基于主成分分析的中藥粉體流動(dòng)性表征研究

杜 焰，馮 怡，徐德生，趙立杰，李曉海，熊耀坤

（1.上海中醫(yī)藥大學(xué)中藥現(xiàn)代制劑技術(shù)教育部工程研究中心，上海 201203；2.江西師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，江西 南昌 330022）

在中藥固體制劑的生產(chǎn)中，生產(chǎn)原料的流動(dòng)性對(duì)制劑產(chǎn)品質(zhì)量有重要影響［1］，例如流動(dòng)性差的粉體往往表面粗糙或易黏結(jié)成塊導(dǎo)致藥物不易分散，不便患者服用；流動(dòng)性差的物料，各成分往往很難混和均勻和填充，從而影響藥物的準(zhǔn)確含量，在片劑、膠囊劑等的成型或填充時(shí)，造成裝量差異等等。尤其是隨著粉末直壓技術(shù)的流行，制劑生產(chǎn)對(duì)原料的流動(dòng)性、可壓性要求更加嚴(yán)格，選擇適合直接壓片的中藥粉體配方，首要的問題就是使用較高流動(dòng)性的藥用粉體。準(zhǔn)確表征藥用粉體的流動(dòng)性是控制固體制劑質(zhì)量的重要基礎(chǔ)和手段［2-3］。

藥用粉體的流動(dòng)性評(píng)價(jià)方法較多，最基本的方法是流速法［4］，即將待測(cè)藥用粉體通過漏斗流出，同時(shí)測(cè)定流出的速度。在實(shí)踐中，即便使用流通口徑很大的漏斗，還是有很多藥用粉體不能通過漏斗，因此在實(shí)際生產(chǎn)中多改用測(cè)定粉體的休止角來(lái)表征流動(dòng)性，休止角越小表示流動(dòng)性越好。然而休止角的測(cè)定往往受人為因素影響較大，而且不準(zhǔn)確。于是，又有人使用壓縮度、平均崩塌時(shí)間、粒度分形維、均勻度、黏聚力、內(nèi)摩擦角等方法測(cè)定粉體的流動(dòng)性［5-8］，盡管如此，這些方法過于注重單一因素，仍然不能很好地表征藥用粉體的流動(dòng)性。

主成分分析 (PCA)是一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法，它特別擅長(zhǎng)處理多個(gè)指標(biāo)，是一種降維或者把多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)的一種方法，已經(jīng)初步應(yīng)用于中藥材的品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)與分類中［9］。其核心是保證在原始數(shù)據(jù)信息丟失最小的情況下，對(duì)高維變量進(jìn)行降維處理。例如，原始數(shù)據(jù)中有多個(gè)變量，即有多個(gè)主成分，實(shí)際只考慮貢獻(xiàn)率最大(方差最大)的主成分，通常是主成分1(PCA1)、主成分2(PCA2)前二主成分，這些主成分被認(rèn)為是原始數(shù)據(jù)中的真實(shí)信號(hào)，需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步分析才能解釋其深刻內(nèi)涵，而其余主成分則被認(rèn)為是噪聲信號(hào)而丟棄。因此主成分 (PCA)成為解決原始數(shù)據(jù)信息分析的有效手段［10］。流動(dòng)性恰恰有很多影響因素，將多個(gè)影響因素測(cè)定結(jié)果依據(jù)其對(duì)流動(dòng)性影響的強(qiáng)弱程度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后PCA分析，作為評(píng)價(jià)粉體流動(dòng)性的方法的研究目前尚未報(bào)道?；诖耍緦?shí)驗(yàn)在前期研究工作的基礎(chǔ)上采用主成分分析方法對(duì)7種常見中藥粉體和3種已知較好流動(dòng)性的直壓輔料進(jìn)行比較，且進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)與分類研究［11］。本實(shí)驗(yàn)將主要測(cè)試粉體的休止角、壓縮度、平板角、均齊度、黏聚力、內(nèi)摩擦角等指標(biāo)進(jìn)行表征。

