雙嘧達(dá)莫無定形藥物體系動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

孫嘉汝　李聰偉　田雅雯　楊彩琴

摘要：目的 本研究制備雙嘧達(dá)莫無定形藥物體系，并研究其晶化動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性和熱分解動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性。方法 通過熔融-冷卻-復(fù)融的方法成功制備了雙嘧達(dá)莫無定形藥物體系，并用粉末X-射線衍射（PXRD）和溫度調(diào)制差式掃描量熱（TMDSC）進(jìn)行了表征，高效液相色譜（HPLC）及氫核磁（1HNMR）技術(shù)對(duì)樣品進(jìn)行了純度分析及結(jié)構(gòu)確證。采用動(dòng)態(tài)差示掃描量熱分析方法研究樣品的非等溫晶化動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，采用多速率無模型方法評(píng)估樣品熱分解動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性，并對(duì)其貯存有效期進(jìn)行推斷。結(jié)果 雙嘧達(dá)莫晶化機(jī)理為三維生長的體積析晶，熱分解機(jī)理函數(shù)為G（a）=［-ln（1-a）］3/4，屬于隨機(jī)成核和隨后生長機(jī)理（n=3/4），貯存有效期約為4～5年。結(jié)論 雙嘧達(dá)莫無定形藥物體系容易晶化，但熱穩(wěn)定性較高。本研究為雙嘧達(dá)莫無定形藥物體系的進(jìn)一步臨床應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)，也為其它無定形藥物體系動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性研究提供參考。

關(guān)鍵詞：雙嘧達(dá)莫；無定形；動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性；晶化；熱分解

中圖分類號(hào)：R94文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

Evaluation of kinetic stability of dipyridamole amorphous drug system

SUN? Jiaru，LI? Congwei，TIAN? Yawen，YANG? Caiqin*

（School of Pharmacy，Hebei Medical University，Shijiazhuang，Hebei 050017，China）

Abstract： ?Objective To prepare the dipyridamole amorphous drug system， and study its kinetic stability of crystallization and thermal decomposition. Methods The dipyridamole amorphous drug system was successfully prepared by melting-cooling-remelting method. It was verified by powder X-ray diffraction （PXRD） and temperature modulated differential scanning calorimetry （TMDSC）， and its purity and chemical structure were analyzed by high performance liquid chromatography （HPLC） and hydrogen nuclear magnetic resonance （1HNMR） techniques. Dynamic different scanning calorimetry analysis was used to study the non-isothermal crystallization kinetics of the sample. The kinetic stability of thermal decomposition of samples was evaluated by multi-rate model-free method， and the shelf life was deduced. Results The crystallization mechanism of amorphous dipyridamole was three-dimensional growth volume crystallization and thermal decomposition mechanism function was G（a）=［-ln（1-a）］3/4， which belonged to random nucleation and subsequent growth mechanism （n=3/4）; The shelf life of dipyridamole would be about 4～5 years. Conclusions Dipyridamole amorphous drug system tends to crystallize easily but has high thermal stability. This study provides a theoretical basis for the further clinical application of dipyridamole amorphous drug system， and also provides a reference for the study of kinetic stability of other amorphous drug systems.

Key words： dipyridamole;amorphous;kinetics stability;crystallization;thermal decomposition

雙嘧達(dá)莫是抗血栓形成的藥物，廣泛用于急慢性冠脈功能不全、心絞痛、血栓栓塞性疾病的治療。近期研究發(fā)現(xiàn)，它還具有抗炎、抗氧化和抗腫瘤等新的藥理作用［1-2］，雙嘧達(dá)莫在“老藥新用”方面表現(xiàn)出的極大潛力，使其具有良好的再開發(fā)價(jià)值。但雙嘧達(dá)莫屬于BCS II類藥物，普通制劑存在生物利用度低、緩釋制劑日劑量高等臨床不足［3-4］，開發(fā)雙嘧達(dá)莫新型制劑是亟待要解決的問題。包合物、微乳、共晶、無定形等可用于解決藥物水溶性差的問題，在這些策略中，難溶性晶態(tài)藥物的無定形化是提高其生物利用度的最有效途徑之一［5］。但無定形藥物體系處于熱力學(xué)高能態(tài)，在制備、儲(chǔ)存和給藥等過程中極易發(fā)生轉(zhuǎn)晶，一旦再結(jié)晶，其快速溶解、極速釋放的優(yōu)勢(shì)就不復(fù)存在，甚至?xí)霈F(xiàn)嚴(yán)重的不良后果［6］。因此，無定形藥物體系動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是其開發(fā)的關(guān)鍵部分。

