过程分析技术在多晶型原料药结晶工艺开发中的应用

1、摘 要研究背景：原料药不同的晶型可以有不同的物理化学性质，这些特性会直接影响原料药的稳定性、溶解度、及生物利用度等，从而影响药物的质量、安全和有效。因此，如何通过科学合理地设计和控制多晶型原料药结晶工艺，重复生产出满足质量要求的晶型，成为了制药企业面临的难题。研究目的：本文希望通过了解以往和现行的结晶技术，理解并掌握过程分析技术，将过程分析技术引入到原料药的结晶工艺的开发和控制中，以增强工艺的稳健性，确保生产出需要的晶型。研究方法：本文首先通过文献搜集法，搜集国内外结晶工艺的发展状况和过程分析技术的应用，总结出过程分析技术应用的重要性。再通过案例研究法，具体的说明过程分析技术是如何运用到结晶工

2、艺的开发中。研究结果: 通过对几种结晶工艺开发的总结，详细的说明了过程分析技术在多晶型原料药结晶工艺开发中的应用，叙述了过程分析技术在工艺开发中的优势。证明了过程分析技术的应用能有效降低风险，增加结晶工艺的稳健性，确保生产出需要的晶型。研究结论：通过实时的测量关键质量、过程中的物料和最终产品的质量，PAT的应用能确保原料药的质量。关键词：多晶型原料药；在线分析技术；原料药质量Applications of Process Analytical Technology to Crystallization Process Development of Polymorphic Drug Substa

3、ncesAbstract Background: Different crystalline forms of the API（active pharmaceutical ingredients） can have different chemical and physical properties, these properties will directly affect the stability of the API, solubility, and bioavailability, thus affecting the quality, safety, and efficacy of

4、 the drug products. How scientific and rational design and control of the crystallization process of the polymorphic drug substances could manufacture the product consistently to meet the quality requirements for the crystalline form became the challenges that pharmaceutical companies needed to face

5、.Research Purposes: Understand and master PAT（process analysis technology） by analysis of the crystallization technology used in the past and now, and introduce PAT to the development and control of the API crystallization process to enhance the process robustness to ensure production of the desired

6、 polymorph.Research Methods: The development status and the application of crystallization process and PAT in the API crystallization process in the home and abroad were collected by literature search to sum up the importance of PAT tool. And explain how PAT is applied to the crystallization process

7、 of development through case study.Results: The procedures of the application of PAT in the API crystallization were specified in detail by the summary of the crystallization process development of several types of polymorphic forms. The advantage of PAT in the process development was also analyzed.

8、 The results showed that the application of PAT could effectively reduce the risk, increase the robustness of crystallization process, to ensure the formation of the desired polymorph.Conclusion: Application of PAT could assure API quality through timely measurements of critical quality, in-process

9、materials and final products.Keywords: polymorphic drug substances, PAT, API quality 目录第1章 引言11.1研究背景21.2研究的目的与意义4第2章 研究设计52.1数据来源52.2研究方法6第3章 结晶与多晶型63.1介绍63.2多形态的结构63.3结晶的热力学73.4结晶的动力学73.5溶剂介导的多晶型的结晶93.6结束语11第4章PAT介绍和应用114.1 PAT介绍114.2 PAT的应用16第5章 PAT在工艺开发中的应用185.1晶型分类185.2传统工艺与PAT的区别195.3稳定晶型的工艺开发

10、205.4亚稳晶型的工艺的开发235.5互变晶型的控制255.6结晶工艺控制27第6章 讨论286.1PAT的应用286.2影响晶型的因素30第7章 结论31参考文献32附 录34致谢37IV第1章 引言随着1978年的改革开放，我国的经济实现了快速的发展，尤其是制药业，产值以每年16.8%的速度递增1。以原料药生产为例，从原来的自给自足，到现在生产的原料药在数量上成为世界第一，只用了30多年的时间。但是，由于国内原料药生产企业研发投入少；产品更新慢；并且很多企业只顾眼前利益，盲目扩产；加上高级人才短缺；高端产品研发周期长等原因，使得我国原料药以低端产品为主的结构在短时间内很难改变。并且生产的

11、这些原料药，严重耗费资源，污染环境。由于中国的原料药企业生产规模小，高新技术更新慢，导致生产工艺的控制水平低，产品质量风险高，以至于多数原料药制造厂达不到欧美国家承认的药品生产资质，不被国际上承认。在国内只有11%的制药企业获得了国际上的认证，因此国外的一些制剂厂商对中国出口的原料药质量一直持怀疑态度。没有获得国际上认证的制药企业只能以化工品出口，或者挂靠在已获资质的大公司上出口，这样就导致了出口的原料药产品质量不稳定。因原料药质量导致的医疗事故时有发生，使得我国的出口原料药在国际市场上的声誉持续下降。如我国出口的肝素钠原料药，因部分批次杂质的含量较高，加工成注射剂后，导致多名患者死亡2。为了

12、提高我国原料药的国际竞争力，就必须确保原料药的质量的提升，原料药质量的提升直接表现在通过欧美等国家的检查认证。因此，要应对国际上激烈的竞争，制药企业必须改善现有的研发、生产和质量管理体系，积极主动的参与国际认证。在国际认证方面，印度给我们树立了榜样。虽然中国在原料药的出口数量上远远超过了印度，但是我国获得的欧盟COS（Certificate of Suitability of European Pharmacopoeia，欧洲药典适用性证书）证书或提交了美国DMF（Drug Master File，药品主文件）文件的原料药生产商只有23家，而印度却有100多家2。综合以上得出，中国原料药产业面

