AppNote 34丨DVS用于药物低无定形含量的定量测量

A New Gravimetric Method to Calculate Low Levels of Amorphous Content

^{Dan Burnett and Frank Thielmann, Surface Measurement Systems Ltd.}

引言

药物制剂中的无定形物质会给产品的性能、加工和储存带来复杂且具有挑战性的问题。无定形物质的存在可能是有益的,也可能是有害的,这取决于无定形状态所具有的独特性质是理想的还是有害的。此外,在药物固体的加工过程中(例如研磨、喷雾干燥、压片、湿法制粒和冻干),可能会产生不同程度的晶体缺陷和/或无定形区域。即使是相对较低的无定形物质含量(<10%),也可能对制剂的稳定性、可生产性和溶出特性产生不利影响。因此测定药物粉末中无定形物质的含量至关重要。

目前有多种技术可用于定量测定粉末中中等至高含量的无定形物质。这些技术及其近似的无定形含量检测限(括号内为检测限)包括：差示扫描量热法(10%)、密度法(10%)、粉末X射线衍射法(5%)、热刺激电流光谱法 (2%)、溶液量热法(1%)、傅里叶变换拉曼光谱法(1%)、近红外光谱法 (1%)和调制差示扫描量热法(1%)。然而,能够定量分析低于1%的无定形含量的技术却很少。这些技术及其检测限包括：固态核磁共振(0.5%)、微流控量热法(0.5%)和平行束粉末X射线衍射法(0.4%)。其中最灵敏的技术之一是重量法蒸气吸附法(0.2%)。文献中已有多种利用重量法蒸气吸附技术定量分析无定形含量的方法[1,2,3,4]。所有这些方法都基于无定形态和晶态物质对蒸气的不同亲和力。

所有重量法都需要测量已知无定形含量的材料以建立校准曲线。这通常是通过制备已知比例的100%无定形和100%晶态材料的物理混合物来实现的。一旦确定了无定形含量校准曲线,就可以测量未知无定形含量样品的吸附性能,并将其与已知标准进行比较。Zografi等人[1]开发的方法测量了各种晶态和无定形态混合物的水蒸气等温线。在特定的相对湿度(RH)下,将平衡水蒸气吸附量与已知的无定形含量作图，结果是一条直线。可以将未知的无定形含量与之进行比较。使用这种方法时,样品不能暴露在会导致重结晶的相对湿度水平下。因此,该技术通常仅限于低相对湿度水平(即低于40%RH)。

Buckton和Darcy[2]的方法利用水蒸气诱导重结晶方法来测定非晶态物质的无定形含量。此外,该物质在重结晶时必须形成已知化学计量比的水合物。为了说明该技术,作者使用了一种无定形乳糖样品,该样品重结晶后形成α-乳糖一水合物。与之前的技术类似,该方法也需要收集水蒸气吸附等温线。然而在该技术中,样品暴露于相对湿度环境中,这将促使发生水蒸气诱导重结晶。然后对100%重结晶的样品收集水蒸气解吸等温线。在解吸等温线的末端,由于水合物的形成,样品将保留一定量的水。从第一个吸附循环的起始点到解吸循环的结束点,样品重量的增加量与非晶态物质的含量直接相关。该方法假设所有无定形物质均已完全重结晶。但这可能是一个不正确的假设,尤其是在样品发生团聚,从而“屏蔽”水分子与无定形相的接触时。此外重结晶过程可能较为缓慢。该方法还受限于需要形成已知水合物。

Mackin等人[3]的方法同样利用重结晶过程来测定无定形物质的含量。首先将部分无定形样品干燥,然后将其暴露于低于样品发生重结晶压力的分压(水或有机溶剂)下。接着将样品暴露于足够高的分压下,以促使其发生重结晶。最后将已重结晶的样品再次暴露于与之前相同的分压下(低于重结晶压力)。假设没有水合物或溶剂化物形成,部分非晶态和重结晶态物质的吸附差异与样品中非晶态物质的含量直接相关。与Buckton的方法类似,该技术假设100%的非晶相已重结晶。然而该技术不适用于重结晶后会形成水合物或溶剂化物的材料。