本研究創(chuàng)新性地將固體動(dòng)力學(xué)的原理應(yīng)用于雙嘧達(dá)莫無定形藥物體系的穩(wěn)定性研究之中。采用快速、用量少，方法靈敏的熱分析技術(shù)研究樣品的晶化動(dòng)力學(xué)和熱分解動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，計(jì)算晶化過程和熱分解過程的活化能，探討晶化和分解機(jī)理，推斷出雙嘧達(dá)莫無定形藥物體系晶化動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性和熱分解動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性，預(yù)測(cè)藥物貯存的保質(zhì)期，為藥物的貯存條件和貯存時(shí)間提供準(zhǔn)確的信息。該研究解決的是雙嘧達(dá)莫無定形藥物研發(fā)過程中最根本、最重要的穩(wěn)定性問題，為其進(jìn)一步開發(fā)應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 主要儀器與試劑

差示掃描量熱分析儀（德國耐馳儀器制造有限公司，DSC 214）；熱重分析儀（德國耐馳儀器制造有限公司，TG 209 F3型）；粉末X射線衍射儀（美國Rigaku公司，SmartLAb SE）；高效液相色譜儀（安捷倫科技有限公司，Agilent1200）；核磁共振波譜儀（中科牛津波譜技術(shù)有限公司，WIPM-NMR-400）；管式爐（天津市通達(dá)實(shí)驗(yàn)電爐廠，Sk2-2.5.1.3）。雙嘧達(dá)莫（99%，索萊寶科技有限公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 雙嘧達(dá)莫無定形藥物體系的制備、表征、純度分析和結(jié)構(gòu)確證

采用熔融-冷卻-復(fù)融的方法制備雙嘧達(dá)莫無定形藥物體系［7］。具體方法如下：稱取雙嘧達(dá)莫晶態(tài)原料藥100mg平鋪于鋁箔紙中，密封，置于管式爐中，調(diào)節(jié)N2流速為10mL·min-1，以5℃·min-1速率升溫，升溫范圍30～190℃，自然冷卻至室溫，再升溫至190℃，取出樣品置于冰盒中驟冷20 min，真空干燥備用。

粉末X射線衍射（PXRD）測(cè)定條件：Cu靶，電壓40 kV，電流50mA，掃描速率8°/min，掃描范圍5～40°，步長0.04°。

溫度調(diào)制差示掃描量熱（TMDSC）分析測(cè)定條件：溫度范圍-10～60℃，升溫速率2 K·min-1，振幅0.5 K，周期60s。

高效液相色譜（HPLC）測(cè)試條件：C18反向色譜柱 （150mm×4.6mm， 5 μm，Agela），檢測(cè)波長284nm，柱溫25℃，流動(dòng)相為甲醇∶水= 75∶25 （v/v），流速1.0mL·min-1，進(jìn)樣量20 μL。

氫核磁（1HNMR）測(cè)試條件：分別將約5mg的雙嘧達(dá)莫晶態(tài)與無定形態(tài)樣品溶于500μL氘代DMSO中，光譜寬度設(shè)定為11 013 Hz，掃描次數(shù)16，弛豫時(shí)間D1為1s，溫度293.1 K。

1.2.2 雙嘧達(dá)莫無定形藥物體系的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性

差示掃描量熱（DSC）分析測(cè)試條件：樣品質(zhì)量為6mg，溫度范圍0～200℃；熱重分析（TG）測(cè)試條件：溫度范圍30～750℃，樣品質(zhì)量為7mg，升溫速率分別為5、10、15、20、30 K·min-1，N2流速為40mL·min-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 雙嘧達(dá)莫無定形藥物體系的表征、純度分析和結(jié)構(gòu)確證

