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「精华问答重温」药物结晶中的晶型、晶形和粒径控制

力扬实验室自动化方案

2022.10.20

延续早前大家对药物结晶网络会议的积极反响，为了感谢支持，我们徇众要求，预备了当天的问答精华给大家。

同时，我们亦邀请了当天的演讲嘉宾何运良博士与力扬企业的产品专家 - 唐吉鹤老师，对会议当中大家的提问归纳总结，并作出了补充，希望可以更全面解答大家的疑问。

何运良 | 副研究员

恩泽生物质精细化工北京市重点实验室

报告

主题

药物结晶中的晶型、

晶形和粒径控制

提问

Qustions

解答

Answers

问

亚稳晶型一般需要考察哪几个条件下的稳定性实验？与稳定晶型的稳定性实验相比，需要注意什么？

亚稳晶型的稳定性，首先要考察原料药的常见稳定性，主要是加速实验、高温高湿等条件下的化学稳定性。
亚稳晶型要特别关注晶型的稳定性，看看在储存、制剂过程中和制剂产品在货架期内是否会发生晶型转变。亚稳晶型的优势在于有比稳定晶型更高的溶解度、更高的溶出速率。如果发生了晶型转变，优势就不复存在了，会导致溶出和生物利用度发生变化。此外，晶型转变可能还会引起粒径变化，粉体结块等问题。

问

怎样判断新化合物是否可以存在多晶型?

制剂中晶型的转变考察比较困难，尤其是低剂量的制剂产品，由于辅料的干扰，难以考察。这点可以参考我的公众号文章《制剂中的晶型分析》，里面详细介绍了低剂量制剂中晶型分析和控制问题，是在我跟 CDE 的一个老师探讨的邮件基础上整理而成的。

问

如何区分表面水和结晶水，从而判定是否形成了水合物晶型？

判断是否存在水合物晶型，最好的办法是培养水合物单晶，确定晶体结构，看看晶格中是否存在结晶水。
如果得不到晶体结构，可以通过分析对比无水晶型和潜在水合物晶型的红外图谱来判断。水分子有很强的红外吸收，在红外谱图有对应的特征吸收峰。如果是游离水，因为在晶体里分布不均，一般是得不到水分子的红外吸收峰的。另外，DSC、TGA、核磁、近红外、DVS 也是常用的分析水合物的方法。KF是常用的分析水含量的方法，但是不能确定结晶水还是游离水。DVS 通过精确控制环境湿度和温度，精确称量样品质量变化，可以考察晶体吸湿形成水合物和脱水形成无水晶型的临界湿度，在水合物研究中非常有帮助。根据吸湿后的重量变化，可以估算结晶水的含量。
水合物和无水晶型在溶液中混悬转晶时会互相转化，而且存在一个临界含水量。这些可以帮我们判断晶型是否是水合物晶型。
表面水和结晶水不好判断，我们用 KF 法测得的水含量，无法确定是表面水还是结晶水贡献的。一般来说我们将水含量控制在结晶水理论含量附近就可以。比如结晶水是 2%，药典要求的含水量可能在 1.5 ~ 2.5%，大家可以参考药典里对水合物中水分含量的要求。XRD 是控制水合物晶型更有效的工具，如果谱图没有问题，水含量的变化不影响晶型的分析和判断。如果是伪多晶型，水合物脱水后晶型不发生变化，这个时候需要重点关注水含量。

问

怎样选择架桥剂？

这点请详细看看我的公众号文章《球形结晶（一）》。架桥剂其实是一种混合溶剂。在结晶后加入一种难以混溶的溶剂，比如乙醇-水里加入二氯甲烷、甲苯，THF-水里加入乙酸乙酯，加入到一定量后，溶液就会开始液-液分相。如果析出的新液相比较少，新液相就会把溶液中的晶体颗粒粘在一起，即团聚成球形。这点和和面时加点水的原理是一样的，利用了颗粒间的液桥力 (一种毛细作用力)。新形成的液相不可过多，过多就团聚的颗粒就散开了。如何控制第二种液相的量是球晶聚结的关键之一，需要根据相图计算和实验摸索来确定合适的溶剂比例。不同溶剂体系和不同结晶物系的架桥剂的比例是不一样的。相图计算很难精准，最终比例还是需要经过实验来确定。

问

怎样做两种晶型间稳定性试验？

首先要确定晶型是无水晶型、水合物还是溶剂化合物。我们一般只比较无水晶型的相对稳定性。首先推荐混悬转晶的方法，将两种晶型按照 1:1 的比例加入到某种良溶剂中混悬搅拌，确保固体不能全溶。混悬搅拌 24h 后再分析固体晶型，看看转变成了哪种晶型，或者哪种晶型变多了。溶剂不能只考察一种，有时溶剂会影响相对稳定性。

其次是测量晶型在水里的溶解度，稳定晶型的溶解度是最低的。

最后一定要考虑到温度的影响，可能存在互变晶型。如果是互变晶型，要确定转变的临界温度。

问

如何进行晶型间转化试验?

