使用功率补偿型DSC对药物多晶型进行高分辨表征
前 言
物质在结晶时由于受各种因素影响,使分子内或分子间键合方式发生改变,致使分子或原子在晶格空间排列不同,形成不同的晶体结构。同一物质具有两种或两种以上的空间排列和晶胞参数,形成多种晶型的现象称为多晶现象(polymorphism)。
许多结晶药物都存在多晶型现象,同一药物的不同晶型在外观、溶解度、熔点、溶出度、生物有效性等方面可能会有显著不同,从而影响药物的稳定性、生物利用度及疗 效,此现象在口服固体制剂方面表现得尤为明显。药物多晶型现象是影响药品质量与临床疗 效的重要因素之一。因此,对存在多晶型的药物进行研发以及审评时,应对其晶型分析予以特别关注。
多晶型药物中的不同晶型的热力学稳定性不同,不稳定晶型的熔融温度可能显著低于热力学稳定的晶型;而一种晶型熔融后可能结晶形成另一种更稳定的晶型。对于很多药物材料来说,多晶型现象的存在是非常重要的,因为在服用药物后,它们对血液循环中有效成分的摄取,以及药物保质期等方面会产生重大影响。同一药物的某种晶型可能比其它晶型更易溶解或摄取,其释放时间也会有所不同,并可以通过一定类型和水平的特定多晶型来进行控制。另外,某些晶型的储存期可能更长;随着时间的变化,易于溶解的晶型可能转变为不易溶解的晶型,从而导致药物活性的改变。
中国药典通则《9015药品晶型研究及晶型质量控制指导原则》中明确说明,当固体药物存在多晶型现象,且不同晶型状态对药品的有效性、安全性或对质量可产生影响时,应对原料药物、固体制剂、半固体制剂、混悬剂等中的药物晶型物质状态进行定性或定量控制。在“药品晶型质量控制方法”一节中,明确晶型种类相对鉴别方法为粉末X射线衍生 (PXRD)、红外光谱 (IR)、拉曼光谱 (Raman)、差式扫描量热 (DSC)、热重 (TG)、毛细管熔点 (MP)、光学显微 (LM)、偏光显微 (LM) 和固体核共振 (ssNMR) 等9种方法。其中,TG方法中新增的热重与质谱联用 (TG-MS) 可以实现不同晶型药品在持续加热过程中的失重量和失重成分以及结晶溶剂和其它可挥发性成分的定性、定量分析。
中国药典通则《0981结晶性检查法》规定固态药物的结晶性检查可采用偏光显微镜法、粉末X射线衍射法和差示扫描量热法 (DSC)。其中新增的DSC法可实现对晶态物质的尖锐状吸热峰或非晶态物质的弥散状 (或无吸热峰) 特征进行结晶性检查。当相同化合物的不同晶型固体物质状态吸热峰位置存在差异时,亦可采用DSC法进行晶型种类鉴别。DSC 测量的是加热、冷却或等温条件下样品吸收和释放的热流信号。
《化学仿制药晶型研究技术指导原则》(试行)结合我国仿制药晶型研究的现状并参考国外监管机构相关指导原则起草制定,阐明仿制药晶型研究过程中的关注点,涉及的晶型包括无水物、水合物、溶剂合物和无定型等。指导原则明确了可使用热分析法 (如DSC和TG) 和光谱法 (如IR和Raman) 作为药物晶型表征方法和晶型确证方法;晶型控制参照《中国药典》相关通则 (《9015药品晶型研究及晶型质量控制指导原则》和《0981结晶性检查法》) 对晶型进行定性和/或定量分析。
珀金埃尔默DSC 8500采用独 一无二的功率补偿型设计,测量真实的热流信号。相互独立的轻质双炉体设计,使得 DSC 8500既可以提供药物多晶型测定所需要的极高灵敏度,又可以提供非常卓 越的信号分辨率。同时,由于功率补偿型DSC的小炉体设计,提供了快速升降温的可能,从而可以在测试中通过快速升温,抑 制低温晶型熔融后的重结晶,进而得到真实的各晶型比例。
珀金埃尔默DSC产品,除了在药物晶型研究上的优势,在药物分析与研究方面,还具有如下优势:
1、灵敏度高,可灵敏检测蛋白变性的微量放热;
2、量热准确度高,特别适合药品纯度检测;
3、专 利的调制技术,可研究晶型的可逆和不可逆转变;
4、铂金炉体,特别适用于药物的易分解特性;
DSC 8500差式扫描量热仪
极高的灵敏度,可以检测很弱的晶型转变过程或者含量很低的晶型成分
卓 越的分辨率,可以更好地分离多种晶型的熔融峰
最快的加热和冷却速率 (最 高可达750°C/min)
使用铂面电阻测温技术 (PRT) 测量样品温度,准确性和重现性优于热电偶
非常稳定的基线性能
具备StepScan DSC技术,可以直接分离可逆与不可逆的热过程或热转变
最 大程度遵从21 CFR Part 11法规
实验1
某药物材料DSC测试
测试条件
升温速率:3℃·min-1/10℃·min-1;
样品质量:~3mg;
样品盘:标准卷边铝盘;
吹扫气;高纯氮气;
温度范围:90℃~170℃
图1. 每分钟10℃加热速率下药物材料的DSC测试结果
图2. 熔融峰放大后在111℃显示出肩峰
