AppNote 44丨无需标准品测定药物无定形含量:水合物/溶剂化物化学计量比

引言

无定形物质本质上是亚稳态的,因此倾向于转变为热力学更稳定的晶态。由于这种不稳定性可能对储存和药物效力产生负面影响,因此量化药用相关物质的无定形含量至关重要。此前已有研究采用重量法蒸气吸附技术测定低于5%的无定形含量^[1,2,3,4]。这些技术基于以下事实:无定形物质的蒸气吸附能力大于晶态物质。因此,可以利用晶体和无定形区域之间的吸附差异来计算样品的无定形含量。这些技术可用于水蒸气或有机蒸气。使用有机蒸气的优势在SMS应用说明103^[5]中进行了概述。

本研究重点介绍了一种测定无定形物质含量的方法,该方法适用于无定形物质在气相诱导结晶过程中形成化学计量比水合物或溶剂化物的情况。该方法基于最初用于测定水合物的方法^[6],但同样的原理也适用于溶剂化物。该方法的独特优势在于无需任何校准标准物质。

理论

参考文献^[6]中的方法仅适用于无定形物质在气相诱导结晶过程中形成化学计量比的水合物或溶剂化物的情况。如果物质在气相中形成化学计量比的溶剂化物,则可以使用相应的等温线来确定溶剂化物的精确化学计量比。例如考虑一种分子量为MWA的干燥物质样品A。如果样品A与溶剂B形成分子量为MWB的溶剂化物,则可以使用溶剂化分压WG下的净增重百分比来计算溶剂化物的化学计量比S,如公式1所示。

方程式1假设形成化学计量比的溶剂化物。该方法此前已被用于确定水合物^[7]和溶剂化物^[8]的化学计量比。

如果非晶相(无定形)形成水合物或溶剂化物,而晶相不形成,则可以测定部分无定形样品中的无定形含量。由于溶剂化物或水合物形成而产生的吸附量与无定形比例成正比。与其他蒸气吸附法测定无定形含量的方法不同,该方法不需要任何无定形标准品。

实验方法

茶碱(C₇H₈N₄O₂;1,3-二甲基黄嘌呤)是一种广泛使用的抗哮喘药物,可以以无水物或一水合物的形式存在,并且在制粒过程中会发生多晶型转变^[9,10]。本研究使用无水茶碱(Sigma公司)作为起始原料。结晶茶碱(THP)直接使用。无定形THP的制备方法为:先将THP在水中浸泡过夜,然后在0%相对湿度下干燥。部分无定形THP样品由结晶态和无定形态THP的物理混合物制成。

卡马西平(C₁₅H₁₂N₂O:5-二苯并(b,f)氮杂卓-5-甲酰胺)是一种用于治疗癫痫的抗惊厥药物,常被用作研究多晶型的模型材料^{[11,12,13,14,15]}。已知卡马西平(CBZ)能与丙酮形成1:1的溶剂化物^[16]。本实验以结晶卡马西平(Sigma公司)为起始原料。将结晶卡马西平浸泡于水中过夜,然后在相对湿度为0%的条件下干燥,制备无定形卡马西平。此前已有研究证明,该方法可制备100%无定形卡马西平^[17,18]。本实验使用丙酮(HPLC级:Sigma公司)作为溶剂。此外部分无定形卡马西平样品由结晶态和无定形物质的物理混合物制备而成。

将样品置于DVS Advantage(现已升级为DVS Resolution型号)仪器中,并在所需温度下进行初始干燥,干燥过程在干燥空气流(相对湿度<0.1%)中进行,持续数小时以测定干重。随后将样品暴露于蒸气浓度(饱和蒸气压的相对百分比;%P/Po)的步幅变化中。对于THP,样品暴露于以下湿度曲线:0至95%RH,步长为5%RH。对于CBZ,丙酮浓度曲线如下:0至50%,步长为10%;55至95%,步长为5%;然后以类似方式降至0%P/Po。在每个%P/Po步幅中达到质量平衡后,实验才会进行到下一个预设步骤。

实验结果

图1显示了茶碱的吸水等温线。无定形茶碱 (THP) 为无水物,暴露于相对湿度高于70%的环境中会转化为一水合物(图1a中的红色曲线),而结晶茶碱则不会(图1a中的蓝色曲线)。无水茶碱的分子量为180.16amu。因此如果样品完全为无定形,根据公式1,一水合物的形成将导致质量变化10.0%。如果样品部分为无定形(图1a中的绿色、粉色和橙色曲线),则水合物形成过程中的质量变化百分比将与无定形部分直接相关。图1b绘制了几种无定形/结晶茶碱混合物在85%相对湿度下的理论净质量变化与实际净质量变化的关系图。图1b中的插图突出显示了无定形含量低于10%的结果(由于水合物形成导致的质量变化为1%,对应于无定形含量为10%的样品)。显然二者之间存在直接相关性(R²=0.9997)。对于茶碱,无需已知标准品的校准曲线即可测定“未知”样品(低于1%)的无定形含量。

• 卡马西平-丙酮溶剂化物

图2展示了卡马西平-丙酮溶剂化物形成的实验。在25°C下,当P/Po比值高于 85%时,无定形卡马西平会转化为丙酮单溶剂化物(图2a中的红色曲线)。然而结晶态卡马西平则不会发生这种转化(图2a中的黑色曲线)。如果样品完全为无定形,则根据公式1,单溶剂化物的形成将导致质量变化24.58%。如果样品部分为无定形(图2a中的橙色、黄色、绿色、蓝色、紫色和灰色曲线),则溶剂化物形成过程中的质量变化百分比将与无定形组分直接相关。图2b绘制了几种无定形/结晶态茶碱混合物的溶剂化物形成引起的理论净质量变化与实际净质量变化的对比图。显然二者之间存在直接相关性(R²=0.9999)。对于卡马西平,无需已知标准品的校准曲线,即可测定“未知”样品(低于1%)的无定形含量。此外该方法适用于任何能形成化学计量溶剂的物质。

▲图2.(a)25°C下不同无定形含量卡马西平的丙酮吸附(实线)和解吸(虚线)等温线;(b)溶剂化物形成引起的理论净质量变化与实测净质量变化的对比,显示出直接相关性。

为了模拟工业应用,将结晶CBZ样品在高能研磨机中研磨30秒。然后按照之前的方法收集丙酮蒸气吸附和解吸等温线。如图3所示,溶剂化物形成导致的重量增加百分比为2.940%。该重量增加对应于12.0%的无定形含量。

▲图3. 25°C下研磨CBZ的丙酮蒸气吸附(红色)和解吸(蓝色)等温线

结论

本文描述了一种测定无定形物质含量的方法,该方法适用于在特定蒸气环境下能够形成溶剂化物或水合物的物质。该方法基于无定形相对于晶相的优先水合/溶剂化作用。无定形茶碱在25℃、相对湿度高于70%时形成一水合物,而晶相则不形成。类似地,无定形卡马西平在25℃、丙酮蒸气浓度高于90%时形成一水合物，而晶相则不形成。利用这一现象测定了研磨后的卡马西平样品(12.0%)的无定形含量。所描述的方法可用于任何能够形成化学计量比水合物或溶剂化物的物质。