13、临的最严峻的挑战就是改善产品质量体系，获得国际认可。要想做到这些，就必须在产品的研发、生产和质量管理中运用先进的技术PAT（Process Analytical Technology，过程分析技术）。PAT作为FDA（Food and Drug Administration，美国食品药品管理局）提倡的药物制造新技术，在世界范围内，也才刚刚开始，各个制药企业也在不断的摸索前进。而我国要使PAT付诸实施，还要克服诸多困难。PAT的实施，要求在药品的研发前期投入较多的人力物力，致使很多制药企业望而却步。PAT是二次分析技术，需要严格的验证。PAT的实施需要高素质的人员。PAT技术也存在局限性，如物料

14、附着在探头上，会导致结果的偏差。但是，PAT的实施不仅有利于提高我国制药业整体的质量水平，更是我国的制药业追赶上国际水平一个重要的机会。PAT强调对工艺的深入理解和对过程的控制，并最终确保产品的质量。晶型是晶型药物一个重要的质量属性，并且多晶型现象极为普遍3。不同的晶型可以有不同的物理化学性质，如熔点、溶解度、化学反应性、机械性质、蒸汽压和密度。这些性质都会直接影响原料药和制剂的生产工艺，以及药品的稳定性，溶出性和生物利用度。因此，不同的晶型原料药会影响药品的质量、安全性和有效性。那么如何开发出一个稳健的结晶工艺，确保生产出的晶型是需要的晶型，正是本文讨论的内容。1.1研究背景1.1.1 多晶

15、型存在的广泛性奥斯特瓦尔德指出如果实验条件适合，几乎所有的物质都存在两种或两种以上的固态形式。在二十世纪，固态化学已经登记和编目了大量的多晶型化合物，证实了这种说法。其中，有机化合物中大约有1/3的具有多晶型，如63%的巴比妥酸类、40%的磺胺类和67%的甾体类具有不同排列方式的固态形式4。根据Storey等人5的统计，有51%的原料药存在真多晶型，如果将假多晶型也包括进去比例高达87%。1.1.2 多晶型的重要性上个世纪的后期，我国的制药企业仿制了大批的化学药物，但是与国外的药物相比，存在明显的临床疗效差异6。虽然药物的质量标准达到了与国外品种一致的水平，但是药效却存在着明显的差距，这些差距

16、甚至在不同的企业生产的同一种药物或同一个企业生产的不同批次药物间也存在。后经研究证实，临床疗效的不同是由药物不同的固体形态造成的。在国际上，对药物的晶型问题的认识也经历了一系列的挫折，导致了生产偏差的发生，批返工，项目或临床计划的延期。1988年，卡马西平片剂临床失败的原因可能是无水化合物转化成了二水化合物。1998年，雅培公司不得不停止利托那韦（商品名：爱治威）的生产，因为它的生产工艺发生错误，生产出了错误的化合物晶型（晶型2）。这种新的晶型影响了半固体胶囊溶解的方式，使得雅培公司不得不从市场上撤走利托那韦，直到他们解决了这个问题时，直接导致了二亿五千万美元的销售损失。并且为了重新获得原来的

17、晶型1，在研发中花费了上亿美元。通过生物学和化学试验证明，药物的多晶型是影响临床治疗效果的一个重要因素，不同晶型的化学药物可造成生物体吸收的几倍甚至几十倍的作用差异。除了生物利用度不同外，不同的晶型还可以有不同的物理化学性质、稳定性、有效性和毒性。肖树华等比较了甲苯达唑的三种晶型对小鼠继发性细粒棘球蚴病的治疗作用，发现晶型比晶型的血药浓度高0.5-2倍，比晶型高约10-16倍7。法莫替丁有四种不同固体形态，晶型B抑制胃酸分泌的活性高于晶型A，但晶型B不太稳定，容易转变为晶型A8。晶型B的棕榈氯霉素有生物活性，但是晶型A却没有。经过了十几年的发展，我国对药物晶型的研究有了很大的进步，但是与国外相

18、比，还有不小的差距。对美国药典(29版)、欧洲药典(5版)和中国药典(2010版)中收录的需要进行晶型检测的固体化学药物品种进行了统计：美国药典中规定了晶型检查的品种约占固体给药品种总数的4%；欧洲药典规定了晶型检查的品种约占总数的10%6；中国药典中规定了晶型检查的品种仅有甲苯咪唑和棕榈氯霉素2个药物，占总数的0.2%。在中国药典(2010版)中还有多种药物存在晶型问题，如卡托普利、葛根素和尼群地平等，但是并没有要求进行晶型的检查。以上数据说明，在多晶型原料药的质量控制水平方面，我国与欧美等国家之间存在较大的差距。1.1.2多晶型原料药的监管考虑由美国、欧盟和日本发起的人用药注册技术要求国际

19、协调会，制定了一套药品注册的管理办法，其中Q6A具体说明了原料药多晶型的特殊标准，并规定了药物晶型质量研究和规范要求9。由多晶型制备的药物制剂， FDA是按照ANDA（Abbreviation New Drug Application，简化新药申请）的申请程序进行管理的，并且出了一个指导性文件。文件的内容首先肯定了多晶型在固体药物中的重要性，指出了多晶型研究的一般原则，提供了建立固体口服药物和口服混悬剂多晶型规范的决策树1#3#(见附录一) 10。决策树1#提出了关于何时适合建立原料药以及药品多晶型规范的建议。在产品开发中要具备有关原料药多晶态的足够知识，例如配方和生产工艺控制，实现药品性能和

