過程分析技術(shù)（PAT）及其在原料藥結(jié)晶過程的應(yīng)用與展望

王春山，王宇

（安徽易文賽生物技術(shù)有限公司，安徽 合肥 230061）

在藥品領(lǐng)域，原料藥晶型影響固體制劑溶出，進(jìn)而影響藥理和藥效，是影響藥品質(zhì)量的關(guān)鍵屬性[1]。因此，對于原料藥結(jié)晶過程的有效控制是保障藥物質(zhì)量和安全的重要前提。過程分析技術(shù)（Process Analytical Technology，PAT）概念最早在2004 年由美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）提出。PAT旨在運(yùn)用一種科學(xué)的、系統(tǒng)的方法來改善藥品質(zhì)量，降低與質(zhì)量有關(guān)的過程風(fēng)險。過程中通過實(shí)時監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析并通過關(guān)鍵物料和參數(shù)的調(diào)控來確保目標(biāo)產(chǎn)品的質(zhì)量，從而達(dá)到工藝過程的可控性和可靠性[2-4]。

傳統(tǒng)原料藥間歇式結(jié)晶方式，無法避免因生產(chǎn)過程中各種擾動因素（操作失誤、設(shè)備故障等）對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，從而導(dǎo)致原料藥純度、晶型、粒徑等批次間有差異。近年來過程分析技術(shù)已取得了顯著進(jìn)步，在原料藥結(jié)晶過程控制領(lǐng)域，系列先進(jìn)的PAT工具有力地輔助了相關(guān)人員對于結(jié)晶的過程研究?；赑AT 的結(jié)晶過程監(jiān)控原位、實(shí)時、高效、精準(zhǔn)的特點(diǎn)，其必將在原料藥結(jié)晶生產(chǎn)中得到更加充分的應(yīng)用和推廣。

1 過程分析技術(shù)（PAT）

PAT是指在生產(chǎn)過程中通過實(shí)時的精準(zhǔn)測量、數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)處理、反饋控制以實(shí)現(xiàn)過程開發(fā)、優(yōu)化、設(shè)計、分析和調(diào)控的集成分析測量系統(tǒng)技術(shù)[5]。

當(dāng)前在國家倡導(dǎo)“智能制造”的大背景下，制藥行業(yè)也從傳統(tǒng)的人工決策控制向更先進(jìn)的過程控制轉(zhuǎn)變。工藝過程中集成先進(jìn)的PAT工具，輔助以模型預(yù)測控制（MPC）系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)過程自動化控制。MPC 概念包括線性過程模型與PAT在線監(jiān)測系統(tǒng)的組合，基于適當(dāng)?shù)目刂撇呗訹6]（模型控制和非模型控制）以執(zhí)行既定的結(jié)果輸出。圖1 是典型基于PAT 的閉環(huán)循環(huán)架構(gòu)過程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過前饋/反饋或閉環(huán)控制可動態(tài)實(shí)現(xiàn)調(diào)整關(guān)鍵工藝參數(shù)（CPP）和關(guān)鍵質(zhì)量屬性（CQA）始終在預(yù)設(shè)可控的范圍內(nèi)。

圖1 典型PAT 過程控制前饋/反饋系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of a typical PAT process control feedforward/feedback system

1.1 PAT監(jiān)測類型

基于傳感器安裝位置和測量原理的不同，PAT在線檢測概括起來主要有三種類型[7]：①近線檢測（atline）；②在線檢測（on-line）；③線內(nèi)檢測（in-line）。傳統(tǒng)檢測方式主要是離線檢測（off-line）。為了便于理解四種類型的差異，見圖2。

圖2 PAT檢測四種類型示意圖Fig.2 Diagram of four types of PAT detection

通過表1對比分析可以看出，on-line和in-line兩種形式能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確監(jiān)控過程參數(shù)，并且在此基礎(chǔ)上滿足及時干預(yù)調(diào)控的要求，是目前PAT 應(yīng)用最普遍的兩種監(jiān)控形式。

表1 四種檢測方式的優(yōu)缺點(diǎn)比較Tab.1 Comparison of advantages and disadvantages of four detection methods

