質(zhì)量源于設(shè)計(jì)在銀杏葉片制粒工藝中的應(yīng)用（Ⅲ）：基于設(shè)計(jì)空間的過程控制策略

崔向龍+徐冰+孫飛+戴勝云+史新元+++喬延江

[摘要]該文在質(zhì)量源于設(shè)計(jì)（QbD）理念的指導(dǎo)下，建立基于設(shè)計(jì)空間的銀杏葉片高速剪切濕法制粒工藝控制策略，提高過程質(zhì)量可控性和產(chǎn)品質(zhì)量一致性。以顆粒中間體的中值粒徑（D50）和松裝密度（Da）為關(guān)鍵質(zhì)量屬性（CQAs），采用失敗模式和效應(yīng)分析（FMEA）辨識(shí)潛在關(guān)鍵工藝參數(shù)（pCPPs）。采用PlackettBurmann設(shè)計(jì)對(duì)潛在關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行篩選，確定黏合劑用量、濕混時(shí)間和濕混攪拌槳轉(zhuǎn)速為關(guān)鍵工藝參數(shù)（CPPs）。在關(guān)鍵工藝參數(shù)范圍內(nèi)，采用BoxBehnken設(shè)計(jì)和二次多項(xiàng)式回歸模型開發(fā)工藝設(shè)計(jì)空間。ANOVA分析顯示回歸模型的P<005，且失擬值>01，表明其可較好地定量描述CQAs和CPPs之間的關(guān)系。設(shè)計(jì)空間內(nèi)任一CPPs組合均能分別將顆粒D50和Da控制在170～500 μm和030～044 g·cm-3，進(jìn)而滿足銀杏葉片機(jī)械性質(zhì)要求。

[關(guān)鍵詞]高速剪切濕法制粒； 設(shè)計(jì)空間； 質(zhì)量可控性； 關(guān)鍵工藝參數(shù)； 質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)管理

[Abstract]In this paper， under the guidance of quality by design （QbD） concept， the control strategy of the high shear wet granulation process of the ginkgo leaf tablet based on the design space was established to improve the process controllability and product quality consistency The median granule size （D50） and bulk density （Da） of granules were identified as critical quality attributes （CQAs） and potential critical process parameters （pCPPs） were determined by the failure modes and effect analysis （FMEA） The PlackeetBurmann experimental design was used to screen pCPPs and the results demonstrated that the binder amount， the wet massing time and the wet mixing impeller speed were critical process parameters （CPPs） The design space of the high shear wet granulation process was developed within pCPPs range based on the BoxBehnken design and quadratic polynomial regression models ANOVA analysis showed that the Pvalues of model were less than 005 and the values of lack of fit test were more than 01， indicating that the relationship between CQAs and CPPs could be well described by the mathematical models D50 could be controlled within 170 to 500 μm， and the bulk density could be controlled within 030 to 044 g·cm-3 by using any CPPs combination within the scope of design space Besides， granules produced by process parameters within the design space region could also meet the requirement of tensile strength of the ginkgo leaf tablet

[Key words]high shear wet granulation； design space； quality controllability； critical process parameter； quality risk management

設(shè)計(jì)空間（design space，DS）是質(zhì)量源于設(shè)計(jì)（quality by design，QbD）方法體系[1]的核心步驟之一[2]，ICH Q8（R2）中定義設(shè)計(jì)空間為：“能夠保證產(chǎn)品質(zhì)量符合要求的輸入變量（如原料質(zhì)量屬性）和工藝參數(shù)的多維組合和相互作用”[3]。當(dāng)制藥過程呈現(xiàn)“黑盒”、“灰盒”、“白盒”特征時(shí)，可分別采用統(tǒng)計(jì)模型、半機(jī)制半統(tǒng)計(jì)模型、機(jī)制模型描述過程“輸入輸出”之間的關(guān)系。其中過程輸入包括關(guān)鍵物料屬性（critical material attributes，CMAs）和關(guān)鍵工藝參數(shù)（critical process parameter，CPPs），過程輸出即關(guān)鍵質(zhì)量屬性（critical quality attributes，CQAs）。設(shè)計(jì)空間建立在過程模型基礎(chǔ)之上，代表了對(duì)制藥工藝詳細(xì)和透徹理解。在設(shè)計(jì)空間內(nèi)優(yōu)化或改變關(guān)鍵工藝參數(shù)不屬于工藝變更，設(shè)計(jì)空間可賦予生產(chǎn)操作極大的靈活性和過程穩(wěn)健性。目前設(shè)計(jì)空間已應(yīng)用于提取[4]、干燥[5]、混合[6]、制粒[7]、壓片[8]、包衣[9]等工藝過程。