Van Oort[4]提出的另一种重量法也基于溶剂诱导重结晶。在该技术中样品暴露于高于重结晶极限的分压或相对湿度的阶跃变化中。然后绘制质量变化的一阶导数(dm/dt)与时间的关系图。如果样品是100%结晶的,则dm/dt与时间的关系图中只会有一个高于零的峰。如果存在非晶态到晶态的转变,dm/dt与时间的关系图将出现两个峰:一个大于零,一个小于零。这些峰的相对面积与样品中非晶态物质的含量有关。与其他一些方法一样,该技术仅限于溶剂可诱导重结晶的体系。

理论

方法

动态蒸气吸附(DVS)是一种成熟的测定蒸气吸附等温线的方法。本研究使用的DVS仪器采用SMS超高分辨率天平，通过重量法测量蒸气的吸附和损失,质量分辨率为±0.1μg。该仪器具有高分辨率和优异的基线稳定性,能够测量极微量探针分子的吸附和解吸。通过电子质量流量控制器混合饱和载气流和干燥载气流,控制样品周围的蒸气分压。整个系统置于温控恒温箱中,温度保持在25±0.1°C。

α-乳糖一水合物被用作模型药物。通过喷雾干燥法获得100%无定形乳糖。为防止重结晶,将无定形乳糖放入干燥剂并在3°C下保存。将结晶的α-乳糖一水合物在90%相对湿度(RH)下预处理24小时,然后置于装有无水硫酸钙的干燥器中保存。此步骤旨在确保起始原料为100%结晶态。将已知量的喷雾干燥无定形乳糖与100%结晶乳糖混合,制备部分无定形乳糖混合物。

将乳糖样品置于DVS-1仪器中,在100sccm的干燥空气流(相对湿度<0.1%)下干燥12小时。样品暴露于以下辛烷蒸气分压分布:0.01、0.02、0.03、……、0.10、0.20、……、0.90和0.95p/po。然后以相同的方式将分压降至0.00p/po。测量了第二次吸附/解吸曲线,以检查是否存在不可逆吸附效应并获得重复测量结果。在每个阶段,样品质量均达到平衡。根据每个分压下的平衡质量值计算吸附等温线。

结果

我们测定了100%无定形乳糖、100%结晶乳糖以及一系列无定形和结晶乳糖混合物的辛烷吸附等温线。无定形物质通常具有更高的比表面积和表面能,因此具有更高的辛烷吸附容量。图1显示了100%结晶(红色)和100%无定形(蓝色)样品的辛烷吸附等温线。

图1. 100%结晶乳糖和100%无定形乳糖的辛烷吸附等温线

在辛烷分压为0.95时,无定形样品的质量变化百分比为0.197%(基于干重),而结晶态材料的质量变化百分比仅为0.0158%。在辛烷分压为0.95时,吸收量与无定形含量百分比成正比(见图2)。

图 2. 一系列已知无定形含量的乳糖辛烷吸附等温线

以辛烷压力为0.95p/po时的质量平衡百分比变化作为唯一测量参数,利用已知无定形和结晶态乳糖混合物,绘制了无定形含量校准曲线。图3显示,辛烷压力为0.95p/po时的吸附量与无定形含量百分比之间存在良好的线性关系。根据该校准曲线可以确定“未知”样品的无定形含量。测量误差(质量变化为0.0005%)结合拟合的线性度表明,无定形含量测定的精度为±0.3%。从ACROS公司购买了乳糖样品,并在DVS上测量了辛烷等温线。辛烷压力为0.95p/po时的吸附量为0.0194%,由此得出无定形含量为0.9± 0.3%。

图3. 辛烷蒸气吸附量与无定形含量的关系(校准曲线)

本研究中用于测定无定形含量的方法相比以往的重量法具有一些显著优势。首先该方法无需溶剂诱导重结晶。参考文献2、3和4中的方法均需要重结晶。此外该方法无需像参考文献2那样形成已知化学计量比的水合物/溶剂化物。辛烷蒸气通常不会引起样品形态变化,因此可以研究整个分压范围,这与基于水蒸气的方法[1]不同。最后辛烷的吸附动力学相对较快(与水相比),因此实验通量可以更高。

结论

本文开发了一种测定低浓度无定形物质含量的新方法。利用已知浓度的无定形和结晶乳糖标准品,采用辛烷蒸气等温线建立了无定形物质含量校准曲线。根据该曲线可以以±0.3%的精度测定未知无定形物质含量的样品。该技术适用于多种药物粉末,克服了以往重量法的局限性。

致谢

感谢GSK的Wei Chen提供喷雾干燥乳糖。