1.2 PAT監(jiān)測工具

PAT 監(jiān)測工具通過與相應(yīng)的計算機(jī)系統(tǒng)連接，在獲得被監(jiān)測（或檢測）物質(zhì)或過程的結(jié)構(gòu)性質(zhì)、量化信息及過程關(guān)鍵參數(shù)后，在線即時經(jīng)過反饋-分析-輸出，達(dá)到系統(tǒng)優(yōu)化和過程控制的目的。表2 所示是目前應(yīng)用于原料藥結(jié)晶過程監(jiān)控的主要PAT技術(shù)。

表2 結(jié)晶過程PAT類型、應(yīng)用與特點(diǎn)Tab.2 PAT Types，applications and characteristics in crystallization process

上述PAT工具可根據(jù)實(shí)際需求組合應(yīng)用。同時，隨著光譜及測量技術(shù)的進(jìn)步，越來越先進(jìn)的PAT工具在實(shí)驗(yàn)室研究和工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著越來越重要的作用。

2 基于PAT的結(jié)晶過程應(yīng)用

PAT 用于在線監(jiān)控結(jié)晶過程可分為三大類：第一類，基于結(jié)晶溶液濃度信息的PAT，目前應(yīng)用最為廣泛的是衰減全反射模式光譜技術(shù)，ATR-FTIR 和ATRUV/Vis；第二類，基于晶體固相信息的PAT技術(shù)，如拉曼光譜（RS）、近紅外光譜（NIR）等；第三類，其他類，如粒子圖像測量（PVM）、聚焦光束反射測量（FBRM）等。上述PAT在線監(jiān)測技術(shù)目前已較為成熟，在原料藥結(jié)晶領(lǐng)域的研究與應(yīng)用也有廣泛報道[8-9]。

2.1 基于結(jié)晶溶液濃度信息的PAT

過飽和度是溶液中晶體成核、生長的基本推動力，也是決定晶型、顆粒分布的關(guān)鍵因素。近年來，PAT 應(yīng)用于結(jié)晶過程過飽和度表征有了長足的進(jìn)步，其中，ATR-FTIR和ATR-UV/Vis 為代表的技術(shù)已成為主要手段[10]。

2.1.1 衰減全反射傅里葉變換紅外光譜（ATR-FTIR）技術(shù)

ATR-FTIR 是通過檢測樣品吸收光學(xué)致密晶體反射出的紅外衰減波所產(chǎn)生的信號，然后將該信號轉(zhuǎn)化為紅外光譜信號，最終實(shí)現(xiàn)樣品表層結(jié)構(gòu)信息的表征[11]。ATR-FTIR主要有以下優(yōu)勢：①與普通紅外光譜相比，ATR-FTIR制樣簡單，幾乎無需對樣品進(jìn)行任何處理；②檢測速度快，靈敏度高，檢測點(diǎn)可達(dá)數(shù)微米；③可實(shí)現(xiàn)實(shí)時跟蹤和原位測量；④環(huán)境友好，污染小。這些優(yōu)勢使得ATR-FTIR技術(shù)在結(jié)晶過程過飽和度的表征研究中頗受歡迎。

Zhang 等[12]利用ATR-FTIR 采集了L-谷氨酸冷卻結(jié)晶過程中的亞穩(wěn)態(tài)區(qū)（MSZ）與欠飽和區(qū)（USZ）的紅外光譜，運(yùn)用偏最小二乘算法分別建立MSZ光譜區(qū)、USZ 光譜區(qū)和MSZ-USZ 光譜區(qū)的溶液濃度校正模型，結(jié)果顯示，用MSZ 譜區(qū)進(jìn)行建模，在保證操作溫度變化穩(wěn)定的前提下，可以準(zhǔn)確預(yù)測結(jié)晶過程中的溶液濃度。于帥等[13]應(yīng)用ATR-FTIR 結(jié)合在線成像系統(tǒng)和濁度儀，測量和分析了頭孢克肟的結(jié)晶過程濃度變化、顆粒形貌變化以及成核時刻等，解析了結(jié)晶過程機(jī)理并探尋出頭孢克肟結(jié)晶過程晶型轉(zhuǎn)變的規(guī)律。系統(tǒng)示意圖見圖3。