1 儀器與材料

Mastersize scroco2000激光粒度儀 (英國(guó)Malvern公司)，BT—1000粉體綜合特性測(cè)試儀 (丹東百特儀器有限公司)，F(xiàn)A1004N電子天平 (上海精密科學(xué)儀器有限公司)，ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀(南京土壤儀器廠有限公司公路儀器分公司)。

直壓輔料:優(yōu)化微晶纖維素，prosolve SMCC 90(德國(guó) JRS公司)；微晶纖維素，PH102，PH200(美國(guó)FMC公司)。中藥粉體:按中國(guó)藥典2010年版一部方法制備甘草提取物、陳皮提取物、清喉咽方提取物、玄麥甘桔方提取物、樂脈方提取物、山菊降壓方提取物、精制冠心方提取物［12］。

2 方法和結(jié)果

2.1 粉體綜合特性測(cè)試 用粉體綜合特性測(cè)試儀可以測(cè)定各樣品的物理量。所有項(xiàng)目平行測(cè)定3次，結(jié)果見表1。

2.1.1 角度測(cè)量 休止角:樣品通過漏斗均勻流出，直到獲得最高的圓錐體為止，測(cè)量圓錐體斜面與平面的夾角即為休止角。平板角:平板埋入樣品中，升起平板，測(cè)量平板斜面與平面的夾角即為平板角。

2.1.2 壓縮度測(cè)量 松密度:預(yù)先精密稱定密度金屬容器 (容積100 cm3)的質(zhì)量，計(jì)算質(zhì)量G0，再通過振動(dòng)篩加入樣品，當(dāng)粉末充滿金屬密度容器后停止加料，用刮板將多余的粉體刮出，并用毛刷清除容器外部粉末，精密稱定，計(jì)算總質(zhì)量G1，再按公式計(jì)算ρB=(G1－G0)/100。振實(shí)密度:通過振動(dòng)篩加入樣品，開啟震動(dòng)約5 min至容器內(nèi)樣品高度不發(fā)生變化，精密稱定總質(zhì)量G2，再按公式計(jì)算ρT=(G2－G0)/100。壓縮度:豪斯納比率 (Hausner ratio)HR= ρT/ρB。

表1 粉體綜合特性測(cè)試結(jié)果(n=3，)Tab.1 Results of sample characteristic features determination(n=3，)

表1 粉體綜合特性測(cè)試結(jié)果(n=3，)Tab.1 Results of sample characteristic features determination(n=3，)

樣 品 休止角/° 平板角/° 壓縮度冠心方55±1 87±2 1.85±0.03陳皮 51±1 64±3 2.21±0.02玄麥 44±1 88±4 1.64±0.04甘草 51±1 66±2 1.91±0.02清喉咽方 50±1 65±3 1.62±0.01樂脈方 44±1 61±3 1.68±0.02山菊降壓方 39±1 88±1 1.46±0.01 SMCC90 37±1 51±2 1.35±0.01 PH102 32±1 35±1 1.39±0.01 PH200 31±1 35±1 1.29±0.01

圖1 冠心方提取物粒徑分布Fig.1 Results of Guanxinfang's particle size and particle size distribution determination(n=3，)

表2 粒徑分布測(cè)試結(jié)果 (n=3，)Tab.2 Results of sample's particle size and particle size distribution determination(n=3，)

表2 粒徑分布測(cè)試結(jié)果 (n=3，)Tab.2 Results of sample's particle size and particle size distribution determination(n=3，)

樣 品 粒徑分布D50/μm粒徑分布D90/μm均齊度(D90/D50)/μm冠心方62±1 272±2 4.4±0.3陳皮 10±1 87±1 8.7±0.4玄麥 58±1 417±2 7.2±0.1甘草 24±1 65±1 3.8±0.1清喉咽方 56±1 244±2 9.3±0.2樂脈方 58±1 348±2 8.1±0.1山菊降壓方 79±1 363±2 4.6±0.3 SMCC90 100±2 223±2 2.23±0.1 PH102 108±2 223±2 2.07±0.1 PH200 246±2 420±2 1.84±0.1