20、质量特性。决策树2#按照生物药剂学分类系统（biological classification system，BCS）进行分类，对于多晶型药物，如果已知至少有一种晶型溶解度较低时，就必须按照决策树2#建立原料药多晶型的规范。决策树3#对药品建立多晶型的规范提供了建议。通常，选用最稳定的晶型或是上市产品的晶型进行药物的开发，对可能影响生物利用度的难溶性药物的多晶型的比例进行适当的控制。虽然该决策树是基于多晶型对药品生物利用度和生物等效性的可能影响，但FDA仍给申请人提供了一个建议性的程序，建议申请人确保药品的可重复性生产和具有足够的稳定性10。我国食品药品监督管理局制定的化学药物原料药制备和结构

21、确证研究的技术指导原则和化学药物制剂研究基本技术指导原则中对化学药物原料药和制剂研究中涉及的晶型问题进行了相关的规定，在国家制定的“十二五”规划中，对药物的多晶型的控制和制备方法提出了要求，但在技术要求上都不明确。1.2研究的目的与意义本文研究的目的：由于对多晶型原料药及相关技术的专业认识不足，造成了国产多晶型原料药的质量控制缺陷。因此，本文研究的目的是：了解以往和现行的结晶技术，通过理解并掌握FDA提倡的PAT，并将其引入到多晶型原料药的结晶工艺的开发中。通过晶型的筛选与不同晶型原料药的溶解度和亚稳区的测量，了解多晶型的热力学稳定性和结晶动力学，建立晶型药物结晶工艺的设计空间，由设计空间确定

22、控制策略，找到关键的工艺控制参数。开发出一个稳健的结晶工艺，确保生产出需要的晶型，提升多晶型药物的质量管理。研究的意义：在制药工业高纯度分离过程中，溶液结晶是一种最常用的技术，它具有的简单、灵活和效率高等优点是其它分离技术所没有的。结晶最主要的目标是生产化学纯度高和特定理化性质的晶体颗粒大小，形状和晶体结构。多晶型的实用性基于不同的晶型有不同的物理和化学性质（包括化学反应性、溶解度、稳定性和机械性能等）。不同的外观和机械性能会影响原料药的下游工艺，如过滤、干燥、粉末的处理、成分的活性和制剂产品的加工工艺。另一方面，不同的热力学性质（如溶解度）会影响药品的溶出特性最终影响药品的生物利用度，这一点

23、对于低溶解度的化合物更为关键，任何微小的变更都可能导致对病人严重的作用11。多晶型原料药的物理稳定性也是需要考虑的一个方面，在药物制造的每个阶段，不稳定的晶型会随着时间的推移转化为更加稳定的晶型。尽管经历了长时间和广泛的应用，但是人们对结晶过程的理解还是非常可怜的，尤其是多晶型的结晶过程。因此结晶一直被认为是一门半科学、半艺术的学科，结晶工艺的开发和控制是一个非常大的挑战12。 当药物一旦确定了晶型并进行生产时，一个稳健的结晶工艺连续生产出需要的晶型是至关重要的。为了达到这个目标，对影响多晶型的结构和转化的因素的深入理解是必需的。在结晶过程中，溶液一旦进入亚稳定状态，结晶动力学途径将决定那种晶

24、型的原料药会结晶出来和这种晶型存在的时间。为了到达最终的控制多晶型原料药结晶工艺，必需对这些直接决定着需要晶型的工艺操作进行控制。在最近十年间，发展出来很多策略，其中一些重要的策略是用特制的添加剂使需要的晶型稳定，用溶剂促进需要晶型的成核，控制成核的模式。但是这些方法需要特殊的体系和对结晶过程的分子方面的深刻的理解，由于科技水平和研究工具的局限，限制了结晶工艺过程控制的水平。美国的FDA要求在2013年起，在仿制药的工艺开发过程中强制要求使用QbD（Quality by Design，质量源于设计）理念。PAT作为QbD的基本的工具，是包括制造工艺的设计、分析和控制的一个体系。它的目标是通过及

25、时测量关键质量、原料的性能属性、过程中的原料和最终产品来确保产品质量的稳健性。第2章 研究设计2.1数据来源本文使用的数据库有国内的cnki（中国知网）；国外的全文数据库有Springlink、Elsevier SDOL(ScienceDriect Online)、ACS Publications和Annual Reviews综述期刊全文数据库。2.2研究方法本文首先通过文献搜集法，搜集国内外结晶工艺的发展状况和PAT在原料药制备和后处理工艺的应用，归纳PAT在晶型药物结晶工艺中应用的案例。再通过案例研究法，具体的叙述了PAT是如何运用到多晶型原料药结晶工艺的开发中。第3章 结晶与多晶型3.1