高速剪切濕法制粒過程機(jī)制復(fù)雜、影響因素眾多[10]。粉末原料的理化性質(zhì)和裝填量，黏合劑的種類、用量、加入方式和加入速度，攪拌槳轉(zhuǎn)速、切割刀轉(zhuǎn)速和制粒時(shí)間等過程參數(shù)，均會(huì)對(duì)顆粒質(zhì)量產(chǎn)生影響。顆粒形成過程伴隨3個(gè)階段，即潤濕與成核階段、成長與致密化階段、磨損與破碎階段[11]，不同階段顆粒性質(zhì)受到過程輸入影響顯著。粒子成核階段物料性質(zhì)和工藝參數(shù)不同，黏合劑和制粒粉末之間熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)競爭速率不同，進(jìn)而形成顆粒性質(zhì)差異。此外，在粒子聚合成長階段，攪拌槳轉(zhuǎn)速和制粒時(shí)間等參數(shù)均會(huì)影響顆粒碰撞初期動(dòng)能和碰撞中的能量消耗。本文以銀杏葉片高速剪切濕法制粒過程為載體，在前期辨識(shí)的顆粒關(guān)鍵質(zhì)量屬性基礎(chǔ)上[12]，采用風(fēng)險(xiǎn)管理工具和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法研究關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)關(guān)鍵質(zhì)量屬性的影響，基于統(tǒng)計(jì)模型開發(fā)工藝設(shè)計(jì)空間，并建立基于設(shè)計(jì)空間的工藝控制策略，提升銀杏葉顆粒中間體的質(zhì)量可控性。

1材料

銀杏葉提取物（南京植百萃生物科技有限公司，批號(hào)ZC151103009），微晶纖維素PH101（上海昌為醫(yī)藥輔料技術(shù)有限公司，批號(hào)P0101F1510），低取代羥丙基纖維素（日本信越化學(xué)工業(yè)株氏會(huì)社，批號(hào)4081309），羧甲基淀粉鈉（臺(tái)灣永日化學(xué)工業(yè)股份有限公司，批號(hào)SSG0014065），氫氧化鋁（石家莊五岳制藥廠，批號(hào)15120101），硬脂酸鎂（國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，批號(hào)20121010），無水乙醇（北京化工廠，批號(hào)20160302）。

高速剪切濕法制粒機(jī)（SHK4A，西安潤天制藥機(jī)械有限公司），旋轉(zhuǎn)壓片機(jī)（ZP10，上海信源制藥機(jī)械有限公司），三維混合機(jī)（ZNW10，北京興時(shí)利和科技發(fā)展有限公司），振蕩篩（ZNS300，北京興時(shí)利和科技發(fā)展有限公司），干法圖像粒度粒形分析儀（BT2900，丹東百特儀器有限公司），厚度計(jì)（547401，日本Mitutoyo公司），片劑硬度測試儀（YDII，天津精拓儀器有限公司）。