圖2 抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系Fig.2 Relationship between shear strength and vertical pressure

2.2 粒徑與粒徑分布的測(cè)定 取待測(cè)粉體約3g，置于Mastersize scroco 2000型激光粒度儀干法進(jìn)樣器金屬盒上，選擇已建立的工作方法，以空氣為分散媒介，顆粒折射率設(shè)為1.5，粒徑分布如圖1，均齊度=D90/D50，測(cè)定粉體的粒徑分布與均齊度結(jié)果見表2。

2.3 黏聚力的測(cè)定［13］用取土環(huán)刀取樣品約50 g加至直剪儀的剪切盒中，在400 kPa垂直壓力預(yù)壓5 min，然后分別記錄垂直壓力為50、100、200、300、400 kPa下的測(cè)力環(huán)讀數(shù)R，平行測(cè)定3次。計(jì)算抗剪強(qiáng)度 (τ=R·A，A為測(cè)力環(huán)系數(shù)189.4 kPa/mm)。以抗剪強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，垂直壓力 (x)為橫坐標(biāo)，繪制抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線，線性回歸所得直線在縱坐標(biāo)上的截距即為粉體黏聚力?？筛鶕?jù)庫(kù)侖公式計(jì)算抗剪強(qiáng)度τ(τ=σ·tanφ+C，σ和φ分別為垂直壓力和內(nèi)摩擦角)。

表3 黏聚力測(cè)試結(jié)果(n=3，，P＜0.05)Tab.3 Results of sample determination of coheresive(n=3，，P＜0.05)

表3 黏聚力測(cè)試結(jié)果(n=3，，P＜0.05)Tab.3 Results of sample determination of coheresive(n=3，，P＜0.05)

樣 品 直線回歸方程 黏聚力/kPa 內(nèi)摩擦角/°冠心方 y=0.6794x +69.22 69.22±0.03 34±1陳皮 y=0.3733x+52.91 52.91±0.03 20±1玄麥 y=0.7664x+18.90 18.90±0.03 37±1甘草 y=0.7848x+15.33 15.33±0.02 38±1清喉咽方 y=0.7974x+12.01 12.01±0.02 39±1樂脈方 y=0.6153x+12.37 12.37±0.02 32±1山菊降壓方 y=0.7494x+9.96 8.96±0.02 37±1 SMCC90 y=0.7539x+9.36 9.36±0.02 39±1 PH102 y=0.6565x+8.98 8.98±0.02 33±1 PH200 y=0.6133x +3.94 3.94±0.01 32±1

3 分析與討論

3.1 粉體綜合特性 粉體綜合特性測(cè)試結(jié)果如表1所示，壓縮度、休止角、平板角、黏度都可以描述粉體的流動(dòng)性。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，休止角小于30°時(shí)流動(dòng)性較好，大于45°時(shí)流動(dòng)性較差，壓縮度小于1.3時(shí)流動(dòng)性較好，大于1.3時(shí)流動(dòng)性較差。從粒徑角度分析，中藥粉體顆粒較細(xì)，D50粒徑多數(shù)小于100 μm，直壓輔料均大于100 μm，隨著粒徑的減小，流動(dòng)性變差。均齊度可以表征粒子的規(guī)整程度，越接近1越好。中藥粉體由于性質(zhì)不同均齊度差異較大，而直壓輔料相對(duì)規(guī)整，均齊度相差不大，主要在2左右，有很好的流動(dòng)性。玄麥甘桔方提取物、樂脈方提取物、陳皮提取物粒徑小于50 μm，D90粒徑與D50粒徑相差比較大，均齊度不佳，間接影響到流動(dòng)性。從黏聚力分析，中藥顆粒本身的自重減小，因而附著力與自重的比值增大，故越細(xì)的顆粒越容易團(tuán)聚，導(dǎo)致流動(dòng)性差。而且中藥粉體含水，顆粒間存在的液橋作用強(qiáng)，致使顆粒間的附著力增大，更容易團(tuán)聚，形成二級(jí)粒子，同時(shí)所形成的架橋作用使顆粒間的空隙率增大。

