中药提取物粉末物理指纹谱研究及应用
中药提取物粉末物理指纹谱研究及应用
[摘要] 中药口服固体制剂原辅料的物理性质与产品质量密切相关。
该文借鉴中药化学指纹图谱的概念，提出构建中药提取物粉末物理指纹谱的方法，物理指纹谱由5个一级指标(堆积性、均一性、流动性、可压性和稳定性)和12个二级指标(松密度、振实密度、粒径<50 μm百分比、相对均齐度指数、豪斯纳比、休止角、粉末流动时间、颗粒间孔隙率、卡尔指数、内聚力指数、干燥失重、吸湿性)构成，并以雷达图定量直观展示。
以三七总皂苷(PNS)提取物为例，介绍了物理指纹谱在不同来源或不同批次提取物粉末质量一致性评价中的应用，通过对12个二级指标的集成，构建参数指数、参数轮廓指数和良好可压性指数，用于预测PNS提取物粉末及其与常用药用辅料构成的制剂处方的压缩特性，为中药粉末质量评价和中药固体制剂处方开发及工艺控制提供新的思路。
[关键词] 中药提取物; 物理指纹谱; 粉末表征; 质量一致性; 质量源于设计
中药质量评价及控制是制约中药产品现代化和标准化的关键问题之一[1]。
现有中药质量评价方法可分为内在质量评价法和外在质量评价法。
内在质量评价是采用生物学手段评价中药临床疗效和毒副作用;外在质量评价是采用物理化学手段评价中药的组成含量等理化特性。
随着对中药效应成分复杂性、模糊性和不确定性认识的深入，大量先进的分析方法应用于中药质量控制，如多指标成分定性定量[2]、标准物质替代技术[3]、多维多息指纹图谱[4]、化学生物学技术联用[5]、模式识别和计量学技术[6]等，为中药整体全面质量控制奠定了基础。
在中药生产和制剂成型过程中，药物粉末作为口服固体制剂的原料输入生产系统，其质量会随制药工序传递至最终产品，进而影响制剂产品的疗效。
Maderuelod等[7]研究表明羟丙基甲基纤维素(HPMC)的粒径大小影响卡托普利骨架型缓释片的体外释放行为，HPMC粒径越小越有利于凝胶骨架的形成，并可降低药物释放的速度。
阮克萍等[8]以中药川参方压片工艺为研究对象，发现片剂的抗张强度主要受粉体粒径、粉体含水量和压片压力的影响，川参方片剂的最佳制备工艺为压片力1 300 kg，粉体粒径125 μm，粉体含水量45%。
根据粉末物理性质的变化，可预先对处方组成或工艺参数进行定量调节和预测，以确保产品质量均一稳定。
本课题组前期研究发现，受原料、制备工艺的影响，同品种不同批次或不同来源的中药提取物物粉末不仅化学性质存在差异，而且物理性质也存在波动。
为更好地理解并控制中药提取物质量，本文借鉴中药化学指纹图谱方法[910]和SuéNegre等提出的SeDeM专家系统[1113]，通过对反映中药粉体流动性、润滑性、可压性等关键物理质量属性指标的测试，建立中药提取物粉末的物理指纹谱，用以评价中药提取物粉末质量一致性，预测中药提取物粉末和固体制剂用辅料之间的压缩兼容性，为中药粉末质量控制和中药固体制剂处方及工艺开发奠定基础。
1 材料
振实密度仪(HY100，丹东市皓宇科技有限公司)，激光粒度分布仪(BT2001，丹东百特仪器有限公司)，粉末流动性测定仪(BEP2，英国Copley公司)，快速水分测定仪(MA35，德国Sartorius公司)。
三七总皂苷(PNS)提取物粉末(南京泽朗生物科技有限公司，批号ZL20150524，ZL20150518，ZL20150120;武汉远成共创科技有限公司，批号98256;云南三圣药业有限公司，批号20140502)。
2 原理与方法
21 粉末物理质量属性确定 根据中药提取物粉末自身物理性质以及药用功能，将粉末物理质量属性分为5个方面，即堆积性、均一性、流动性、可压性和稳定性，作为中药提取物粉末物理指纹谱的一级指标。
堆积性用松密度(Da)和振实密度(Dc)2个质量指标表征，表示粉末堆积能力，此外还可用于其他物理质量指标的计算。
均一性用粒径小于50 μm的粉体粒子所占百分比(%Pf)和相对均齐度指数(Iθ)表征，它们表示粉末粒径分布均匀程度，影响粉末的润滑性及所制成制剂的剂量。
流动性以豪斯纳比(IH)、休止角(α)和粉末流动时间(t″)表征。
可压性以颗粒间孔隙率(Ie)、卡尔指数(IC)和内聚力指数(Icd)3个指标表征。
稳定性以干燥失重(%HR)和吸湿性(%H)表征，它们影响粉末的润滑性能和所制成制剂的稳定性。