2方法

21顆粒制備工藝銀杏葉片處方組成見表1。將銀杏葉提取物和內(nèi)加輔料共186 g置于內(nèi)徑190 mm，深165 mm的不銹鋼制粒鍋內(nèi)。制粒鍋內(nèi)部的三葉攪拌槳位于制粒鍋的中心，每個(gè)葉片的傾斜角度約為15°，切割刀位于制粒鍋側(cè)壁上，刀片轉(zhuǎn)速通過電機(jī)控制。開啟攪拌槳進(jìn)行預(yù)混，保持?jǐn)嚢铇D(zhuǎn)速不變，通過噴霧裝置將40%乙醇以霧滴形式加入制粒鍋內(nèi)。黏合劑加入后，開啟側(cè)壁的切割刀，并調(diào)整攪拌槳和切割刀的轉(zhuǎn)速，進(jìn)行濕混與制粒。制粒過程結(jié)束，將制得的濕顆粒以60 ℃鼓風(fēng)干燥3 h備用。干燥完成后的粗顆粒置于振蕩篩中整粒，并將粗顆粒分為3級(jí)。無法通過1號(hào)篩的部分稱為團(tuán)塊；2，5號(hào)篩之間的部分稱為顆粒；通過5號(hào)篩的部分稱為細(xì)粉。

組成1比例/%1輔料加入方式銀杏葉提取物1287微晶纖維素1581內(nèi)加低取代羥丙基纖維素1631內(nèi)加硬脂酸鎂111外加羧甲基淀粉鈉131外加氫氧化鋁131外加22顆粒關(guān)鍵質(zhì)量屬性表征根據(jù)前期研究選取顆粒的粒徑（中值粒徑D50）和密度（松裝密度Da）作為關(guān)鍵質(zhì)量屬性（CQAs），并進(jìn)行測定。使用干法圖像粒度粒形分析系統(tǒng)在顆粒自由下落過程中隨機(jī)拍攝通過鏡頭的顆粒圖像，并自動(dòng)判斷和提取顆粒的粒度粒形信息。D50代表顆粒的中值粒徑。取潔凈、干燥的100 mL量筒，將50 g待測顆粒緩慢地加入到量筒中，輕輕抹平表面，讀取待測顆粒的體積（Va）。

23PlackettBurmann設(shè)計(jì)高速剪切濕法制粒過程的潛在關(guān)鍵工藝參數(shù)（potential critical process parameters，pCPPs）包括干混時(shí)間、干混攪拌槳轉(zhuǎn)速、噴霧壓力、黏合劑用量、濕混時(shí)間、濕混攪拌槳轉(zhuǎn)速和切割刀轉(zhuǎn)速。采用PlackettBurmann（PB）設(shè)計(jì)從pCPPs篩選對(duì)顆粒性質(zhì)影響最為顯著的過程參數(shù)作為關(guān)鍵工藝參數(shù)。采用SASJMP（version70，美國SAS公司）軟件將7個(gè)pCPPs納入PB設(shè)計(jì)中，因素水平見表2。

自變量和因變量之間的量化關(guān)系以多元線性回歸方程表示如下。

Y=β0+β1X1+β2X2+β3X3+β4X4+β5X5+β6X6+β7X7 （1）

其中，Y代表因變量，β0是常數(shù)項(xiàng)，β1～β7為相應(yīng)自變量的系數(shù)。

24BoxBehnken設(shè)計(jì)在篩選設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，確定黏合劑用量、濕混時(shí)間和濕混攪拌槳轉(zhuǎn)速作為關(guān)鍵工藝參數(shù)，采用BoxBehnken設(shè)計(jì)進(jìn)行工藝的優(yōu)化，分析各因素及其交互作用對(duì)CQAs的影響，因素水平見表3。

根據(jù)結(jié)果，采用Design Expert（version80，美國StatEase公司）軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)、建模和數(shù)據(jù)分析，得到二次多項(xiàng)式模型如下。

Y=Z0+Z1X4+Z2X5+Z3X6+Z4X4X5+Z5X4X6+Z6X5X6+Z7X42+Z8X52+Z9X62 （2）

3結(jié)果與討論

31高速剪切濕法制粒過程影響因素分析高速剪切濕法制粒過程影響因素主要來自處方、過程、方法、和環(huán)境等方面，在眾多因素中識(shí)別pCPPs并嚴(yán)格監(jiān)測和控制是QbD質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)管理（quality risk management，QRM）應(yīng)用的體現(xiàn)[13]。高速剪切濕法制粒過程參數(shù)風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)采用魚骨圖定性描述，見圖1。

