差示扫描量热法在药物多晶型定量分析中的应用.doc

差示扫描量热法在药物多晶型定量分析中的应用张晓楠1,2，郭士岭1，陈宜俍1，钟家亮2,任国宾2,*(1 郑州大学化工与能源学院，河南 郑州 450001；2 上海医药工业研究院，上海200040)【摘要】目的 具体综述了差示扫描量热技术在药物多晶型定量分析方面的应用。方法 本文依据近年来国内外文献，分析了近年来传统差式扫描量热法、调制式差示扫描量热法及超高效差示扫描量热法在药物多晶型定量分析方面的应用，并对其优缺点进行了总结，展望了其应用前景。【关键词】药物；多晶型；差示扫描量热法；定量分析The application of differential scanning calorimetry for polymorphism quantification of drugZHANG Xiaonan1,2, GUO Shiling1, CHEN Yiliang1, ZHONG Jialiang2, REN Guobin2(1 School of Chemical Engineering and energy Zhengzhou University, Henan, Zhengzhou 450001; 2 Shanghai Institute of Pharmaceutical Industry, Shanghai, 200040)AbstractObjective This paper reviewed the application of the differential scanning calorimetry (DSC) technology in quantitative analysis of pharmaceutical polymorphism. Method Based on the domestic and foreign literatures in recent years, the application of polymorphism quantitative technologies, such as traditional DSC, modulated temperature DSC and high speed DSC, is analyzed in this paper. Moreover, the advantages and disadvantages of these technologies are summarized. The application prospect is predicted. Key word drug; polymorphism; differential scanning calorimetry; quantitative analysis自从1832年乌勒和列别克发现苯甲酰胺化合物存在两种不同的晶型，国内外开始逐渐重视药物多晶型的研究1。20世纪80年代起，有关药物晶型的报道逐渐增多，这已成为继手性药物研究后的又一个国际药学研究的热点2。药物的多晶型现象指的是某一化合物分子在固态时因晶体排列方式和填充方式的不同，形成不同晶体状态。由于同一药物不同晶型间可能存在着显著的理化性质差异，如溶解度、溶出速度、吸湿性、颜色、密度、流动性、抗压缩性等，这些差异可能对药物的生物利用度、稳定性、药效及安全性产生影响。药物多晶型现象及其与临床疗效间的关系，使得固体药物的多晶型研究成为药物研发过程中不可忽视的重要研究内容之一。同时，药物的多晶型研究与知识产权保护息息相关，多晶型专利是仅次于化合物专利的具有极强排他性的二次专利，无论对于新药研发还是仿制药专利突破，均具有无可比拟的优越性和重要性。因此，对药物多晶型的研究越来越受到人们的重视。药物晶型直接影响着固体药物的质量和疗效，因此仅对药物进行晶型的定性研究已不能满足要求。为了确保药物的疗效及安全性，测定原料药或制剂中有效晶型含量就具有很突出的重要性，需要采用适当的方法对多晶型进行定量分析。近年来，国内外报道了许多晶型研究的方法，目前广泛应用的方法主要有X射线粉末衍射法、傅里叶拉曼光谱法、近红外法、傅里叶红外法、热分析法和固体核磁共振法等3，其中在药物多晶型的定量分析方面采用最多的是X-射线粉末衍射法，但是这种方法对物质多晶型的定量的准确度不高且难以获得各种晶型的绝对含量4。差示扫描量热法因其操作简单，试样用量少，定量快速准确而逐渐受到人们的关注。国内外均有药厂将其作为常规的质量控制方法和测试手段5。本文主要综述了差示扫描量热法在药物多晶型定量分析方面的应用。1概述差示扫描量热法（differential scanning calorimetry DSC）是60年代初Watson Oneill等建立和发展的一种研究物质的物理性质随温度变化的函数关系的技术 6，是在程序控制温度变化情况下,测试样品与参比品之间单位时间内吸收或放出能量的差值随温度的变化。差示扫描量热仪记录到的曲线称DSC曲线，它以热流率dH/dt为纵坐标，以温度T或时间t为横坐标，可以测定多种热力学和动力学参数，如熔点、比热容、反应热、转变热、相图、反应速率、结晶速率、高聚物结晶度、样品纯度等。因晶体在晶型转变或熔融时会产生热效应，相应的热量变化与晶型含量间存在一定的比列关系，故通过测定纯晶型的熔融焓或晶型转变焓，利用标准曲线法可以定量分析样品中各晶型的相对含量7。通常，实验室常用的DSC法包括传统的DSC及新兴的温度调幅式DSC(modulated temperature differential scanning calorimetry，MTDSC)、超高效或高效DSC（high speed differential scanning calorimetry，HSDSC）。2.传统DSC传统的DSC是基于恒定加热速率下的样品熔点变化情况。典型的DSC曲线一般是由玻璃态转变吸热峰、结晶放热峰、熔融吸热峰组成的8。通过测熔融焓或晶型转变焓利用标准曲线法就可以得出各晶型的相对含量。