26、介绍结晶是流动的一种分子随机组合到一起，形成有序的晶体的组装过程。作为一种普通的技术，结晶是只能容纳相似的分子，严格的按结构要求进行晶体生长。晶体的内部结构具有非常重要的特性，必须严格控制，得到需要的产品质量。对结晶机理的整体理解，是设计和开发一个稳健的结晶工艺的必要条件。结晶的作用有两个：1.药物产品的纯化；2.制备指定的物理性能良好的拥有一致结晶形式的产品。理想的情况下，晶体从产品的最终反应步骤的溶液中结晶出来。然而，通常情况下，这是分离粗品使用的方法，能最大限度地提高产量，但一次结晶的形态不好，不能有效地纯化或生产需要的结晶形式。在这种情况下，经常用再结晶进行纯化或结构整合。3.2多形态

27、的结构按照原子、离子或分子在结构中的排列规则的不同，固体物质分为晶态和非晶态。其中晶态物质又因空间群的排列不同而出现不同的晶型，即多晶型。多晶型包括晶体形态（也叫真多晶型）和无定型形态，也包括溶剂化物形态（也叫假多晶型）和水合物形态。当原料药存在多晶型时，它就被视为具有多晶型现象10。如图所示。晶体的多态性在药物分子中是一种普遍存在的现象，尤其是溶剂分子和药物分子组成的溶剂化物使得这种现象更加普遍。在晶体中，主要依靠氢键、盐键、配位键及范德华力等维系分子在空间的稳定排列。在结晶过程中，因结晶条件的变化，会导致空间群的排列不同，而产生不同的晶型。随着时间的发展，晶体内的分子排列由高自由能向低自由

28、能转化，生成更加稳定的晶型。图 1原料药固态晶型的结构3.3结晶的热力学当一个化合物存在不同的固体形态时，通常会考虑两个问题。a.药物多晶型之间的相对热力学稳定性或它们之间的转化条件和方向。b.转化多久能达到平衡。溶解度与多晶型物质的自由能成正比，因此溶解度的测量是评估晶型之间能级差的最可靠的方法。值得注意的是虽然绝对溶解度是依赖于溶剂的，但是不同形式的相对溶解度是不依赖于溶剂的。溶解度高的晶型热稳定性较低，溶解度低的晶型热稳定高。晶浆试验是考察多晶型的热力学稳定性的最基本的实验。首先，配制饱和溶液，然后，将按照一定比例组成（如质量比为11）的多晶型放入饱和溶液，在不同的温度下放置足够长的时间

29、，过滤，分析其中的多晶型的组成。如果某一种晶型的含量增加，说明在设定的条件下，该晶型的热稳定性高。通过晶浆试验也可确定晶型的转化速率。晶浆试验与测量溶解度的方法相比，更易操作。3.4结晶的动力学虽然热力学确定了不同固态形式的稳定域，但是一旦遇到亚稳区间，动力学路径将决定那种晶型被生产出来及存在的时间。结晶的过程就是分子通过非共价键（如氢键、范德华力）以合适的排列方式进行组装的过程。结晶动力学研究的主要内容是建立成核前分子组合过程和结晶状态时分子排列的联系，并在解释多晶型的消失和出现方面有很大的使用价值。其中一个最重要的结论就是奥斯特瓦尔德规则：即溶液在结晶过程中，首先生成最不稳定的晶型，然后随

30、着温度的降低或者时间的推移，分子的排列方式逐步由高自由能转化为低自由能，更稳定的晶型，所以在晶体中会存在多种晶型共存的情况13。结晶包括成核和生长阶段，其中过饱和度是结晶过程的驱动力。 3.4.1过饱和度过饱和度()是一个无量纲的参数，常被用于描述过饱和溶液中晶体的生成过程，它既可作为化学推动力，用于判断结晶过程的方向和限度，也能决定结晶过程速率的大小。过饱和度通用的定义是分子势能在过饱和状态(ss)和平衡状态(ep)的差值。就可测量的量而言，过饱和度也可用溶质的活度(solute)或浓度(C)来定义。（3-1） 如果=1，体系平衡，即饱和溶液状态；如果1，溶液在不饱和状态，存在的晶体将溶解；

31、如果1，溶液在过饱和状态，晶体能成核和生长。过饱和的控制可通过下面几种方法来实现：冷却利用不同温度下溶解度的差异蒸发如蒸馏、喷雾干燥添加反溶剂添加易混合的反溶剂反应如成盐、PH诱导结晶。3.4.2结晶成核在结晶过程中，晶体都是由晶核成长而成，而晶核是饱和溶液中形成的结晶微粒。晶核的形成机理可分为初级成核和二次成核两类：无晶体存在条件下，由过饱和溶液自发成核的是初级成核；有晶体存在条件下，在不同的流体力学以及热力学条件下导致的成核是二次成核14。随着溶液过饱和度的增加，溶质的分子、原子或离子运动单元相互碰撞结合成晶胚，晶胚也在不断地溶解或结合运动单元进行成长，当生长能与溶液建立热力学平衡时就可称

32、之为晶核。晶核也和晶胚一样处于溶解或生长中，随着运动单元的脱离，又会成为晶胚，如果结合运动单元，则会进一步生长成为晶体，这个过程就是初级成核。总之，晶体的生成主要经历了以下几个可逆的过程： 运动单元 线体 晶胚 晶核 晶体由于初级成核时过饱和度太大，使得晶体的生长速度快，容易包裹杂质，从而影响结晶产品的质量。因此，在结晶工艺的开发中一般都避开初级成核。在饱和的有晶体的溶液中，发生的成核称为二次成核。二次成核是晶体间、晶体与容器之间或晶体与溶液之间的摩擦产生的晶核。由于二次成核能控制溶液的过饱和度，进而控制晶体的生长速度，最终达到控制晶体粒径、晶型和晶习的目的。因而二次成核在工艺的开发中应用较为