2.1.1 X射線衍射分析

雙嘧達(dá)莫晶態(tài)原料藥和制備樣品的PXRD圖譜見圖1。雙嘧達(dá)莫在2θ為7.88°、8.72°、10.12°、17.36°、18.61°、20.77°、23.41°和 25.85°處有特征晶體衍射峰，而制備樣品的衍射圖譜呈彌散狀馱峰，初步判斷無定形態(tài)的形成。

2.1.2 溫度調(diào)制差示掃描熱分析

由于物質(zhì)微晶化也可使PXRD圖譜顯現(xiàn)彌散衍射暈［8］，因而僅僅通過PXRD無法確切判斷無定形態(tài)的形成。差示掃描量熱分析給出的是總的熱流量信號(hào)，當(dāng)樣品在同一溫度發(fā)生多種熱現(xiàn)象時(shí)，其峰則可能會(huì)重疊，因而會(huì)造成不確定的判斷。TMDSC分析手段在無定形表征方面發(fā)揮著不可替代的作用，TMDSC克服了由可逆與不可逆信號(hào)疊加相互抵消而引起的判斷錯(cuò)誤，其無定形特有的熱力學(xué)特征參數(shù)―玻璃轉(zhuǎn)變溫度（Tg）常用于表征無定形的形成［9］。圖2的TMDSC圖譜中，熔融樣品的可逆熱流信號(hào)曲線中出現(xiàn)一個(gè)吸熱臺(tái)階，Tg為38℃，由此證明無定形新體系的形成。

2.1.3 高效液相色譜分析

采用HPLC法，通過有無雜質(zhì)峰可以判斷樣品的純度。由圖3可知，雙嘧達(dá)莫晶態(tài)原料藥保留時(shí)間為8.44min，無定形態(tài)保留時(shí)間為8.44min，二者保留時(shí)間完全一致，而且無定形態(tài)色譜圖中未出現(xiàn)其他的雜質(zhì)峰。因此可認(rèn)為雙嘧達(dá)莫無定形藥物體系在制備過程中并未出現(xiàn)分解現(xiàn)象，所制樣品純度較高。

2.1.4 氫核磁分析

1HNMR常用于測(cè)定藥物分子中氫原子的種類和個(gè)數(shù)比見圖4。

如圖4所示，氘代DMSO溶劑峰的化學(xué)位移在2.50ppm和3.32ppm，雙嘧達(dá)莫的化學(xué)位移及氫原子個(gè)數(shù)依次為：I：1.65ppm（12H）；II：3.58ppm（16H）；III：4.04ppm（8H）；IV：4.67ppm（4H）。晶態(tài)和無定形態(tài)的氫原子種類、個(gè)數(shù)及化學(xué)位移均相同，表明了本實(shí)驗(yàn)中制備的雙嘧達(dá)莫無定形樣品與晶態(tài)藥物結(jié)構(gòu)完全一致。

2.2 雙嘧達(dá)莫無定形藥物體系晶化動(dòng)力學(xué)研究

無定形藥物體系晶化過程的動(dòng)力學(xué)研究是一個(gè)熱門課題，主要是因?yàn)槠渚Щ^程與實(shí)際應(yīng)用過程密切相關(guān)，深入理解晶化機(jī)理對(duì)于無定形藥物體系的開發(fā)具有重要的理論指導(dǎo)意義。本實(shí)驗(yàn)采用動(dòng)態(tài)DSC分析方法研究雙嘧達(dá)莫無定形態(tài)的非等溫晶化動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。無定形不同升溫速率的DSC曲線見圖5，隨著溫度升高，無定形體系呈現(xiàn)玻璃化轉(zhuǎn)變、晶化、再熔融的特征，且隨升溫速率的增大，晶化特征溫度（晶化起始溫度、晶化峰溫度、晶化結(jié)束溫度）依次升高，說明其晶化行為與升溫速率有關(guān)，具有顯著的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，晶化特征溫度數(shù)值見表1。