袁钻如等4通过红外光谱和X-射线衍射测试表明阿德福韦酯存在A、E两种晶型，利用DSC法依据药物的不同晶型具有不同的熔点和熔融焓，采用纯A晶型样品在不同的样品量的情况下进行测试，以熔融热与样品用量绘制标准工作曲线，标准偏SD=0.45J/g，成功的对其进行了定量分析。林克江等9通过一系列混合晶型浓度梯度组成的或某一确定组成的那格列奈对照品的H值以及待测样品的H值，以工作曲线法确定待测样品的B型组成，得出B在015%时重复性0.61%，回收率86.3%127%。此法可作为那格列奈混晶中B晶型限度的检测方法。在测无定形含量时也可以不用校正曲线，直接由以下方程式得出：无定形含量=，其中为无定形的熔融焓，为纯晶体的熔融焓。或者直接由以下方程式得出：，其中是样品无定形部分，是结晶温度下的结晶放热焓，是在结晶温度下的纯晶体的熔融焓，是低于结晶温度的无定型量10。在保证固态药物100%晶态的前提下，DSC还可以用于测定药物的结晶度，结晶度%=，其中，为样品熔融热，为样品结晶热，为纯晶体样品的熔融焓，m为样品的质量11。3.温度调幅式DSCMTDSC是对传统DSC改进的一种方法，该法是对温度程序施加正弦扰动，形成热流量和温度信号的非线性调制，从而可将总热流信号分解成可逆和不可逆热流成分。其克服了传统DSC高分辨率与高灵敏度不可兼得的缺点，将许多检测到的转变中因多种转变的叠加而难以区分开的峰12。在MTDSC实验中，样品和参比物间的最终热流可以用下列方程表示：，式中为最终的热流，是样品的热容，为温度变化的速率，为动力学过程的热流，是由于分子运动过程中受阻产生的热流，与绝对温度和时间有关，随不同的动力学规律而不同13。由上式可以看出MTDSC不仅可以提供常规的DSC所得的总热流，而且还包括热容的信号和动力学组分。在该法中由于增加使用的震荡温度有助于增强对微弱转变测试的灵敏度，故对无定型玻璃态转变温度较为敏感，多用于无定型药物或辅料的定量分析。用MTDSC定量样品中的无定型量是通过绘制已知晶型的混合物的热容的标准曲线来测定无定型玻璃态转化的热容变化，其中是热容常数，和分别是调制的热流和热率的振幅11。如Guinot等14利用纯无定型在玻璃化转变温度时热容量的跳动值绘制标准曲线，定量了X化合物微粉化样品的结晶度，其检测限和定量限分别为0.9%和3.0%。4.超高效或高效DSC传统的DSC在测定很低含量的无定型药物方面具有很大的困难，然而近年来新兴的HSDSC因高的热流率的使用提高了其检测的灵敏度，提高了参数的灵敏度、准确度和检测限15，而且HSDSC使用的加热和冷却速率可达到500/min。Gabbott等16用无定型乳糖验证了HSDSC的性能，得出HSDSC可以测试含量低于1.5%的样品。HSDSC在没有从周围热中获得能量反应时可以有效的控制样品重结晶的动力学，随着升温速率的增大，熔融转变的动力学改变致使没有足够的时间使更高熔点的样品重结晶，结果仅有低熔点的晶型存在17。Giannellini等18用HSDSC以200/min升温使马比佛卡因的晶型来不及转变为就熔化，从而成功区分这两个晶型。HSDSC在分析样品中少量的亚稳态或无定型组分中具有很大的优势,因亚稳态或无定型是热力学不稳定体系，通过较快的升温速率可以降低测量过程中晶型的转变。McGregor等17采用HSDSC以250/min的升温速率定量分析了卡马西平混晶样品中晶型的相对含量，得出亚稳定型晶型熔融焓的检测限达到1%，并且在随后的工作中他们还研究了晶种对HSDSC定量分析的影响，限制了其在定量方面的应用19。5. DSC应用优势与不足DSC法具有所需样品量少，操作简单、快速、灵敏，重现性好等优点，目前成为多晶型研究的常规方法，特别是其可以方便准确地对混合物中熔点相差较大的不同晶型含量进行测定。但是其对样品的破坏性是无法避免的，因此不适合对样品量少及贵重的样品进行分析检测。另外由于DSC是种动态技术，供试样品的颗粒大小、重量、升温速率等都会对最终的实验结果产生影响，故在实验中一般采用100目筛的粒度大小，样重在5mg以下，10K/min的升温速率比较合适20。除此之外，DSC测量的误差的主要来源于样品取样和混合的不均一性21，故DSC在用于研究药物多晶型制剂定量时，仍考虑与其他分析技术如高效液相色谱法(HPLC)、X-射线粉末衍射法（XRPD）、红外光谱法(IR)、固态核磁共振法等方法联用，Frans等22用XRPD、DSC、傅里叶变换拉曼法等方法简述了对药物两种晶型的定量分析。6.总结和展望研究药物的多晶型现象具有重要的意义，对国内晶型药物的质量控制还处于起步阶段，研究多晶型药物定量分析方法具有广大的应用前景。在多种定量分析方法中，热分析法因其操作简单、重现性好、快速灵敏得到了快速的发展。同时随着科技的发展，各种软件的出现与更新，也弥补了该方法的不足，特别是温度调幅式DSC和超高效DSC将是未来发展的一个趋势。而且多种方法的联合使用使得单一方法的不足得以弥补，因而建议在进行定量分析时采用多种方法综合使用。相信随着科技的发展，我国在固体药物多晶型定量分析方面会有长足地进步，与国际水平之间的差距会逐步缩小。 参考文献1冒莉,郑启泰,吕杨. 固体药物多晶型的研究进展J.天然产物研究与开发,2005,(03):371-375.2杜寇华,吕杨,龚宁波,张丽,杨德智. 国内外晶型药物发展现状和趋势A.第三届中国晶型药物研发技术研讨会暨中国晶体学会药物晶体学专业委员会成立大会论文集C.2011.3王钰莹,刘晓谦,王智民,张启伟,高慧敏. 药物多晶型分析方法的研究进展A.第三届中国晶型药物研发技术研讨会暨中国晶体学会药物晶体学专业委员会成立大会论文集C.2011.4袁钻如,张爱明,方江邻. 差示扫描量热法（DSC）定量测试阿德福韦酯晶型的研究J. 分析测试技术与仪器,2008,14(2):105-108.5左志辉. 热分析法在药学研究中的最新进展J. 中国药品标准,2004,(01):14-17.6周传佩,刘义,沉雪松,屈松生.热分析技术在药物研究中的应用J.分析科学学报,2001,17(05):430-437.7马乐伟,杜葳,赵春顺. 药物晶型定量分析方法的研究进展J. 