33、广泛。3.4.3晶核生长在溶液达到过饱和后，溶质分子之间不断地碰撞结合，形成晶核，一旦超过临界粒径，溶质分子就会在晶核周围生长形成晶体。晶体生长速率主要与过饱和度有关，但也受内部因素（结构和晶体缺陷）的影响，与晶核的原始粒度无关。外部影响因素（如温度、溶剂、搅拌速度等）主要通过影响过饱和度来达到控制晶体的生长速度。晶体的生长速度又决定了溶质分子的排列方式的不同，因此控制晶体的生长对晶体的粒径、晶型和晶习有很大的影响。3.5溶剂介导的多晶型的结晶在过去十年左右的时间，用于制备固体形式的范围和类型成爆炸式增长，刺激了多态性和固体形态的多样性以及质量要求的一致性的研究，可靠的制备和生产有针对性的固体

34、形式。在理解传统的结晶方法的基础上，开创了一些创新性的技术，用以改善固体形式。在制备不同固体形式的方法中，从溶液中结晶是迄今为止在制药工业中使用的最常见的。由于热稳定性和生产规模的限制，熔融结晶很少被采用。在晶型产品设计过程中遵循的原理，和对这些原理的了解，能够帮助持续一致的制备特定的晶型稳定或亚稳定。按照奥斯特瓦尔德规则，处于热力学不稳定状态的体系，在向稳定态过度时，并不是直接生成最稳定的状态，而是过度到自由能降低较小的中间态。化学体系不会直接达到平衡而是首先生成亚稳状态的结晶。如图，亚稳态的晶型比晶型能更快的成核，原因就是：在高饱和度情况下，结晶动力学优于热力学。虽然有很多实例支持这个理论

35、，但是也有很多反对的理由。图 2晶型和晶型的溶解度曲线图Etter基于经典的成核理论提出：在多晶型体系中，有可能存在几种类型的类似成熟晶体的聚集体或集群在溶液中与分子形成竞争的关系，容易结晶的多晶型是成核最快的。根据以上假设，有三种可能会出现在C点。如果所有的动力学参数都相似，成核速率的增长依靠过饱和度。这有利于导致更稳定的形式的成核。如果过饱和度不变，增加分子的运动会使晶型结晶出来，因为亚稳态有更高的溶解度。如果过饱和度不变，减少界面能，会使晶型结晶出来，因为界面能随着溶解热的减少和溶解度的增加而减少，这都会使亚稳态首先结晶出来。虽然经典成核理论预测了一般的结晶行为，但它在多晶型结晶中的应用

36、是非常有限的，因为它的隐含的假设。而且，它没有收集结构性（如溶质和溶剂的相互作用）因素的影响。因此，它不能提供结晶体结构方面的信息和溶液结晶的途径。如果结晶体的结构能被定义并与最终的固体形式相关联，那么控制生成的结构的结晶方法就会实现。现在很多关于成核的研究通过仿真和实验揭示出在溶液中获得的结晶的途径并不是非常简单的，而是一个非常复杂的路径，其中特有的分子间作用扮演了一个重要的角色。这些研究说明我们对成核的理解非常有限，但是预测晶型的结果是可能的，如果我们充分认识到结构方面的成核。如图，在C点，如果实验条件更利于生成晶型，那么随着晶型不断的结晶出来，溶液的浓度在不断的下降，直到到达D点，它在晶

37、型的溶解度曲线上，但是相当于晶型来说，还是过饱和的，因此晶型会溶解，然后晶型结晶出来。3.6结束语原料药的晶体结构是一个重要的性质，为了得到需要的晶型，在结晶过程中需要对过程参数加以控制。对多晶型晶体构造和结晶机理的深入理解可以预测多晶态的形成和转化，对设计和控制稳健的结晶工艺分离出需要的晶型是最重要的。第4章PAT介绍和应用4.1 PAT介绍QbD的本质是对工艺参数进行试验筛选以确定设计空间和在控制空间，并采取适当的控制策略以保证生产出质量合格的产品。为了达到这个目标，PAT在工艺过程的监测、分析和控制中扮演了一个非常重要的角色，FDA也坚定的推荐PAT来帮助执行QbD。PAT的优势在于：改

38、善过程的理解，更快的工艺开发，在线评估产品的质量和实现高级的控制策略。过程分析技术是通过在线工艺分析仪器对原材料、在线物料以及工艺过程的关键质量属性特征进行及时测量，并对这些数据进行分析和统计，形成有效的数据模型，最终来设计、分析和控制生产加工过程，以确保最终产品质量15。过程分析技术的基本原理包括风险管理、综合系统的理念和实时放行。简单地说，就是过程分析技术通过对工艺过程中影响产品关键质量属性的生产中物料参数的实时测量与分析，判断工艺过程的终点，减少资金和时间的消耗，保证最终产品的质量，达到实时放行的目的。过程分析技术就是对关键工艺参数和起始物料属性进行监测，以达到控制产品的生产工艺，确保关