由Da，Dc，%Pf，Iθ，IH，α，t″，Ie，IC，Icd，%HR和%H共12个可定量测量参数构成中药提取物粉末物理指纹谱的二级指标，相关计算方法见表1。
22 粉末物理质量指标的测定方法 中药粉末物理指纹谱二级质量指标的测定首选法定标准(如药典)收载方法，本文采用的测定方法如下。
松密度(Da)[15]：取洁净、干燥的250 mL量筒，将100 g待测粉末缓慢地加入到量筒中，轻轻抹平粉末表面，读取待测粉末的体积(Va)。
振实密度(Dc)[15]：将上述盛有待测粉末的量筒固定在振实密度仪上，经1 250次振动后读取待测粉末的体积(Vc)。
粒径<50 μm百分比(%Pf)[15]：使用激光粒度分布仪，取适量待测粉末，置于激光粒度仪的干法进样器中，以空气为分散媒介，计算粒径小于50 μm粉末所占的百分比。
相对均齐度指数(Iθ)[15]：使用激光粒度分布仪，取适量待测粉末，置于激光粒度仪的干法进样器中，以空气为分散媒介，测定粉末的粒径分布，计算每个粒径范围内待测粉末所占的百分比。
所选取的粒径分别为0355，0212，0100，005 mm，计算公式如下。
23 物理质量指标的标准化变换 由于二级物理质量指标的数值和量纲不同，为方便展示，根据所选指标的性质，并参考药用辅料手册[14]和药典标准(如欧洲药典80[15])，确定每个物理质量指标的可能数值范围，包括下限和上限，见表2。
然后，将所测物理指标值标准化至同一尺度，即0～10。
每个物理性质的标准化转换公式见表2。
24 中药提取物粉末物理指纹谱的构建 采用雷达图的方式定量直观展示中药提取物粉末物理指纹谱。
当上述12个二级物理指标的标准化值均为10时，可用线段将各指标值连接起来形成正十二边形，见图1。
每个实际测定的物理指标的标准化转换值所构成的不规则十二边形即构成中药提取物粉末物理指纹谱见图1阴影面积。
3 应用举例
31 质量一致性评价 中药提取物粉末物理指纹谱可用于同类型粉末不同批次或不同来源原料间的.质量一致性评价，包括直观评价法和相似度法。
直观评价法是将中药提取物粉末物理指纹图谱叠加，以显示粉末在各质量指标上的相似或差异程度;相似度评价法是通过夹角余弦的计算，从整体角度比较不同中药提取物粉末的相似性。
与中药化学指纹图谱类似，中药提取物粉物理指纹谱是评价中药粉末制备工艺可重复性和可控性的工具。
中药提取物粉末物理质量指标的变异程度须限制在一定范围内或符合所建立的质量标准，以满足制剂成型的需求，并减少原料变异引起的中药固体制剂生产过程质量波动。
以4个批次的三七总皂苷(PNS)提取物粉末(ZL20150524，ZL20150518，ZL20150120，98256)为例，绘制雷达图，见图2。
同一厂家的3个批次PNS提取物各项物理指标数值接近，批次间相似度均大于999%。
不同厂家的4个批次间相似度为950%，推测可能由于不同厂家使用的三七原料、提取纯化工艺或贮存条件的不同，导致提取物粉末在对堆积性、可压性和稳定性指标上存在明显的差异。
32 粉末可压性评价 基于中药提取粉末物理指纹谱12个二级物理指标的半径值，可分别构建参数指数(index of parameter，IP)、参数轮廓指数(index of parametric profile，IPP)和良好可压性指数(index of good compression index，IGC)，用于判断粉末可压性并推测其是否适合粉末直接压片。
参数指数定义为半径值≥5的物理指标的个数占物理指纹谱中物理指标总数的百分比，可接受范围为IP≥5。
物理指纹谱中所包含的物理指标数越多，则由其构成的多边形面积越大，则可靠性因子f越大。
按照上述方法，测定PNS提取物粉末(20140502)的12个物理指标值，然后根据相应公式进行转换，并计算每个一级指标的平均半径值，结果见表3，所有物理指标数值均为3次实验测定的平均值。
基于各物理指标的半径值，绘制PNS提取物粉末物理指纹谱见图3。
由表3看出，均一性指标值远远小于5(均值=029)，表明其粒径较小，细粉(粒径<50 μm)含量较高，且粒径分布不均，粒径大的颗粒含量较低，粉末无法自由从漏斗留下，降低了流变学特性(流动性)。