药学学报,2011,(08):896-903.8Saleki-Gerhardt A， Ahlneck C, Zografi G. Assessment of disorder in crystalline solids J. Pharm Res, 1994 101:237 247.9林克江,陈卫,尤启冬. 差示扫描量热法检测那格列奈多晶型J. 药学学报,2002,(01):46-49.10 Lefort R, Gusseme AD, Willart JF, Danede F,Descamps M. Solid state NMR and DSC methods for quantifying the amorphous content in solid dosage forms: An application to ball-milling of trehaloseJ. Pharm, 2004 ,280:209 219. 11 Birju Shah,Vasu Kumar Kakumanu,Arvind K. Bansal. Analytical techniques for quantification of amorphous/crystalline phases in pharmaceutical solids J. Pharm Sci, 2006,(8)：1641-1665. 12Minna Lappalainen, Maarit Karppinen. Techniques of differential scanning calorimetry for quantification of low contents of amorphous phasesJ. Therm Anal Calorim,2010,102:171-180. 13张艺, 程开良,许家瑞. 调制式差示扫描量热法在高分子研究中的应用J. 化学通报,2004,(05):341-348.14Guinot S, Leveiller F. The use of MTDSC to assess the amorphous phase content of a micronised drug substance J.Int J Pharm,1999,192:63 75.15Geert Vanden Poel, Vincent B.F.Mathot. High-speed/high performance differential scanning calorimetry(HPer DSC): Temperature calibration in the heating and cooling mode and minimization of thermal lagJ. Thermochimica Acta,2006,446:41-54.16Paul Gabbott, Paul Clarke, Tim Mann, Paul Royall et al. A high-sensitivity, high-speed DSC technique: measurement of amorphous lactoseJ. A m Lab,2003, 35(17):17-22.17Caroline McGregor, Mark H. Saunders, Graham Buckton, Robert D. Saklatvala. The use of high-speed differential scanning calorimetry (Hyper-DSCTM) in the study of pharmaceutical polymorphsJ. Thermochimica Acta, 2004,417(2):231-237. 18Giannellini V，Bambagioti-Alberti M，Bartolucci G，et al . Solidistate study of mepivacaine hydrochlorideJ. Pharm Biomed Anal，2005,39:444-454.19Caroline McGregor, Emma Bines. The use of The use of high-speed differential scanning calorimetry (Hyper-DSCTM) in the study of pharmaceutical polymorphs J. Pharmaceutics, 2008,350:48-52.20郭永辉,杨宁,吕扬. 差示扫描量热法在晶型药物研究中的应用A.第二届中国晶型药物研发技术研讨会会议论文集C.2010.21Xiaohong Pan, Thomas Julian, Larry Augsburger. Quantitative measurement of indomethacin crystallinity in indomethacin-silica gel binary system using differential scanning calorimetry and X-ray powder diffractometryJ. AAPS Pharm Sci Tech, 2006,7:1-7.22 Frans W. Langkilde, Jonas Sj öblom , Lija Tekenbergs-Hjelte, Jonni Mrak. Quantitative FT-Raman analysis of two crystal forms of a pharmaceutical compoundJ. Pharm Biomed Anal,1997,15:687-696.后注：基金项目：国家“重大新药创制”科技重大专项资助（2009ZX09301-007）作者简介：张晓楠，女，生于1987，在读硕士研究生。E-mail:zhangxiaonanhappy。*通讯作者，任国宾，男，生于1974年，博士，副研究员，上海医药工业研究院药物晶体工程实验室主任，主要研究方向：药物晶体工程。E-mail：renguobin2557。