圖3 ATR-FTIR在線監(jiān)測頭孢克肟結(jié)晶過程系統(tǒng)Fig.3 ATR-FTIR online monitoring system for cefixime crystallization

2.1.2 衰減全反射紫外/可見光譜（ATR-UV/Vis）技術(shù)

ATR-UV/Vis 是由價電子躍遷產(chǎn)生的一種電子光譜，該技術(shù)通過檢測物質(zhì)對紫外/可見光的吸收程度，可得出該物質(zhì)的組成、含量以及結(jié)構(gòu)信息，其獲取信息便捷且精確。由于藥物的大多數(shù)活性成分具有紫外吸收，所以ATR-UV/Vis 的適用范圍很廣泛，在藥物的結(jié)晶過程中可同時實(shí)現(xiàn)對晶體成核、多晶型的轉(zhuǎn)變與過飽和度變化的原位監(jiān)測[14]。

關(guān)國強(qiáng)等[15]應(yīng)用ATR-UV/Vis 技術(shù)并結(jié)合聚焦光束反射測量（FBRM）技術(shù)監(jiān)測以無水乙醇-撲熱息痛為模型的結(jié)晶過程，通過實(shí)時濃度分析結(jié)晶溶液的過飽和度變化，分析了不同降溫方式對結(jié)晶產(chǎn)品質(zhì)量的影響。 Saleemi 等[16]使用ATR-UV/Vis 光譜技術(shù)對鄰氨基苯甲酸、對氨基苯甲酸的反溶劑冷卻結(jié)晶過程進(jìn)行研究，利用主成分分析和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對ATRUV/Vis 光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得了性能良好的校正模型，實(shí)現(xiàn)了對兩者濃度的同時監(jiān)測。系統(tǒng)示意圖見圖4。

圖4 ATR-UV/Vis聯(lián)合FBRM在線監(jiān)測撲熱息痛結(jié)晶過程系統(tǒng)Fig.4 ATR-UV/Vis combined with FBRM online monitoring paracetamol crystallization process system

2.2 基于固相信息的PAT

原料藥多晶型現(xiàn)象普遍存在，不同晶型藥物的理化性質(zhì)和藥理活性往往存在顯著差別，因此建立多晶型藥物的晶型監(jiān)測方法，對提升和保障多晶型藥物安全性及有效性具有重要意義。

2.2.1 拉曼光譜（RS）技術(shù)

RS 屬于散射光譜，主要反映晶格和分子的振動模式、轉(zhuǎn)動模式以及在某一系統(tǒng)中的其他低頻模式信號。RS 可以監(jiān)測晶型轉(zhuǎn)變過程，能對晶型轉(zhuǎn)變的起點(diǎn)和終點(diǎn)進(jìn)行判別，并獲取晶型轉(zhuǎn)變動力學(xué)信息，從而有助于更深層次地理解該晶型的轉(zhuǎn)變工藝。在線拉曼技術(shù)還可對結(jié)晶過程中晶體和溶液進(jìn)行同時監(jiān)測，用以定性和定量跟蹤溶液濃度和固相晶型產(chǎn)品濃度的變化趨勢，得到析晶趨勢圖，從而可以直觀判斷析晶點(diǎn)、析晶速率和析晶平衡等數(shù)據(jù)，還可建立定量標(biāo)準(zhǔn)模型，得到體系的實(shí)時過飽和度數(shù)據(jù)，直接從源頭控制結(jié)晶過程，尤其適用于多晶型的工藝開發(fā)，可達(dá)到優(yōu)化工藝參數(shù)的目的[17]。

