誘導(dǎo)頭孢噻肟鈉結(jié)晶過程研究

尹永恒，鮑　穎，2*，王永莉，高振國，劉　東

(1.天津大學化工學院，天津 300072； 2. 天津市現(xiàn)代藥物傳遞及功能高效化重點實驗室，天津 300072； 3.華北制藥集團有限責任公司，石家莊 050015)

頭孢噻肟鈉(CTX)是第3代頭孢類抗菌素，對革蘭氏陰性菌的活性較高。它的結(jié)晶過程需要嚴格控制以使晶體的產(chǎn)率、純度、晶習和密度等性質(zhì)符合商業(yè)需求。頭孢噻肟鈉在溶析結(jié)晶的過程中很難析出，而且極易成膠。在結(jié)晶過程中使用晶種是一種有效誘導(dǎo)、控制結(jié)晶方法。制作晶種的方法有很多種，包括研磨、干燥、篩分和溶劑沖洗等[1-2]。Aamir等認為在研磨過程中會出現(xiàn)較碎的細晶，因此不宜用研磨制備晶種[3]。Kubota等則使用沖洗方法消除了一部分研磨產(chǎn)生的細晶[1]。如今，納米晶種正在被越來越多的應(yīng)用，因為相對大晶體來說，納米晶體能更好的提高結(jié)晶速率[4]。降低粒子尺寸能有效提高比表面積，進而改善晶體和溶液之間的傳質(zhì)[5]，從這一角度來看，擁有大量小晶體的研磨晶種對誘導(dǎo)成核和晶體生長更加有益。

超聲波作為一種有效手段被越來越多的應(yīng)用到了結(jié)晶研究中，超聲波影響結(jié)晶這一現(xiàn)象被較為廣泛的認為是空化效應(yīng)和聲流引起?？栈饔卯a(chǎn)生的氣泡是均勻分散的氣相，能誘導(dǎo)過飽和溶液中的非均相成核，從而可以替代傳統(tǒng)的加晶種方法[6]。Lyczko等發(fā)現(xiàn)超聲波會影響K2SO4的誘導(dǎo)期和介穩(wěn)區(qū)[7]。此外還有大量文獻表明超聲具有影響產(chǎn)品粒度分布、提高產(chǎn)品純度、影響晶型等作用[8-10]。

加入溶液的晶種一方面會在溶液中生長，另一方面，還會誘導(dǎo)初級成核。在有晶種存在的情況下，初級成核的速率會變緩。Saleemi等將濃度控制在介穩(wěn)區(qū)以內(nèi)，使用加晶種的方法來影響成核過程[11]。晶種的表面粗糙度是影響晶體成核和生長的最重要因素之一，有文獻表明，晶體的表面粗糙度越大，成核越容易[12-13]。Ulrich等發(fā)現(xiàn)局部受損的不完整晶體其生長速率大于完整晶體[14]，因為局部受損的晶體有一個更加粗糙的表面，這一觀點與一些被認為是反應(yīng)控制生長的物質(zhì)相吻合，像K2SO4、 KAl(SO4)2·12H2O等。

本研究使用在線技術(shù)研究了3種不同晶種以及超聲波對頭孢噻肟鈉結(jié)晶過程的影響，并通過晶種的表征研究了不同晶種的作用機理。通過使用適當?shù)木ХN，有效地避免了成膠現(xiàn)象，得到了較為滿意的產(chǎn)品。本實驗工作可為優(yōu)化頭孢噻肟鈉的結(jié)晶工藝提供重要依據(jù)。

1　實驗部分

1.1　實驗藥品及試劑

頭孢噻肟酸，華北制藥有限公司，質(zhì)量分數(shù)≥98.5%；醋酸鈉，天津科威有限公司，分析純；去離子水，市售；頭孢噻肟鈉標準品，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2　實驗方法

實驗裝置如圖1所示，在混合溶劑中，將頭孢噻肟酸與醋酸鈉于288.00±0.05 K下進行反應(yīng)得到頭孢噻肟鈉溶液，反應(yīng)結(jié)束時溶液澄清。然后將晶種加入到溶液中，晶種質(zhì)量為溶液中理論頭孢噻肟鈉質(zhì)量的0.5%。養(yǎng)晶2 h后，開始滴加溶析劑。溶析結(jié)晶過程控溫在283.00±0.05 K，攪拌速率為300 r/min。整個結(jié)晶過程將ATR-FTIR探頭(瑞士梅特勒-托利多公司，型號：React IRTM45)和FBRM探頭(瑞士梅特勒-托利多公司，型號：M400LF)插入結(jié)晶器進行監(jiān)測。溶析劑滴加完畢后，過濾，濾餅取少量樣品做粒度分析(英國Malvern Instruments公司，型號：Mastersizer S)后，放在313 K真空條件下干燥。干燥產(chǎn)品稱質(zhì)量用來計算產(chǎn)率，并使用液相色譜(美國Agilent Technologies，型號：Agilent 1260，色譜柱：Venusil MP-C18柱，150×4.6 mm, 5 μm)進行純度分析。測試方法參照美國藥典[15]。