內(nèi)摩擦角是間接測(cè)量粉體摩擦力的方法，一般情況下內(nèi)摩擦角與休止角差值越大，流動(dòng)性越差，在實(shí)際單元操作中，內(nèi)摩擦角與休止角差值大的物料流動(dòng)情況不理想，如在加料器中可能形成鼠孔或產(chǎn)生嚴(yán)重的結(jié)拱現(xiàn)象。

3.2 主成分分析 原始數(shù)據(jù)采用天津理工學(xué)院劉世與編寫的多元統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行多元計(jì)算，并進(jìn)行主成分分析和因子分析，同時(shí)將處理的數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件Unscrambler 9.1進(jìn)行繪制主成分分析二維圖［14］。

3.2.1 多元計(jì)算分析 將休止角、平板角、壓縮度、均齊度、黏聚力、內(nèi)摩擦角等多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，形成協(xié)方差矩陣、相關(guān)系數(shù)矩陣和主成分載荷矩陣等。進(jìn)一步求矩陣的特征值及相應(yīng)的單位特征向量、累計(jì)貢獻(xiàn)率等。見表4、表5。從表4可以發(fā)現(xiàn)，休止角與壓縮度和黏聚力關(guān)系最大，由于顆粒的團(tuán)聚作用，黏度變大，休止角和壓縮度增大。平板角的測(cè)定原理類似于休止角，故平板角與休止角相關(guān)性大。內(nèi)摩擦角與壓縮度和黏聚力是負(fù)相關(guān)，內(nèi)摩擦角越小，壓縮度和黏聚力越大。粒徑大小與粒徑分布與休止角相關(guān)性大。從表5可以看出，前2個(gè)主成分特征值大于1，累計(jì)方差貢獻(xiàn)接近80%，只要2個(gè)主成分就能評(píng)價(jià)中藥粉體的流動(dòng)性，6個(gè)主成分累積貢獻(xiàn)率共100%，使用新的低維變量代替原始高維變量能夠較為客觀地反映各因素作為評(píng)價(jià)流動(dòng)性指標(biāo)的品質(zhì)。

在此基礎(chǔ)上進(jìn)行因子分析，因子得分是由主成分分析得來(lái)的因子荷載矩陣的荷載系數(shù)，如第1主成分因子得分綜合反映了各成分對(duì)第1主成分的影響。權(quán)重系數(shù)的計(jì)算依據(jù)其方差貢獻(xiàn)的大小，即各主成分的貢獻(xiàn)率與6個(gè)主成分的總貢獻(xiàn)率之比，第1主成分的權(quán)重為58.60%/100% =0.586，同理可得，第2、3、4、5、6主成分的權(quán)重分別為0.2006、0.1158、0.0672、0.0260、0.0044。將各主成分因子得分與其權(quán)重乘積之和相加，得出各個(gè)中藥粉體樣品的因子得分F，根據(jù)本課題組前期的研究表明，總因子得分F與流動(dòng)性為負(fù)相關(guān)，得分越低，表明流動(dòng)性越好。進(jìn)而可以計(jì)算得出主成分的綜合得分因子并進(jìn)行排名，結(jié)果見表6。由主成分綜合得分排名可知，綜合品質(zhì)較好的前5名為直壓輔料PH200，PH102，SMCC90和山菊降壓方、甘草提取物。

表4 樣本的相關(guān)系數(shù)矩陣Tab.4 Correlation matrix of samples

表5 主成分特征值Tab.5 Principal component feature value of samples

表6 綜合得分與排序結(jié)果Tab.6 Comprehensive scoring and ranking result of samples

3.2.2 主成分投影圖 將處理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件simca-p進(jìn)行主成分分析和繪制主成分分析二維圖。如圖3、4所示。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，黏聚力在PCA1上的荷載最大，平板角在PCA2的荷載最大，反映第一主成分為黏性指標(biāo)，第二主成分是角度指標(biāo)。圖3、4中，3個(gè)指標(biāo) (均齊度、HR、內(nèi)摩擦角)比較接近，流動(dòng)性較好的直壓輔料SMCC90、PH102，PH200落在該指標(biāo)區(qū)域附近，表明其性質(zhì)與均齊度、HR、內(nèi)摩擦角關(guān)系密切，冠心方和清喉咽與該3指標(biāo)距離較遠(yuǎn)，暗示二者流動(dòng)性較差。

