生物利用度高的分子来说，工艺引起的相变对稳定性和生物利用度带来的风险相对较小。但是工艺引起的辅料或API的变化可能会对制剂的可生产性或崩解性能造成影响。

在选择何种API晶型进行开发的时候，必须综合考虑物理化学性质、生物药剂学性质及可加工性等多方面的因素。在某些情况下，为了消除稳定性、溶出速率差异及工艺引发的相变等问题，可能需选择备用的晶型。在API 的生物药剂学性质及工艺特性满足需要的情况下，最好是选择最不易受到湿热及机械外力引发的相变影响的晶型。有时，可能选择拥有较少晶型的（备用）盐型以尽量降低工艺导致的相变的影响。

我们曾遇到个这样一种情形，出于临床因素的考虑，我们选择了（API）一种新的盐型进行I期研究。这种改变成功帮我们克服了（API）最初选择的盐型由于其复杂的多晶型相变而导致的在生产上存在的障碍。（API）盐型的改变显著降低了晶型的种类（由原来7种变为1种，7种里面4种为游离碱）。这种新的盐型降低了相变的风险同时为II期临床所需制剂的开发提供了更好的工艺可行性。

晶型辅料的相变及对机制的影响同样不容忽视。比如，对于含有较高比例如甘露醇等的晶型辅料的制剂，片剂在贮存过程中硬度变大（age-hardening）可能会导致溶出变慢的现象。如果工艺引起的硬度变大问题是可以预期的，那么便可提前通过外加或内外加崩解剂以及选择其他辅料等的方式加以改善，以尽量降低对溶出的影响。

在设计固体制剂生产工艺时，一般可通过处方前研究对工艺引起的相变进行一定的预测。同时也可以通过选择合适的工艺对相变进行规避和加以控制。如果一种固相对湿度或溶剂敏感那么可采用干法或熔融制粒工艺。如果API在粉碎或受到挤压是会发生相变，在其对热稳定的情况下则可以选择热熔挤出制粒。如果在原料药结晶时就可以对粒径和晶癖进行控制就可以避免对其进行粉碎。如果不宜进行压片则可选选择胶囊剂型。

将干燥温度控制在相变温度一下则可以避免互变晶型在干燥过程的相变。在薄膜包衣过程中，对于对水分敏感的片芯，可以在低速条件下采用低粘度溶液事先包裹隔离衣，避免或将片芯表面的固-液相互作用最小化。同样的可采用有机溶剂基的聚合物溶液体系包衣以达到快速去除溶剂的目的。这些仅仅只是将对API和辅料的固体性质的认知应用于处方和工艺开发中的少部分实例。处方和工艺的合理设计可以减少后期失败的风险从而提高新产品开发的效率。最后通过所选工艺生产出的成品必须通过检测以确保其品质。

4、特殊实例

4.1 亚稳晶型：“天使与魔鬼”

如果在正常温湿度等条件下可以形成稳定的固相，那么在贮存过程中发生相变的几率则较小。如果稳定相态的物理化学性质不能满足需求，则可以利用工艺引发的相变在稳定的相态中引入含有（生产）所需理化性质的亚稳相态。例如固体分散体经常用于提高难溶药物的溶出度。对于晶型药物常常通过减小粒[51,52]，或将其转变为高活性的无定型[53,54]来达到提高溶出速率的目的。虽然转变为高活性的无定型是提高溶出度的做有效手段，但无定型向稳定型转化的固有倾向是该方式的主要障碍。

开发无定型制剂的可能性主要取决于API的固有特性。最近我们发表的一系列论文已经证明作为HIV蛋白酶抑制剂的利托那韦有很大潜力开发成为无定型固体分散体制剂。[32，55,56]。利托那韦是一种分子量较大（721 g/mol）的亲脂性化合物。pH 6.8中几乎不溶（0.001 mg/ml），0.1N盐酸中溶解度为0.4mg/ml，固有溶出速率（intrinsic dissolution rate ，IDR）为0.03 mg/cm2 ·min。由于高给药剂量（1.2g/天），可以预见会出现溶出限制吸收的情况，随后的体内研究也证实了这种情况。在pH1的介质中，该化合物无定型的表观溶解度和固有溶出速率10倍与其相应的晶型态。