實驗分為4組，如表1所示，實驗D的養(yǎng)晶過程在超聲器(寧波新芝有限公司，型號：SB-5200DTD)中進行，超聲器設(shè)置在40 kHz，300W。晶種A～C的制備過程如下。

圖1　結(jié)晶實驗裝置圖Fig.1　Setup used for crystallization

晶種A：干燥后未經(jīng)任何處理的結(jié)晶產(chǎn)品。

晶種B：將晶種A使用球磨機(德國Retsch公司，型號：Qscillating Mill MM400)在30 Hz下研磨30 h。

晶種C：先將晶種A懸浮在10mL溶析劑中。超聲器設(shè)置在40 kHz，300 W，將此懸浮液放在超聲器中超聲30 h，得到晶種C。

表1　四組不同條件下的頭孢噻肟鈉結(jié)晶實驗Table 1　Four different cases of crystallization experiments of CTX

圖2a)顯示晶種A為粒度很大的聚結(jié)體，聚結(jié)體由大量小粒子相互緊密交織而成。需要注意的是，即便在懸浮液中是分散的晶體，經(jīng)過干燥后也會聚結(jié)。因此考察晶種A對結(jié)晶過程的影響是有代表性的。圖2b)顯示晶種B是分散的小粒子，因為經(jīng)過了球磨機研磨，這些小粒子不完整而且有大量細晶存在。圖2c)中晶種C的SEM圖片說明經(jīng)過超聲波處理后，晶種雖部分破裂，但細晶較少，晶習相對完整。

圖2　不同晶種的掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.2　SEM of different seeds

2　結(jié)果與討論

2.1　不同晶種及超聲波對結(jié)晶產(chǎn)品性質(zhì)的影響

4組實驗得到的晶體產(chǎn)品晶習如圖3所示，均為濕樣的顯微鏡(日本奧林巴斯公司，型號：Olympus BX51)圖片。

圖3　不同產(chǎn)品的顯微鏡圖片F(xiàn)ig.3　Micrographs of different products

從圖3中可以看出產(chǎn)品A聚結(jié)嚴重；產(chǎn)品B為分散的菱形晶體，晶習較為完整；產(chǎn)品C也是聚結(jié)體，但存在許多破碎的細晶；產(chǎn)品D則是非常細小的晶體，尺寸明顯比產(chǎn)品A～C要小。

圖4為晶體粒度分布圖。

圖4　產(chǎn)品A、B、C和D的晶體粒度分布Fig.4　CSDs of products A, B, C and D

從圖4中可明顯看出產(chǎn)品A和產(chǎn)品C粒度分布呈雙峰，這是由實驗過程中的聚結(jié)現(xiàn)象引起。產(chǎn)品B和產(chǎn)品D為單峰。不同產(chǎn)品的主粒度和計算出的C.V.值列在表2中，可以看出，產(chǎn)品B和產(chǎn)品D的C.V.值相近，但產(chǎn)品B比D的主粒度要大。將超聲波應(yīng)用在養(yǎng)晶過程中制備的產(chǎn)品粒度較小，這與超聲波的強烈破碎作用、大量誘導(dǎo)二次成核有關(guān)。聚結(jié)現(xiàn)象導(dǎo)致產(chǎn)品A的主粒度最大，產(chǎn)品C次之。

實驗A～D的產(chǎn)品收率及純度也列在了表2中，數(shù)值為3次平行實驗得到的平均值。產(chǎn)品A和產(chǎn)品C由于聚結(jié)嚴重導(dǎo)致包藏了富含雜質(zhì)的母液，盡管多次用溶劑洗滌，也難以清除干凈，所以純度較低。從表2可以得出的結(jié)論是晶種A和C不宜作為頭孢噻肟鈉結(jié)晶的晶種。

表2　四組實驗產(chǎn)品的主粒度、C.V.值、純度及收率Table 2　Dominant size, C.V., purity and yield of the products of four cases