為了確保產(chǎn)品質(zhì)量和風(fēng)險(xiǎn)控制，在風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)的基礎(chǔ)上采用失效模式及效應(yīng)分析（failure modes and effect analysis，F(xiàn)MEA）的方法對(duì)影響產(chǎn)品質(zhì)量的眾多因素進(jìn)行篩選。風(fēng)險(xiǎn)大小由風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（risk priority number，RPN）表示，其計(jì)算公式為。

RPN=S×O×D（3）

其中S，O，D分別代表了嚴(yán)重度（severity）、頻度（occurrence）和檢出度（detection）[14]。根據(jù)RPN可確定工藝影響因素風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，從而確定pCPPs。所有物料屬性和工藝參數(shù)對(duì)CQAs存在潛在影響的均可納入風(fēng)險(xiǎn)分析的一部分，但工藝開發(fā)研究需綜合考慮實(shí)際銀杏葉片處方體系特點(diǎn)和過程參數(shù)的可控性。將魚骨圖中部分參數(shù)納入FMEA分析中，其RPN得分見圖2。將過程參數(shù)依照RPN得分小到大排序，計(jì)算累積RPN比例，以“20/80法則”確定閾值，由圖2判定累積RPN比例大于80%的工藝參數(shù)包括濕混時(shí)間、濕混攪拌槳/切割刀轉(zhuǎn)速、黏合劑用量、噴霧壓力、干混攪拌槳轉(zhuǎn)速、干混時(shí)間為pCPPs，將其納入PB設(shè)計(jì)中。

32篩選設(shè)計(jì)PB設(shè)計(jì)結(jié)果見表4，中值粒徑D50和松裝密度Da的回歸模型如下。

D50=8910-9905X1-9705X2-8789X3+1162X4+1062X5+3707X6+9820X7（4）

納入FMEA分析。

上述兩方程的決定系數(shù)分別為0971 6和0973 5，表明響應(yīng)值D50和松裝密度的實(shí)際值與預(yù)測值之間擬合度良好。由模型的方差分析繪制Pareto圖，見圖3，并分析各因素對(duì)響應(yīng)值的影響，確定關(guān)鍵工藝參數(shù)（P<005的因素）。由ANOVA分析刻畫的Pareto圖可知D50主要受黏合劑用量、濕混時(shí)間和濕混攪拌槳轉(zhuǎn)速影響。松裝密度主要受濕混時(shí)間和濕混攪拌槳轉(zhuǎn)速的影響。綜合考慮選取黏合劑用量、濕混時(shí)間和濕混攪拌槳轉(zhuǎn)速為關(guān)鍵工藝參數(shù)。

33優(yōu)化設(shè)計(jì)基于PB設(shè)計(jì)的結(jié)果，采用BoxBehnken設(shè)計(jì)對(duì)黏合劑用量、濕混時(shí)間和濕混攪拌槳轉(zhuǎn)速進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，結(jié)果見表5。中值粒徑D50和松裝密度Da的二次多項(xiàng)式回歸模型如下。