Su 等［18］使用RS 和FBRM 研究了初始D-甘露醇水溶液濃度對多晶型自發(fā)成核的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，D-甘露醇水溶液結(jié)晶過程中自發(fā)成核的晶型多是穩(wěn)定的β，其次是δ和少量的α晶型。研究發(fā)現(xiàn)，影響這種現(xiàn)象的機(jī)制是基于晶型的熱力學(xué)和動力學(xué)性質(zhì)之間的競爭。具體而言，當(dāng)初始濃度較高時，動力學(xué)影響大于熱力學(xué)，使亞穩(wěn)δ晶型更容易成核；相反，當(dāng)初始濃度較低時，熱力學(xué)影響大于動力學(xué)，傾向于穩(wěn)定的β 晶型成核。此外，拉曼光譜也被創(chuàng)新地用于確定兩種亞穩(wěn)態(tài)甘露醇的溶解度。Tacsi 等[19]開發(fā)了一種新的、易于實(shí)現(xiàn)的卡維地洛不同晶型溶液濃度-結(jié)晶反饋控制系統(tǒng)。通過拉曼光譜實(shí)時監(jiān)測溶液的多晶型組分，輔助以UV/Vis 檢測數(shù)據(jù)計算當(dāng)前溶液中不同晶型濃度。利用升溫加速晶體溶解，降溫促進(jìn)晶體的成核和生長原理，控制溫度在適當(dāng)區(qū)間可得到不同比例多晶型的卡維地洛。系統(tǒng)示意圖見圖5。

圖5 RS聯(lián)合ATR-UV/Vis在線監(jiān)測卡維地洛多晶型結(jié)晶過程系統(tǒng)Fig.5 RS combined ATR-UV/Vis online monitoring system for carvedilol polycrystalline crystallization

2.2.2 近紅外光譜（NIR）技術(shù)

NIR 光譜主要是表征含氫基團(tuán)（C-H、O-H、N-H等）的倍頻和合頻吸收峰特征，往往用于反映待測物的整體信息。NIR是一項(xiàng)較為成熟的光譜應(yīng)用技術(shù)，目前已在農(nóng)業(yè)、石油化工、食品加工以及醫(yī)藥等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。該技術(shù)主要具有以下優(yōu)勢：①無損，檢測速度快；②NIR光譜信息較為豐富，可用于樣品的定性或定量分析；③檢測模式豐富，應(yīng)用范圍廣；④環(huán)境友好，污染小。近年來，NIR光譜技術(shù)在結(jié)晶過程在線監(jiān)控中也有研究報道，主要應(yīng)用于結(jié)晶度、晶型、晶體粒徑的監(jiān)測與調(diào)控。

Ma等[20]研究了L-谷氨酸的結(jié)晶過程，采集了不同溶液濃度、不同粒徑和不同溫度的L-谷氨酸溶液NIR 光譜，結(jié)合遺傳算法和支持向量機(jī)兩種方法建立校正模型，該模型最終通過驗(yàn)證，可以成功地應(yīng)用于L-谷氨酸冷卻結(jié)晶過程監(jiān)控。Lee等[21]運(yùn)用NIR光譜技術(shù)對吲哚美辛的反溶劑結(jié)晶過程進(jìn)行監(jiān)控，采用主成分分析對NIR光譜進(jìn)行分析，成功實(shí)現(xiàn)了對吲哚美辛反溶劑結(jié)晶過程中晶型和晶體粒徑的實(shí)時監(jiān)控。系統(tǒng)示意圖見圖6。

圖6 NIR在線監(jiān)測吲哚美辛結(jié)晶過程系統(tǒng)Fig.6 NIR online monitoring system for indomethacin crystallization

2.3 其他技術(shù)

2.3.1 粒子圖像測量（PVM）技術(shù)

PVM 是一種基于探針的高分辨率原位視頻顯微鏡技術(shù)[22]。該技術(shù)通過6 個獨(dú)立的激光源照射懸浮液以產(chǎn)生散射光，該散射光被電荷耦合器件（CCD）接收，然后通過相應(yīng)的設(shè)備將產(chǎn)生的圖像顯示在配套軟件上，通過連續(xù)生產(chǎn)高分辨率圖像以直觀地觀測晶體生長情況。在結(jié)晶過程中，PVM通常用于表征顆粒的粒度、固體顆粒溶解、成核、生長以及顆粒數(shù)量和形狀演化等，能夠準(zhǔn)確、直觀地對結(jié)晶過程中多晶型的轉(zhuǎn)變、聚結(jié)以及晶析等現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，通過測定結(jié)果對結(jié)晶過程中的工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而得到制藥工藝需要的藥物晶體。