这些不足可直观地从物理指纹谱中反应出来，大多数物理性质阴影区域的面积较大(阴影区域的面积越大，表明该特性越适合直接压缩过程)。
此外，还可得到该批次PNS提取物粉末的如下信息：它具有合适的堆积性能(Da和Dc);具有可接受的可压缩性能(Ie，IC，Icd);具有较好的稳定性(%HR，%H)。
为了判断PNS提取物是否适合粉末直接压片，根据表3中的半径值计算可压性评价指数。
若IP>05，IPP和IGC均≥5表明该提取物具有较好的可压性，并可以用于直接压缩(加入少量的润滑剂);若IP>05，IPP和IGC在3～5，则提示该提取物需要加入辅料调和并弥补其不足，使其适合直接压缩;若IP>05，IPP和IGC均<3，则表明该粉末无法直接压缩，可加入适以辅料后采用湿法制粒或干法制粒后再进行压片。
本例中经计算，该批次PNS提取物的参数轮廓指数为408，良好可压缩指数为389，其数值均小于5，表明其可压性较差，但可加入适宜的辅料以弥补其不足以使满足直压的要求。
33 粉末可压性校正 中药提取物粉末物理指纹谱不仅用于原料批次间质量一致性评价，而且提供了中药提取物可压缩性的物理信息。
当粉末可压性较差，即IGC<5时，可加入适宜种类及比例的辅料，对中药提取物粉末5个一级指标(堆积性、均一性、流动性、可压性和稳定性)进行校正，以使其满足可压性要求。
校正方法为同时计算满足中药提取物每个指标的最小半径值所需辅料的最低量。
CP=100- RE-RRE-RP×100(9)
其中，CP表示校正用辅料所占百分比;RE表示校正用辅料物理指标的平均半径值;R表示期望达到的物理指标半径值(5是期望校正的最小值);RP表示待校正的中药提取物粉末物理指标的平均半径值。
如果某中药提取物粉末的可压缩性指数IGC<5，则可选择将其与具有良好质量属性(一级指标平均值> 5)的辅料混合，根据公式(9)，设定期望达到R=5，带入经半径值计算的辅料RE和中药提取物粉末RP，通过计算可得到理论上需加入的校正辅料的量。
应用该初始处方，结合考虑制成制剂的其他药学和生物药剂学特性(如崩解、溶出等)的要求，可进一步优化并获得最佳处方。
以PNS提取物粉末(20140502)为例，为使PNS提取物能够采用粉末直接压片的方法，需加入辅料提高其流动性。
本文模拟应用5种直压辅料(Exp1至Exp5，分别为益寿糖Isomalt 721、微晶纤维素Vivapur12、微晶纤维素Avicel200、麦芽糖Advantose 100和微晶纤维素Microcel MC250，数据来自文献[16])对其可压性进行校正，其相应的二级指标半径值、一级指标平均值见表4。
将PNS提取物粉末和5种辅料流动性指标的平均值带入公式(9)，设定R=5，结果见表5。
可见，Exp4用量最少，是用于校正PNS提取物流动性的最适宜辅料，其在处方中的含3959%。
为了更好地理解该方法，将PNS提取物粉末及直压辅料的物理指纹谱叠加起来。
最终处方中辅料如何校正了PNS提取物的不足见图4。
图中蓝色实线为理论上校正辅料对最终混合物所能提供的特性，可见通过校正辅料的加入，PNS提取物不足的一级指标均得到改善，Exp4对其改善效果最好。
4 总结与展望
人用药品注册技术国际协调会(ICH)于2009年出台ICH Q8 R2，提出了“质量源于设计(quality by design，QbD)”的概念，强调对产品和工艺的理解，以及对过程的控制，从设计的层面保证药品质量。
本文基于粉末关键质量属性，提出建立中药提取物粉末物理指纹谱，用以评价中药提取物原料的质量一致性，并帮助理解其物理质量属性对制剂成型性的影响，有助于QbD在中药制剂研发和生产中的应用。
本文所建立的物理指纹谱方法并不局限于中药提取物粉末，也适用于辅料等粉末状物质以及颗粒状物质。
中药提取物粉末物理指纹谱包含的指标越多，所表征的质量信息越丰富，可靠性越高。
通过在物理指纹谱中增加其他物性指标，如真密度、孔隙率、静电电荷、比表面积、吸附力、脆碎性及弹性等，可提高方法的可靠性。
但物理指纹中包含的指标数目越多，测试时间则延长，会降低分析的效率。
具体应用时，需综合考虑需求、实验条件、操作的简便性等因素进行选择。
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