模型決定系數(shù)及校正和預(yù)測R2均符合要求。模型的P顯著（P<005），而失擬值不顯著（P>01），表明所建模型有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，可較好解釋各因素間交互作用。模型的信噪比S/N>4，表明模型預(yù)測精密度良好，可開發(fā)過程設(shè)計(jì)空間。響應(yīng)值隨工藝參數(shù)變化的等值線圖見圖4。對(duì)于顆粒的中值粒徑D50，黏合劑用量、濕混時(shí)間和濕混攪拌槳轉(zhuǎn)速均會(huì)對(duì)D50影響顯著（P<005），且存在自身交互作用X52增加了數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜性。黏合劑增加，在低飽和體系下液滴聚集在粒子間促進(jìn)聯(lián)合，形成毛細(xì)管和索帶等液體架橋使得核穩(wěn)定成長。同時(shí)顆粒的成長依賴于粒子碰撞初期的動(dòng)能，增加濕混時(shí)間和攪拌槳轉(zhuǎn)速誘導(dǎo)顆粒塑性形變的同時(shí)增加了互相接觸的面積和機(jī)率，促進(jìn)粒度的增加。顆粒的松裝密度Da受黏合劑用量、濕混時(shí)間和濕混攪拌槳轉(zhuǎn)速和參數(shù)交互作用（X52和X62）影響顯著（P<005）。增加濕混時(shí)間和攪拌槳轉(zhuǎn)速使得粒子承受高剪切應(yīng)力，顆?？障堵试黾樱w粒規(guī)則排列的接觸點(diǎn)數(shù)減少，松裝密度增加。同時(shí)，黏合劑用量對(duì)顆粒的粒度和粒形影響顯著[15]，從而對(duì)自重小，附著、聚結(jié)作用強(qiáng)的顆粒的堆積性能產(chǎn)生影響。

34設(shè)計(jì)空間建立為保證銀杏葉片抗張強(qiáng)度，銀杏葉顆粒CQAs的限度范圍為170 μm

顆粒限度目標(biāo)的工藝參數(shù)組合。暗黃色區(qū)域?yàn)轱L(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，在此空間內(nèi)的點(diǎn)的估計(jì)值有10%概率無法滿足預(yù)設(shè)目標(biāo)。

35過程控制策略在設(shè)計(jì)空間（亮黃色區(qū)域）內(nèi)隨機(jī)選取工藝驗(yàn)證點(diǎn)，驗(yàn)證所建過程模型的預(yù)測能力。3個(gè)新驗(yàn)證點(diǎn)測試結(jié)果見表6，模型的預(yù)測值與實(shí)測值相近，制得的顆粒性質(zhì)始終維持在顆粒CQAs限度范圍，且由顆粒制備的銀杏葉片抗拉強(qiáng)度亦滿足預(yù)先設(shè)定的限度范圍要求。上述結(jié)果表明所建高速剪切濕法制粒工藝設(shè)計(jì)空間的有效性。在銀杏葉片制備過程中，采用質(zhì)量源于設(shè)計(jì)的方法辨識(shí)各步工序關(guān)鍵控制點(diǎn)并施加調(diào)控措施，有利于把握質(zhì)量傳遞規(guī)律方向，提高產(chǎn)品質(zhì)量一致性。

4結(jié)論

本研究以銀杏葉顆粒中間體為控制對(duì)象，采用風(fēng)險(xiǎn)分析辨識(shí)過程高風(fēng)險(xiǎn)因素，并結(jié)合PB設(shè)計(jì)確定關(guān)鍵工藝參數(shù)，運(yùn)用BoxBehnken設(shè)計(jì)量化考察關(guān)鍵工藝參數(shù)和關(guān)鍵質(zhì)量屬性之間關(guān)系，建立統(tǒng)計(jì)

黏合劑用量為40 mL；亮黃色區(qū)域優(yōu)化后的設(shè)計(jì)空間；暗黃色區(qū)域.風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。

模型并開發(fā)工藝設(shè)計(jì)空間。結(jié)果表明基于設(shè)計(jì)空間的工藝控制策略可提高產(chǎn)品質(zhì)量可控性。

應(yīng)當(dāng)指出的是，本文所建設(shè)計(jì)空間為實(shí)驗(yàn)室規(guī)模開發(fā)，高速剪切濕法制粒工藝設(shè)計(jì)空間的有效性需要在中試規(guī)模和生產(chǎn)規(guī)模繼續(xù)驗(yàn)證，必要時(shí)可重新調(diào)整過程模型和設(shè)計(jì)空間。只有生產(chǎn)規(guī)模建立并經(jīng)過驗(yàn)證可行的設(shè)計(jì)空間，才能在生產(chǎn)操作中應(yīng)用。