39、键质量属性的得目的。通过过程分析技术对工艺过程的监测，得出具体的函数或者模型，深入理解其中的相互关系，以达到工艺理解的目的，最终对生产工艺过程进行合理有效的控制。在过去的二十年中各种各样的过程分析技术已被应用于多晶型监测。其中红外光谱和拉曼光谱的应用最普遍。在线分析技术能高效准确的测量多晶型药物的溶解度；监测结晶过程中的过饱和度；监测是否为单一的多晶型。本论文中用到了两种过程分析方法全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）和拉曼光谱，其中ATR-FTIR用于溶液浓度的测量，拉曼光谱用于晶型间组成的测定。4.1.1 全反射傅里叶变换红外（1）特点上世纪末，由于衰减全反射(ATR ) 技术的应

40、用，诞生了ATR-FTIR（衰减全反射傅里叶变换红外） 光谱仪。近年来，随着科学技术的发展，ATR-FTIR光谱仪实现了非均匀样品和不平整样品表面的微区无损测量，并且不需要透过样品，只是通过样品表面的反射信号，获得样品表层有机成分的结构信息16。因此，衰减全反射具有不破坏样品可测量含水和潮湿的样品；检测灵敏度高；操作简便和自动化等特点。（2）基本原理红外光根据波长范围分成近红外、中红外和远红外三个区域。中红外区（波长为2.525m）是应用最多的区域，因为在这个区域能很好地反映分子结构方面的特征以及分子内部所进行的各种物理过程，在解决分子结构和化学组成中的各种问题最为有效17。红外光谱是吸收化合

41、物分子振动时产生的特定波长的红外光，因此属于吸收光谱。由于决定分子的结构特征的化学键动力常数和连接在两端的原子折合质量不同，导致有机化合物的化学键振动所吸收的红外光的波长也就不同，这就是其理论依据。傅立叶变换红外（FTIR）光谱仪主要由光源，分束器，检测器，计算机和记录仪组成。光源发出的光被分束器分成两束，其中一束透射到达动镜上，另一束经反射到达固定镜。由于动镜运动，两束光分别再反射回分束器，经分束器分束后的两束光形成光程差，产生干涉。干涉光在分束器会合后通过样品池，在探测器接受到含有样品信息的干涉光后，经傅里叶变换对信号进行处理，最终得到红外吸收光谱图18，如图3所示。图 3傅里叶变换红外光

42、谱仪的原理（3）红外光谱的应用由于外部因素比如温度、样品特性、光散射、设备的飘移的影响。例如，当ATR-FTIR用在冷却结晶时，温度的大范围变化，影响了红外谱带形状，并且这个变化与溶液的浓度没有关联。因此，模型须使用多个通过化学体系预期的回归因素。非理想的模型对可解释性和稳健性产生不利影响。图4是氨基苯甲酸溶液的在线红外图谱，红色为溶液的红外图谱，黑色为溶剂的红外图谱。在做结晶试验以前，可以先测定溶剂的红外图谱，然后用溶液的图谱减去溶剂的图谱，即为溶质的红外图谱。在红外图谱中，溶质的特征峰的强度与浓度呈一定的比例关系，因此，可根据溶质特征峰的强度来表征溶质的浓度。图 4氨基苯甲酸溶液的在线红外

43、图谱4.1.2 拉曼光谱拉曼光谱是最快、最可靠和最合适的确定晶体的技术之一，可以监测晶型含量的变化。拉曼光谱可以分析固体、液体、气体或是任意组合的样品。结晶属于多相现象，其中固体有更大的散射截面，因此拉曼光谱是由固体主导的从固体和溶液两者的拉曼散射的组合。（1）基本原理当用波长比样品的粒径小的单色光照射样品时，小部分的光会向不同的角度散射开，产生散射光，而大部分的光会透射过样品。在垂直方向观察时，除了与原入射光有相同频率的散射外，还有一系列对称分布的若干条很弱的波长发生改变的拉曼谱线，这种现象称为拉曼效应19。由于样品分子振动或转动能级与拉曼谱线的数目、位移的大小和谱线的长度直接相关，所以分子

44、振动或转动的信息可以经过研究拉曼光谱得到。（2）拉曼光谱的应用偏最小二乘方法是拉曼光谱用于多晶型含量测量的常用的化学计量学，虽然已经报道过在结晶过程中用偏最小二乘方法对多晶型组合物进行定量监测的研究，但是仍有几个问题需要注意。首先，拉曼光谱校准是一个费时费力的过程，其中涉及收集不同比例的晶型和分散在溶液标准样品的拉曼光谱。由于对于温度效应的修正不太理想，因此在不同的温度下要进行整个过程的反复操作，减少误差。其次，在拉曼数据中，无关的变化使得偏最小二乘模型变得复杂。最后，受外部因素（如粒径、悬浮密度等）的影响，在整个结晶的操作中，可观测到的拉曼峰的强度的改变。以上这些问题需要通过预处理和先进的校

45、准方法来改善。拉曼光谱应用的实例如图5。图中显示的是氨基苯甲酸的晶型和晶型在溶液中的拉曼光谱图，在224cm-1位移处晶型有一个特征峰，而晶型在250 cm-1位移处有个特征峰。图 5氨基苯甲酸两种晶型的拉曼图谱特征峰的相对强度与多晶型的含量存在一定的正比关系，因此可根据这两个特征峰的相对强度来测定晶型或晶型在晶体中的含量。图6所示，每一条曲线就是一个时间点的拉曼光谱图，箭头方向表示时间的推移。从图中可明显看出，随着时间的变化，晶型的特征峰逐渐降低，晶型的特征峰则逐渐升高，这个现象说明晶型的含量在晶体中逐渐减少直至消失，最后完全转化成晶型。图 6氨基苯甲酸的晶型向晶型转化4.2 PAT的应用(