图1所示为每分钟10°C常规加热速率下药物材料的DSC测试结果。样品显示出单一的熔融吸热峰,起始熔融温度为107.4°C,没有显示出明显的多晶现象。对熔融峰进一步观察,可以在高温侧发现一个很小的肩峰。对这一熔融转变进行放大,如图2所示,该药物样品在111°C附近确实存在肩峰,这是存在多晶型现象的有力标志。利用晶型转变的时间特性,能够对可能存在的多晶型现象进行检验;改变DSC加热速率 (含时间依赖性或速率),可以识别可能存在的多晶型。
图3. 每分钟3℃加热速率下药物材料的DSC测试结果
以每分钟3℃的低加热速率对该特定样品进行分析,DSC测试结果如图3所示,该药物样品明确显示出多晶型现象。样品在107.2℃发生熔融后随即进行结晶,如109℃ 的放热峰所示。要对紧随多晶熔融转变的结晶峰进行检测和分辨,确实需要如珀金埃尔默DSC 8500这样的具有很高分辨率的功率补偿型DSC仪器。
作为对比,本实验也采用了高性能的热流型DSC仪器对该药物多晶型样品进行分析,即便在低加热速率下也无法检测到这三个转变过程 (不稳定晶型熔融、结晶、稳定晶型熔融) 的存在。主要原因是热流型DSC的炉体质量较大 (150g),响应速率远低于功率补偿型DSC。如本研究结果所示,对于很多药物材料来说,具有极高分辨率的DSC仪器是成功且完整地检测到多晶型现象的必要条件。
实验2
卡马西平多晶型DSC测试
测试条件
升温速率:10/50/100/150/200/250℃·min-1;
样品质量:~5mg;
样品盘:标准卷边铝盘;
吹扫气;高纯氮气;
温度范围:100℃~240℃
在检测到多晶型存在的情况下,需要对各晶型成分进行定量。使用DSC方法对晶型进行定量的逻辑是:通过将测量得到的晶型熔融峰面积与100%纯净的晶型熔融焓值比较,计算对应晶型在样品中的百分比。实际测试中,由于低温晶型熔融后可能存在重结晶现象,易对高温的熔融峰归属判定产生误导。同时,由于结晶峰与熔融峰相近,会干扰熔融峰面积的计算,难以确定真实的熔融焓值。
卡马西平(Carbamazepine)是治 疗癫痫病和神经性疼痛的药物,存在多个晶型。某卡马西平样品在常规测试条件(10℃/min)下,其DSC曲线如图4所示。可以看出,低温晶型(晶型III)在熔融后(红色虚框内吸热峰),出现了放热峰(蓝色虚框),该峰对应于熔融部分的重结晶。在更高的温度区间,可观察到晶型I的熔融峰(绿色虚框)。在高温区间检测到的晶型I熔融峰可能来源于原始样品,也可能来源于晶型III熔融后重结晶,亦或是两者都有。因此,在当前的常规测试条件下,难以进行归属。另外,由于晶型III的熔融和重结晶峰部分重叠,也无法准确计算晶型III的熔融焓值。
图4 每分钟10℃加热速率下卡马西平的DSC测试结果
按照结晶的理论,重结晶是一个动力学控制的过程,重结晶程度与结晶时间关系很大。因此,如果能够通过改变测试条件,缩短熔点不同的两个晶型间的时间跨度,就可以抑 制低温晶型熔融后的重结晶。功率补偿型DSC的小炉体设计,使得快速地升降温成为可能,从而为这类体系的分析提供了技术保证。在本例中,使用不同的快速升温速率进行同一种类样品的考察,结果如图5所示。可以看到,随着升温速率的提高,DSC曲线中晶型I的熔融峰面积逐渐减小;在250℃/min的升温速率下,晶型I熔融峰完全消失,这意味着:
1、在前述慢速升温下得到的DSC曲线中,晶型I完全来自于低温晶型III熔融后的重结晶,原始样品中并没有晶型I的存在;
2、晶型I的熔融峰消失,表明在当前测试条件下,晶型III没有重结晶,此时量测到的熔融峰完全不受晶型III重结晶放热的干扰,从而可以准确计算纯净的晶型III熔融焓值(109.5J/g)。
图5 不同升温速率下卡马西平DSC测试结果
基于以上测试结果,继续在快速升温抑 制重结晶的条件下测试真实的混合晶型样品,就可以通过前面得到的晶型III熔融焓值,准确计算晶型III和晶型I的比例,如图6所示。
图6 卡马西平混合晶型样品在每分钟250℃加热速率下DSC测试结果
总结
珀金埃尔默功率补偿型DSC 8500既可以提供许多药物材料的多晶型检测所需要的极高灵敏度,又可以提供非常卓 越的分辨率。对于新药研发行业来说,多晶型检测非常重要,因为多晶型现象对于药物有效成分进入血液循环的速率有很大的影响,也会影响到药物的储存期。功率补偿型DSC的小炉体设计具有很快的响应时间,从而确保对热转变过程进行很好地检测和分辨。在上述研究中,功率补偿型DSC可以揭示特定药物的多晶型性质,而高性能的热流型DSC仪器则无法检测到该样品的多晶型现象 (结晶过程)。另外,通过功率补偿型DSC实现的快速升温测试,可以抑 制药物分子低温晶型重结晶,从而更可靠地判断样品的晶型情况,进而准确计算各晶型相对含量。
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