應(yīng)樹立藥品質(zhì)量生命周期管理的理念，將質(zhì)量源于設(shè)計(jì)思想貫穿在藥品研發(fā)、試制、生產(chǎn)的過程中。在藥品的整個(gè)生命周期中，開展持續(xù)質(zhì)量改進(jìn)和知識(shí)管理，不斷加強(qiáng)對(duì)藥品質(zhì)量的理解。在不同的階段，可根據(jù)工藝?yán)斫獾奶岣卟粩嗤晟乒に囋O(shè)計(jì)空間，確保過程穩(wěn)健性和產(chǎn)品質(zhì)量一致性。

[參考文獻(xiàn)]

[1]徐冰，史新元，吳志生， 等論中藥質(zhì)量源于設(shè)計(jì)[J]中國中藥雜志， 2017， 42（6）：1015

[2]徐冰， 史新元， 喬延江， 等 中藥制劑生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)空間的建立[J] 中國中藥雜志， 2013， 38（6）： 924

[3]International Conference on Harmonization of Technical Requirements for Registration of Pharmaceuticals for Human Use （ICH） Pharmaceutical development Q8（R2） [EB/OL] [20161228] http：//wwwichorg/fileadmin/Public_Web_Site/ICH_Products/Guidelines/Quality/Q8_R1/Step4/Q8_R2_Guidelinepdf

[4]Xu B， Luo G， Lin Z， et alEndpoint detection of the alcohol adding process in alcohol precipitation of Lonicerae Japonicae based on design space and process analytical technology [J] Chem J Chin Univ， 2013， 34： 2284

[5]Kumar S， Gokhale R， Burgess D J Quality by design approach to spray drying processing of crystalline nanosuspensions [J] Int J Pharm， 2014， 464（1）： 234

[6]Lin Y， Li W， Xu J， et alDevelopment of a NIRbased blend uniformity method for a drug product containing multiple structurally similar actives by using the quality by design principles [J] Int J Pharm， 2015， 488（1）： 120

[7]KayrakTalay D， Dale S， Wassgren C，et alQuality by design for wet granulation in pharmaceutical processing： assessingmodels for a priori design and scaling [J] Powder Technol，2013， 240： 7

[8]Tho I， BauerBrandl A Quality by design （QbD） approaches for the compression step of tableting[J] Expert Opin Drug Deliv， 2011， 8（12）： 1631

[9]Agrawal A M， Pandey PScale up of pan coating process using quality by design [J] J Pharm Sci， 2015， 104（11）： 3589

[10]羅贛， 徐冰， 孫飛， 等 基于QbD理念的微晶纖維素高速剪切濕法制粒過程實(shí)驗(yàn)研究[J] 藥學(xué)學(xué)報(bào)， 2015， 50（3）： 355

[11]Kano T， Yoshihashi Y， Yonemochi E，et al Clarifying the mechanism of aggregation of particles in highshear granulation based on their surface properties by using microspectroscopy [J] Int J Pharm， 2014， 461： 495

[12]徐冰， 崔向龍， 楊嬋， 等 質(zhì)量源于設(shè)計(jì)在銀杏葉片制粒工藝中的應(yīng)用（Ⅱ）：顆粒關(guān)鍵質(zhì)量屬性辨識(shí)[J] 中國中藥雜志， 2017，42（6）：1043

[13]International Conference on Harmonization of Technical Requirements for Registration of Pharmaceuticals for Human Use （ICH） Quality risk management Q9 [EB/OL] [20161228] http：//wwwichorg/fileadmin/Public_Web_Site/ICH_Products/Guidelines/Quality/Q9/Step4/Q9_Guidelinepdf

[14]Barends D M， Oldenhof M T， Vredenbregt M J，et al Risk analysis of analytical validations by probabilistic modification of FMEA [J] J Pharm Biomed Anal， 2012， 64： 82

[15]廖正根， 李哲， 明良山， 等 高速攪拌濕法制備穿心蓮顆粒過程中潤濕劑的動(dòng)態(tài)分布規(guī)律[J] 中草藥， 2014， 45（16）： 2321

[責(zé)任編輯孔晶晶]