46、1)晶型的筛选在进行固体制剂的配方开发前，应对原料药的所有晶型进行筛选。晶型的筛选就是确定是否为制剂的关键工艺参数。理想的固态晶型应该是热稳定、合适的溶解性和易加工性。一般来说，热力学最稳定的晶型是最理想的，因为它有最低的转晶倾向。但是由于亚稳晶型有更好的溶解度和增强的生物利用度，有时也会选择亚稳晶型。由于多晶型物质存在转晶的可能性，因此，离线测量晶型，在取样过程中和样品的转移过程中存在较大的风险。采用在线分析方法，能实时测量混合晶型的组成。(2)多晶型溶解度曲线测量准确的溶解度数据是结晶工艺设计、开发和操作的关键，例如稳定晶型的设计空间在亚稳和稳定晶型的溶解度之间。溶解度确定了结晶的边界，对

47、于评估过饱和水平和晶型的稳定性非常重要。溶解度测量的典型的实验是在一定的温度下使有晶浆的溶液搅拌足够的时间（4-24小时），达到溶解平衡，过滤出去不溶的晶体，然后分析溶液的浓度。测量溶液浓度的技术有高效液相色谱和紫外可见吸收光谱法等。比较新的测量溶解度的方法是用过程分析技术监测溶液浓度的变化，实时的、在线监测可以让使用者优化平衡时间，以监测亚稳晶型是否发生了转化。溶解度测量结果，是控制过饱和度的先决条件。有好多种过程分析工具可以达到这个目的，其中用ATR-FTIR原位测定有晶浆的溶液浓度证明是可行的，它是在结晶工艺中被报道的使用的最广泛得过程分析工具，用于过程的监测和控制。（3）亚稳区宽度的测

48、量如图2所示，亚稳区是物质的溶解度和自发成核之间的区域，它决定了亚稳晶型的设计空间。亚稳区宽度的测量结果反映了结晶体系的成核动力学，并且一直被用来估计初期的成核动力学。在多晶型系统，通过分别测量每一种晶型的亚稳区，确定不同种类晶型的成核动力学。与溶解度不同，亚稳区具有动态属性通常受一系列操作参数的影响，如温度、过饱和率、杂质水平、混合和溶解时间等，因此在一个特定的操作条件下对亚稳区进行表征非常重要。对于给定的溶液体系，亚稳区宽度可以用等温法或多温法测量。在等温方法中，诱导期的是通过快速冷却饱和溶液到一个预定的温度并等温保持，直到检测到的成核。多温法是饱和溶液按固定冷却速度冷却，直到出现成核。亚

49、稳区的宽度可以用成核和饱和温度之间的差别计算得出。对于多晶型，除了测量诱导时间/成核温度，固态的晶型也应该被表征。在亚稳区的宽度的测量中，测量晶核的形成有各种各样的技术，总体可以分为两类。一类是监测成核的量的变化，如眼、粒子计数器、浊度计等。第二类是监测溶液浓度的变化，如ATR-FTIR、超声波传感器、密度计、电导率仪等。因为这些技术不能实时区别固态的晶型，晶体必须分离再进行分析，以检测多晶型的类型。由于处理固相时存在晶型转化的风险，因此这些可能会导致错误的结论。近来，拉曼光谱用来考察晶核的形成，它通过检测溶液中的不透明度的变化来确定成核时间，并且还有一个优势就是能在线监测晶型的种类。（4）

50、结晶工艺的设计和控制当设计结晶工艺结晶出需要的晶型时，可能的相位变换、动力学和速率控制机制的知识都是至关重要的。这些信息可确定结晶的操作参数，如温度，间歇时间等，以提高、预防所需的和不需要晶型的转换。粉末衍射、显微镜和粒度分析仪等可测定多晶型的含量，紫外可见光色谱法和高效液相色谱法等测量溶质的浓度，但都是离线测量的方法。由于某些多晶型转变和不稳定的动态特性，离线分析主要是受抽样误差的影响。因此，在线实时测量，如过程分析技术的应用将是更有利的。PAT的应用就是实时、在线检测过程中结晶的晶型及其转化过程控制。第5章 PAT在工艺开发中的应用5.1晶型分类在前面的第1.2节中按照多晶型的结构进行了分

51、类，但是在晶型药物结晶工艺的开发中，不仅要知道晶型的结构，还要知道晶型的热稳定性。因此，将晶型按照互变关系分类，可分为互变体系和单变体系。按照多晶型的相对稳定性分类，晶型又分为稳定晶型和亚稳晶型。图 7温度Tt为转化温度，Tt高于熔点的为单变关系，Tt低于熔点的为互变关系互变晶型：在不同的温度下，晶型的稳定性不同。如图7所示，自由能与温度的关系图，在图中，晶型的自由能越低越稳定。在互变关系的图中，当温度小于Tt时，晶型B为稳定晶型；当温度大于Tt时，晶型A为稳定晶型。 在测量晶型的溶解度时，尤其应注意这类晶型，因为在测量溶解度的过程中亚稳晶型有可能转化成稳定晶型，最终的结果是测量的混晶的溶解度