首先要确定，这些晶型是无水晶型、水合物还是溶剂化合物。如果是水合物或者溶剂化合物，脱水可以得到无水晶型，有时会得到无定型。

对于无水晶型，一般用混悬转晶的方法。DSC 加热也能观察到无水晶型之间的转化。研磨等机械压力也可能会导致晶型之间的转化，一定要考虑到温度的影响，可能存在互变晶型。如果是互变晶型，要确定转变的临界温度。

问

有些水合物对湿度很敏感，低湿 / 高湿可能会转变为其他水合物，且水份数据也不一样。我们如何在测试 KF 及 XRPD 时避免环境湿度对结果的影响，无论在冬天或者夏天不同环境湿度时尽量拿到真实的数据？

这些水合物应该做 DVS 分析，确定吸水和脱水的临界温度，确定存在几种水合物，含水量多少，这对水合物的储存和制剂生产很关键。
样品分析前，应该先在恒定湿度下平衡一段时间（24h 以上，具体平衡时间参考 DVS 结果）。取样后尽快密封，尽量不要暴露在空气中。对于 XRD 分析，现在有特殊的样品盘，可以加一层 KAPTON 膜，隔绝空气和水汽，避免空气对样品的影响。我们实验室可以提供这种测样服务。

问

定量研究针对原料药和制剂，对定量方法，以及灵敏度有什么具体的要求？

对于晶型的定量研究，可以参考我的公众号文章《制剂中的晶型分析》。

对于原料的晶型纯度，我建议通过控制结晶工艺，尽量得到纯的晶型产品，可以从晶型结晶的理论上证明和控制产品是纯的晶型。混合晶型中，晶型的比例是很难控制的。晶型的定量分析一个重要作用是确定分析方法的下限，确定产品中其它晶型的含量最高是多少。

晶型含量分析，和 HPLC 的纯度分析是类似的。先制备纯的晶型产品，得到晶型的标准图谱，找出两种晶型没有重合的特征峰，用于晶型分析。在目标晶型中按比例混入其它晶型，做 XRD 分析，晶型含量与峰面积成正比，可以通过线性模型关联起来，确定模型的检测下限、线性度、精度等。验证后的模型可以用于晶型的定量分析。模型的检测下限和精度与晶型之间的差别和化合物特性有关，容易区分的晶型，XRD 的检测下限能达到 2%，不好区分的晶型，XRD 可能 10% 以下的含量都检测不到。除了 XRD，红外和 DSC 也是常用的定量分析方法，建立模型的过程是类似的，前提都是得到纯的晶型参照品。

问

对于一个较难培养的共晶化合物，在培养单晶方面，如何将针状单晶变粗一点，或者成块状？

共晶的单晶比较难培养，很容易得到单组分的晶体。晶体长不大，或者形成针状晶体，还是过饱和度和溶剂体系的原因。首先选用能形成块状晶体的溶剂体系（可能找不到）。其次是过饱和度，将产生过饱和度的速度放慢一点，晶体就能长的粗一点。如果是蒸发结晶，将蒸发的速度放慢，密封更严实一些。冷却结晶，可以降低冷却速率，等等。要将针状晶体长成块状，比较困难。另外，可以考虑将针状晶体弄断以后，当做晶种加入到饱和溶液中，有利于得到长径比小的晶体。

问

没有标准图谱时，初步筛选晶型时，XRPD 图谱差多少能判断是不同晶型，从而安排后续进一步的比较试验呢？

XRPD 谱图分析是比较依靠经验的。一般我们首先选择几张 XRD 特征峰比较多，强度高的谱图作为参考，其它谱图跟它对比。如果峰位置一致，只是特征峰少一点，可以归类为一种晶型。再通过小试实验重复出这种晶型，进行深入研究。
XRPD 谱图首先看最高的特征峰和最前面的特征峰，峰的位置比强度重要。只要有一个峰明显不同，都不能轻易放过。我曾经碰到一个化合物的 XRD 谱图，很多谱图里只是两个小峰之间的宽度不一样，最后发现存在一种新的晶型（一种溶剂化合物）。
晶型筛选具体过程可以参考我的公众号文章《晶型筛选指南》。

问

检测流动性指标的仪器，老师有没有推荐的？

对于药物粉体流动性，药典里有标准方法，包括堆密度、振实密度、休止角等。国内也有符合药典标准的设备可以购买，例如丹东百特的综合粉体测试仪，还有 SOTAX 的粉末流动性测试仪和堆密度测试仪等等。

问

在结晶研究方面，还有其他推荐的仪器吗？

可以考虑 Technobis 的结晶系统，目前市场上应用比较多，被世界上很多制药企业所广泛使用。目前有Crystal16、CrystalBreeder 和 Crystalline 三种型号，对应临床筛查到工艺优化等不同的结晶筛选过程。其特点在于只需使用极少的样本量，就能快速并准确地获取产品结晶过程的关键参数，节约研发成本，对于早期盐筛选、晶型筛选、溶解度曲线、介稳区测定等等，都能提供帮助，加速结晶研究工作。