Klapwijk[23]報告了用三嵌段共聚物Pluronic P123（PP123）研究了其對琥珀酸晶體生長的影響，使用在線過程分析工具（PVM、FBRM 和RS）實(shí)時監(jiān)測結(jié)晶過程。結(jié)果顯示，少量PP123的存在以完全可再現(xiàn)的方式將晶體形態(tài)從板狀晶體改為塊狀晶體。增加存在的聚合物的量或使用的琥珀酸的濃度，會產(chǎn)生針狀晶體，不利于加工。在設(shè)計結(jié)晶實(shí)驗(yàn)時，還確定了聚合物對亞穩(wěn)區(qū)寬度（MSZW）的影響。此外，還研究了共聚物的各個嵌段聚乙二醇和聚丙二醇對晶體形態(tài)的影響。通過研究為聚合物與晶體表面的相互作用構(gòu)建了可能的機(jī)制，隨后的重結(jié)晶實(shí)驗(yàn)支持并驗(yàn)證了推理的機(jī)制。系統(tǒng)示意圖見圖7。

圖7 PVM聯(lián)合FBRM和RS在線監(jiān)測琥珀酸結(jié)晶過程系統(tǒng)Fig.7 PVM combined with FBRM and RS online monitoring succinic acid crystallization process system

2.3.2 聚焦光束反射測量（FBRM）技術(shù)

FBRM是一種基于探針監(jiān)視的高效、準(zhǔn)確的結(jié)晶過程控制技術(shù)，可以有效識別顆粒的聚集和重疊等行為。該技術(shù)通過測定激光束在與粒子接觸前后的光的反射時長，測定出粒子的弦長分布，從而確定粒子粒度，并通過反射數(shù)量確定晶體數(shù)量[24]。在結(jié)晶過程中，F(xiàn)BRM 技術(shù)通常用于顆粒的成核過程和溶解過程的在線監(jiān)控，目前主要用于監(jiān)測成核和表征介穩(wěn)區(qū)寬度，以及監(jiān)測粒子生長、聚結(jié)、微觀形貌等，同時還被廣泛用于溶液中顆粒數(shù)量和粒徑的監(jiān)測研究[25-26]。典型應(yīng)用可參見圖4。

3 結(jié)論與展望

PAT應(yīng)用于原料藥結(jié)晶生產(chǎn)過程控制，包括但不限于如下優(yōu)勢：①提高生產(chǎn)效率。PAT的應(yīng)用可實(shí)時在線監(jiān)測關(guān)鍵過程參數(shù)，避免了離線采樣、離線分析等造成的時間浪費(fèi)，能夠縮短生產(chǎn)時間，提高效率；②降低質(zhì)量風(fēng)險。PAT的引入可避免結(jié)晶過程中的采樣，保證生產(chǎn)的連續(xù)性，降低產(chǎn)品污染風(fēng)險；③利于安全生產(chǎn)。PAT可實(shí)現(xiàn)結(jié)晶自動化監(jiān)控，對于危險系數(shù)較高的生產(chǎn)過程，PAT 的應(yīng)用可避免人工采樣過程，提高操作的安全性；④節(jié)約生產(chǎn)成本。PAT的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)過程中關(guān)鍵參數(shù)的快速準(zhǔn)確測定，與傳統(tǒng)分析方法相比，大大降低檢測的時間、人力以及經(jīng)濟(jì)成本。

“推動醫(yī)藥制造能力系統(tǒng)升級”是“十四五規(guī)劃”五大重點(diǎn)任務(wù)之一，發(fā)展先進(jìn)生物醫(yī)藥制造技術(shù)是當(dāng)前乃至今后國家大力倡導(dǎo)的方向。原料藥是醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，結(jié)晶工序作為原料藥產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，PAT 的引入有助于深化對原料藥結(jié)晶過程和產(chǎn)品質(zhì)量的理解，提高對生產(chǎn)過程的控制，從而最終保障原料藥的產(chǎn)品質(zhì)量，未來必將在制藥領(lǐng)域得到更充分的發(fā)展與應(yīng)用。