2.2　不同晶種及超聲波對頭孢噻肟鈉結(jié)晶過程的影響

2.2.1紅外濃度校正模型

采用在線紅外光譜數(shù)據(jù)反映結(jié)晶過程溶液中頭孢噻肟鈉濃度的變化。圖5給出了混合溶劑以及頭孢噻肟鈉溶解在混合溶劑中的紅外圖譜。

通過比較可以發(fā)現(xiàn)在1 040、1 539 和1 774 cm-1處有明顯的吸收峰變化，其中1 774 cm-1處為頭孢

噻肟鈉分子中β-內(nèi)酰胺與雜環(huán)并接產(chǎn)生的特征峰。用1 774 cm-1處吸收峰值校正頭孢噻肟鈉濃度的誤差最小，所以選擇此處吸收值來校正頭孢噻肟鈉的濃度。

擬合結(jié)果證明，冪函數(shù)方程最適合作為校正模型[16]，見式(1)。

A=(3.2563×10-4W+3.9570×10-3)C(6.4700×10-3W+2.2555×10-1)

R2=0.985

(1)

式(1)中，A是1 774 cm-1處的吸收值，C是頭孢噻肟鈉濃度，W是混合溶劑中溶析劑的質(zhì)量分數(shù)，過飽和度用式(2)計算：

ΔC=C-C*

(2)

其中C*是頭孢噻肟鈉的溶解度[17]。

2.2.2結(jié)晶過程分析

圖6是添加不同晶種及使用超聲波時CTX溶析結(jié)晶的在線監(jiān)測信息。

圖6　結(jié)晶過程濃度，過飽和度，總粒子數(shù)和小粒子數(shù)(<10 μm)的變化Fig.6　Change of concentration, supersaturation, total counts and counts <10 μm during the crystallization process

對于實驗A[圖6a)]，養(yǎng)晶期間，小粒子數(shù)(<10 μm)和總粒子數(shù)都在逐漸增加。2 h養(yǎng)晶結(jié)束時，小粒子數(shù)、總粒子數(shù)分別是8 109和17 213#/s，二者之比為0.47，過飽和度由初始10.56×10-2g/g溶液降低到8.85×10-2g/g溶液，降低了1.71×10-2g/g 溶液。此后，開始滴加溶析劑。滴加30 min以后，F(xiàn)BRM粒子數(shù)曲線陡然下降，此時肉眼可見凝膠出現(xiàn)，產(chǎn)生的凝膠黏附在結(jié)晶器壁上。此后的溶析過程中，雖然溶液過飽和度一直在減小，但析出的小粒子黏附凝膠上，所以FBRM粒子數(shù)曲線沒有顯著上升。直到進程為9 h左右，黏附在結(jié)晶器壁上的部分凝膠從器壁脫落，進入主體溶液后被破碎，小粒子和總粒子數(shù)才有些許增加。

對于實驗B[圖6b)]，養(yǎng)晶期間，粒子總數(shù)和小粒子數(shù)大量增加，養(yǎng)晶結(jié)束后，小粒子數(shù)和總粒子數(shù)分別為35 799和48 420 #/s，二者之比為0.74，這說明小粒子個數(shù)的增長對總粒子的增加貢獻最大?？偭Ｗ訑?shù)、小粒子所占比例，都顯著高于實驗A。從表3中可看出粒子數(shù)在增長，又由于過飽和度在顯著消耗，這表明養(yǎng)晶過程中晶種B有效的誘導(dǎo)了成核。養(yǎng)晶期間，過飽和度降低了5.02×10-2g/g，降幅顯著大于實驗A。養(yǎng)晶結(jié)束后，開始滴加溶析劑，CTX過飽和度繼續(xù)降低，粒子數(shù)繼續(xù)不斷增多。表面看上去粒子數(shù)增加速率似乎變小了，其實是由于溶析劑加入后的稀釋作用導(dǎo)致了晶漿濃度降低。加入晶種B的溶析過程沒有發(fā)生膠凝，結(jié)晶過程得到控制。從表3數(shù)據(jù)來看，各區(qū)間粒子數(shù)都在增大，這說明在養(yǎng)晶期間晶種B有效的促進了成核和生長，使CTX不斷從溶液中析出。