52、。单变晶型：多晶型在发生转化前融化，在固体形态下不能发生转化。图8中单变关系所示。稳定晶型：与亚稳晶型相比，具有相对较低的自由能。如图8单变关系中，晶型B的自由能低，所以是稳定晶型。在互变关系中，小于转化温度时，晶型B为稳定晶型。具体表现在溶解度相对亚稳晶型较低。亚稳晶型：具有相对较高的自由能。与稳定晶型相比具有较高的溶解度。5.2传统工艺与PAT的区别5.2.1传统结晶工艺开发过程传统工艺开发多晶型原料药结晶工艺的过程：设定参数 暗暗箱箱 产品 离线进行多晶型分析传统方法进行的试验设计为了考察工艺的变化对质量的影响，设定参数进行试验，然后对结晶的样品进行离线分析，这种试验的结果对结晶的机理了

53、解不够深入。并且对于一个复杂的工艺来说，这样获得信息的效率太低。如果进行一个完全析因设计的实验，需要进行2k次实验，k为参数的数量。如果k5，将这些实验完成，在实际工作中不可能。如表1，列举出来在结晶过程中涉及到的15个参数。传统的工艺分析需要取样、样品运输和实验室分析3个步骤实现。在此过程中存在各种风险，如取样的代表性，样品是否被污染以及分析的滞后性，不能及时反映出生产工艺的状态，这就难以及时制定出控制措施。表 1与结晶工艺相对应的参数工艺搅拌溶解加晶种滴加反溶剂降温熟化过滤参数搅拌速度，搅拌形式溶剂类型，比例，浓度时间，温度，数量，类型溶剂类型，滴加速度降温速率时间，温度温度，冲洗的溶剂5

54、.2.2用PAT进行工艺开发的优势传统的结晶工艺开发与运用PAT进行的工艺开发最主要的区别就是：传统工艺开发对结晶工艺的机理了解的不够深入，不能有效的控制结晶过程。在MA-K的结晶工艺开发时，想得到更加稳定的晶型，但是尝试了不同操作条件下使用不同的溶剂，都无法得到纯的晶型20。经过测量这两种晶型的溶解度，得出晶型的溶解度高于晶型的溶解度，因此在两种晶型溶解度之间的区域，即为生产出晶型的区间，通过PAT的反馈控制法，使结晶时的过饱和度控制在这个区间，就能生产出纯的晶型。PAT的运用强调的是对工艺的深入理解，找到影响关键质量属性的根本原因，并开发出相应的控制策略。这一点正是传统结晶工艺开发存在的不

55、足，因此传统工艺存在较高的风险。5.3稳定晶型的工艺开发5.3.1 MA-K晶型的筛选MA-K有两种无水晶型，晶型I 和II，原来工艺生产的是晶型I，晶型II还没有被鉴定出来。因为晶型I需要减小粒度以达到需要的生物利用度，在用气流粉碎时，有一部分晶型I发生了转化，经过验证转化成了晶型II。根据相对溶解度的测量，晶型II为更加稳定的晶型。虽然晶型I不是太稳定的晶型，但是由于动力学优势更加容易生产出来。在早期的工艺开发过程中，纯的晶型II从来没有直接从溶剂中结晶出来，做了各种尝试（在不同的操作条件下使用不同的溶剂），但是总是得到晶型I 和II的混合物。晶型II的早期制备方法：80，在以甲苯为溶剂的

56、晶型I的晶浆中（晶型I的溶解度为35mg/ml；晶型II的溶解度为20mg/ml），加入晶型II的晶种搅拌30小时以上。当最终得到晶型II时，由于产品在高温时的降解导致纯度降低。因此，最终的目标就是找到一种结晶的方法，使晶型II从溶剂中直接结晶出来。通过不同的溶剂体系、晶种的装载和结晶时间考察后，还是没能使纯的晶型II结晶出来。这说明传统的结晶开发过程不适于多晶型原料药的工艺开发。使用在线FTIR和拉曼光谱检测，显示结晶动力学是非常缓慢的。当体系的过饱和度增加时，可观察到晶型I的成核，在这个化合物析晶期间，没有观察到晶型II的初级成核。如上所述，为了避免晶型I的成核，控制API的浓度低于晶型I

57、的溶解度非常关键。为了达到目标，必须使用新的思路对晶型II的结晶工艺进行开发。首先，晶型II为稳定晶型，晶型I为亚稳晶型。晶型I较容易从溶剂中结晶出来，这种现象符合奥斯特瓦尔德规则。晶型为稳定晶型，溶解度低，可以控制反溶剂的滴加速度和降温速率使晶型II过饱和度保持在高水平而又不超过晶型I的溶解度，达到生产纯的晶型的目的。5.3.2溶解度的测量溶解度是通过在线红外光谱仪自动收集晶浆在不同溶剂组成中的IR光谱来获得的。为了保证是单一晶型的溶解度，在测量溶解度期间，用在线拉曼光谱对晶型进行监测，晶型I转化为晶型II非常缓慢，因此在测量晶型I的溶解度时，没有观察到晶型的变化。两种晶型的溶解度如图820。在MK-A晶型I和晶型II的溶解度之间的区域，即为晶型II结晶工艺的设计空间。此区间属于晶型I的欠饱和区间，因此不会自发成核，而晶型II在此区间属于过饱和区，但是根据奥斯特瓦尔德规则，稳定晶型不易自发成核。因此需要加入晶型II的晶种，进行诱导结晶。图 8在65， MK-A的晶型I和晶型II的溶解度曲线5.3.3结晶过程晶型的控制在反溶剂