2.2.1 晶化活化能的計(jì)算

分別采用以下數(shù)學(xué)模型計(jì)算雙嘧達(dá)莫無定形藥物體系的晶化活化能。

Kissinger 方程［10］：

Ec為晶化活化能，β為升溫速率，R為氣體常數(shù)（8.314 J·mol-1·K），Tp為晶化峰頂溫度，Tc為DSC晶化起始溫度，C為常數(shù)，K0為頻率因子。分別以lnβ/Tp2、lnβ/Tp及l(fā)nβ對(duì)1/Tp作圖，通過線性擬合，由回歸方程斜率計(jì)算無定形體系的晶化活化能。計(jì)算結(jié)果如下：Kissinger、Qzawa和Augis-Bennet方法計(jì)算的Ec分別為93.85、100.04和96.94 kJ·mol-1，3種方法計(jì)算結(jié)果接近，都可用以無定形藥物體系的晶化活化能的計(jì)算，平均值為96.94 kJ·mol-1。

2.2.2 晶化機(jī)理

無定形態(tài)的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)遵從經(jīng)典的Johnson-Mehl-Avrami理論方程［13］，n可以通過Augis-Bennett方法計(jì)算，n=2.5RTp2/（△TFWHM Ec），Ec為Augis-Bennett方法計(jì)算的晶化活化能，將活化能和不同升溫速率對(duì)應(yīng)的Tp、△TFWHM代入，求出n平均值為3.8±0.52。

晶化機(jī)制分為表面晶化（n=1）和體積晶化，體積晶化又分為一維生長（n=2）、二維生長（n=3）和三維生長（n=4）［14］，一般，n值越大樣品越容易晶化。由計(jì)算結(jié)果說明雙嘧達(dá)莫無定形態(tài)的晶化指數(shù)n≈4，為三維生長的體積晶化機(jī)理，n值較大意味著雙嘧達(dá)莫無定形態(tài)容易析出晶體。

2.3 雙嘧達(dá)莫無定形藥物體系熱分解動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性

通過研究藥物熱分解動(dòng)力學(xué)可以了解藥物的化學(xué)分解速率、分解途徑和分解機(jī)理。與傳統(tǒng)的研究藥物穩(wěn)定性的方法相比，熱分析技術(shù)借助動(dòng)力學(xué)參數(shù)，耗時(shí)少，可以通過簡(jiǎn)單的方法預(yù)測(cè)藥物的保質(zhì)期，為藥物的貯藏條件和時(shí)間提供準(zhǔn)確的信息。本實(shí)驗(yàn)采用多速率無模型的方法評(píng)估樣品熱分解的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性［15］。

不同升溫速率下雙嘧達(dá)莫無定形態(tài)的TG和DTG曲線見圖6，TG曲線沒有明顯的失重臺(tái)階，但DTG曲線呈現(xiàn)兩個(gè)放熱峰，判斷藥物的熱分解分兩步完成，但第一步熱分解峰明顯，第一步分解失重率為33.20%，由雙嘧達(dá)莫的摩爾質(zhì)量504.6，計(jì)算出失去的基團(tuán)質(zhì)量167.3，推測(cè)該步失去了嘧啶環(huán)上的兩個(gè)哌啶環(huán)（理論值為168）。一般情況下，熱分解動(dòng)力學(xué)都是以第一熱分解峰作為研究對(duì)象［16］，藥物第一步分解也就意味著失效變質(zhì)，因此，以下部分的動(dòng)力學(xué)研究均只考慮第一步熱分解。