表3為實驗B養(yǎng)晶期間粒子數(shù)變化情況。

表3　實驗B養(yǎng)晶過程粒子數(shù)變化Table 3　Change of counts number in breeding of case B

實驗C與實驗A的過程曲線有些類似，溶析階段開始約1 h后，出現(xiàn)了膠凝現(xiàn)象。在滴加溶析劑約4 h的時候，又開始出現(xiàn)晶體，這同樣是由凝膠破碎造成的。值得注意的是，養(yǎng)晶結(jié)束后粒子總數(shù)和小粒子數(shù)分別是實驗A的2倍和3倍，但是他們消耗的過飽和度基本相同，這說明晶種C與A相比，還是在一定程度上減輕了凝膠現(xiàn)象的發(fā)生。

實驗D在養(yǎng)晶階段使用了超聲波，養(yǎng)晶階段前1.5 h粒子數(shù)持續(xù)上升而過飽和度幾乎保持不變，這說明此段時間超聲波的主要作用是破碎聚結(jié)的晶種。在1.5到2.0 h之間，粒子數(shù)增加的同時消耗了相當一部分過飽和度，說明經(jīng)超聲波作用一段時間后，二次成核和生長開始進行。養(yǎng)晶結(jié)束后，總粒子數(shù)和小粒子數(shù)分別比實驗B多2 508和3 197 #/s，但過飽和度消耗較實驗B少了3.71×10-2g/g溶液。養(yǎng)晶結(jié)束后，隨著溶析劑的滴加，溶液中繼續(xù)析出晶體，過飽和度持續(xù)降低。從圖6d)可以看出，實驗約3.5 h以后粒子數(shù)曲線先下降又上升，很可能是晶體聚結(jié)后又被超聲波破碎。此外，從圖6中過飽和度變化值可以看出，4組實驗理論析出的晶體應(yīng)該相差不多，但從表2中收率來看并非如此，這是實驗A和C過程中析出的膠體黏附在結(jié)晶器上造成的收率損失。

2.3　晶種誘導(dǎo)頭孢噻肟鈉結(jié)晶機理

在頭孢噻肟鈉的結(jié)晶過程中，過飽和度達到一定值才能發(fā)生初級成核，初級核尺寸非常小，屬膠體粒子范疇，他們相互聚集、纏繞形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凝膠。文獻中提到結(jié)晶更容易發(fā)生在一些“優(yōu)先位點”上[18]，例如相界面、結(jié)晶器壁等。加入晶種后則為二次成核和晶體生長提供了“位點”，減少初級成核，進而避免成膠現(xiàn)象的發(fā)生。

如果將晶種近似考慮成球形，那么晶種的比表面積可用式(3)計算：

(3)

其中，n為粒度分析儀中的粒度通道個數(shù)；ρ為頭孢噻肟鈉的密度；Pi是特定半徑下粒子體積分數(shù)；si和νi是具有相同半徑粒子的表面積和體積。由式(3)計算出晶種A和晶種B的比表面積分別為0.61和 0.95 m2/g。這一結(jié)果表明晶種經(jīng)研磨后具有更大的比表面積，這對成核和晶體生長是有益的。圖7為高倍放大的晶種掃描電鏡圖片，從圖7中可以清晰地看到晶種A晶習完整，表面更加光滑。晶種B比晶種A的表面粗糙，所以晶種B具有更低的成核能壘，從而能更好的誘導(dǎo)頭孢噻肟鈉從溶液中析出。

圖7　不同晶種的高倍放大掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.7　Magnified SEMs for surface of different seeds

3　結(jié)論

晶種的使用在控制結(jié)晶過程中起到舉足輕重的作用。本研究采用PAT監(jiān)測了添加3種晶種及超聲波作用下的CTX結(jié)晶過程，并運用校準模型將紅外吸收值轉(zhuǎn)化為濃度，詳細的分析了不同晶種及超聲波在結(jié)晶過程中所起的作用。研究表明，研磨的晶種表面粗糙，降低了CTX的成核能壘，從而有效消耗過飽和度、促進CTX結(jié)晶。只使用超聲波處理晶種雖然可以破碎晶種，但不能改變晶種本身的表面性質(zhì)；將超聲波應(yīng)用于整個養(yǎng)晶階段可起到破碎晶種、促進二次成核的作用。未處理的晶種由于比表面積小，表面光滑，很難為CTX的析出提供“位點”，因而導(dǎo)致膠凝現(xiàn)象。結(jié)晶過程使用研磨晶種或在養(yǎng)晶階段使用超聲波都可有效避免頭孢噻肟鈉的膠凝。本研究結(jié)果可為優(yōu)化頭孢噻肟鈉的結(jié)晶工藝提供重要依據(jù)。

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