圖3 各樣品的PCA1與PCA2貢獻(xiàn)率圖Fig.3 PCA1 and PCA2 contribution rate of samples

圖4 各指標(biāo)的PCA1與PCA2貢獻(xiàn)率圖Fig.4 PCA1 and PCA2 contribution rate of indicators

3.3 對(duì)比Carr指數(shù)分析 Carr流動(dòng)性指數(shù) (CI)法采用Carr推薦的方法［15］，主要將休止角、平板角、壓縮度、分散度分別按0.25的權(quán)重進(jìn)行加和，范圍是0～100，Carr指數(shù)越大，粉體的流動(dòng)性越好。本實(shí)驗(yàn)采用BT-1000粉體綜合特性測(cè)試儀測(cè)量Carr指數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 流動(dòng)性指數(shù)和PCA得分結(jié)果Tab.7 Results of samples'Carr flowability index and PCA scores

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，使用主成分分析評(píng)分的結(jié)果與Carr流動(dòng)性指數(shù)法完全一致，由于使用的樣品量較少，暫時(shí)還不能看出差別。能達(dá)到CI值60以上的中藥粉體不多，表明多數(shù)流動(dòng)性不好，與直壓輔料有差距，它們必須攪動(dòng)或振動(dòng)才能流動(dòng)。

4 結(jié)論

本研究使用多元統(tǒng)計(jì)分析的方法對(duì)中藥粉體進(jìn)行流動(dòng)性測(cè)定，改變了過去單獨(dú)依賴休止角或少數(shù)幾個(gè)參數(shù)的做法，能夠獲取量化的數(shù)值，并建立合理的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，可以根據(jù)實(shí)際情況確定中藥粉體流動(dòng)性臨界值，指導(dǎo)藥物處方設(shè)計(jì)，對(duì)于實(shí)踐中評(píng)價(jià)粉體流動(dòng)性有相對(duì)客觀的標(biāo)準(zhǔn)，方便了流動(dòng)性計(jì)算。通過中藥粉體和流動(dòng)性較好的直壓輔料微晶纖維素之間的對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，中藥原料多數(shù)流動(dòng)性不好，對(duì)于主成分分析中總因子得分值在0.3以上的中藥粉體，在流動(dòng)性能上與直壓輔料有較大差距，基本上不適合粉末直接壓片，需要添加合適的輔料或改性提高其流動(dòng)性。在小樣本測(cè)試中，我們通過與Carr指數(shù)法對(duì)比，發(fā)現(xiàn)運(yùn)用主成分分析得到的結(jié)果與綜合打分的Carr指數(shù)法基本一致，且與實(shí)際流動(dòng)情況相符合。二者的區(qū)別主要在于，Carr指數(shù)法是封閉體系，參數(shù)固定不可改變，而且誤差較大，PCA方法是開放體系，可根據(jù)實(shí)際情況選擇參數(shù)，可以增加和減少參數(shù)，一旦參數(shù)適合，描述可以更準(zhǔn)確，如可以區(qū)分流動(dòng)性十分接近的粉體。參數(shù)選定后，PCA分析較簡(jiǎn)單，一般只需要考慮主成分1和主成分2，具體計(jì)算和分析由計(jì)算機(jī)完成，得出相關(guān)結(jié)論。在今后的實(shí)驗(yàn)與實(shí)際應(yīng)用中，仍然需要增加樣本量，選取合適的參數(shù)，不斷考察該方法在中藥粉體流動(dòng)性測(cè)試中的適用性。

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