2.3.1 熱分解動(dòng)力學(xué)活化能和指前因子的計(jì)算

分別采用Ozawa方程［17］和Kissinger方程［18］計(jì)算雙嘧達(dá)莫無定形態(tài)的熱分解活化能和指前因子。

Ea：熱分解活化能；Tp：DTG曲線的峰值溫度；A：指前因子；G（α）：積分機(jī)理函數(shù)；α：失重率，α=（m0-mT）/（m0-mf）=（m0-w%·m0）/（m0-w剩余%·m0）= （1-w%）/（1-w剩余%），其中m0、mT、mf分別為樣品起始時(shí)的質(zhì)量、溫度T時(shí)的質(zhì)量及終了的質(zhì)量；w為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。分別以lnβ對(duì)1/T及l(fā)nβ/Tp2對(duì)1/Tp作圖，通過線性擬合，由回歸方程斜率和截距計(jì)算Ea和A，結(jié)果見表2。Ea是描述樣品受熱分解時(shí)需越過的能壘，在一定程度上反映了樣品分解能力的大小，Ea越大，樣品越不易分解，即熱穩(wěn)定性越高；反之，熱穩(wěn)定性較差。從熱分解活化能的數(shù)值分析，雙嘧達(dá)莫無定形態(tài)受熱不易分解，熱穩(wěn)定性較高。

本文在動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性考察中，采用了多種模型同時(shí)計(jì)算，彼此間可相互校驗(yàn)，提高了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。測(cè)試條件的穩(wěn)定性是影響動(dòng)力學(xué)結(jié)果的關(guān)鍵因素，在具體實(shí)驗(yàn)中，要確保試樣填充量、試樣粒度、試樣擺放位置等測(cè)試因素一致，在不同升溫速率的TG及DSC分析實(shí)驗(yàn)中，測(cè)試的樣品均需研磨過篩，并保證測(cè)試樣品的質(zhì)量盡可能保持一致。

2.3.2 熱分解機(jī)理函數(shù)的確定

將Ozawa方程變換為：

從TG曲線中，讀出相同溫度下不同升溫速率β時(shí)的α值，分別代入35種機(jī)理函數(shù)G（α）［19］，以lgG（α）對(duì)lgβ做圖，根據(jù)回歸方程得到截距a、斜率b和相關(guān)系數(shù)r；則斜率b最接近-1，且相關(guān)系數(shù)r最好的G（α）即為該固態(tài)體系對(duì)應(yīng)的機(jī)理函數(shù)。綜合分析所得的計(jì)算結(jié)果，推斷出無定形態(tài)的熱分解機(jī)理函數(shù)為G（a）=［-ln（1-a）］3/4，機(jī)理函數(shù)名稱為Avrami-Erofeev，屬于隨機(jī)成核和隨后生長機(jī)理（n=3/4）。

2.3.3 無定形藥物體系貯存有效期的推斷

將雙嘧達(dá)莫無定形態(tài)的A和Ea代入Arrhenius方程（k=Ae-Ea/RT），求出298 K時(shí)pk值，根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道藥品的pk值和貯存有效期的關(guān)系［20］，判斷無定形藥物貯存有效期約為4～5年（表2）。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)采取熔融-冷卻-復(fù)融法制備了雙嘧達(dá)莫無定形藥物體系，PXRD和TMDSC圖譜表征了無定形藥物體系的形成，HPLC和1HNMR技術(shù)分析了樣品的純度和結(jié)構(gòu)。采用非等溫多速率分析方法評(píng)價(jià)了無定形態(tài)的晶化動(dòng)力學(xué)和熱分解動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性。雙嘧達(dá)莫無定形態(tài)的晶化機(jī)理為三維生長的體積析晶，其晶化過程中需越過的能壘即活化能較小，意味著無定形態(tài)容易析出晶體；從熱分解活化能的數(shù)值分析，雙嘧達(dá)莫無定形態(tài)受熱不易分解，熱穩(wěn)定性較高。本研究建立的穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法為無定形藥物的生產(chǎn)、貯存以及生產(chǎn)中的工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)。

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（責(zé)任編輯：編輯唐慧）

收稿日期：中文收稿日期2022-02-28

基金項(xiàng)目：河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（H20206218）

作者簡(jiǎn)介：孫嘉汝（1998—），女，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)樗幬镏苿?/p>

*通信作者：楊彩琴（1967—），女，教授，從事超分子藥物體系方面的研究，e-mail： yang_caiqin@163.com。