药物晶型略谈

1、.,1,药物晶型略谈,20*-0*-* *,研发中心-,.,2,引言-几个问题,何为晶型，其特点？ 晶体如何形成？ 晶型样品的制备？ 药物晶型的稳定性？ 药物晶型检测？ 晶型定性、定量控制？,.,3,总述,晶型是药物重要属性之一。因为不同的晶型可能有不同的物理化学性质(比如溶解度，溶出速度，稳定性等)从而影响到药品的有效性、安全性或质量。当固体药品存在多晶型现象,且不同晶型状态对药品的有效性、安全性或质量可产生影响时,应对药品固体制剂、半固体制剂、混悬剂等中的药用晶型物质状态进行定性或定量控制。 同时，晶型在原料药的纯化，分离效率，和材料特质等方面也有重要影响。对于存在多晶型的药物，国际药物监

2、管机构要求新药和仿制药的申报者提供资料来证明其对晶型有足够了解和控制。 一般情况下，药企会首选热力学最稳定的优势晶型进行新药研发，以保证药品的有效性、安全性与质量可控。但有些时候，药企也会选择高能量的亚稳定晶型或无定型物来提高产品的生物利用度或者选择新型固体形态以便规避有关专利。,.,4,提纲,1.药物多晶型的基本概念,2.晶型样品的制备,3.晶型物质状态的稳定性,6.药品晶型质量控制方法,4.晶型药物的生物学评价,5.晶型药物溶解性或溶出度评价,.,5,A solid material whose constituent atoms, molecules or ions are arrang

3、ed in an orderly repeating pattern extending in all three spatial dimensions. 即是内部质点(原子、离子或分子)在三维空间呈周期性重复排列的固体。 质点在三维空间作周期性的平移重复，从而构成所谓的格子构造。晶体是具有格子构造的固体。 对称性和周期性,晶体的概念,.,6,固体分类,晶体：晶态物质 (晶体)中分子间堆积呈有序性、对称性与周期性。 非晶体(无定形)：非晶态(无定型态、玻璃体)物质中分子间堆积呈无序性。 准晶体：一种介于晶体和非晶体之间的固体。 以色列科学家丹尼尔舍特曼因发现准晶体而获得2011年诺贝尔化学奖。

4、 准晶是一种介于晶体和非晶体之间的固体。准晶具有完全有序的结构，然而又不具有晶体所应有的平移对称性 。,.,7,固态药物分类,.,8,晶体的特征,1.长程有序：晶体内部原子在至少在微米级范围内的规则排列。 玻璃：短程有序、长程无序。 2.均一性：晶体内部各个部分的宏观性质是相同的。 3.各向异性：晶体的物理性质随着方向的不同而产生差异。 4.对称性：晶体的理想外形和晶体内部结构都具有特定的对称性。晶体分类的基础 。 5.自限性：晶体具有自发地形成封闭几何多面体的特性。 6.解理性：晶体具有沿某些确定方位的晶面劈裂的性质。 7.最小内能与稳定性：在相同热力学条件下，晶体与同种物质非晶体相比，其内

5、能最小。 8.晶体面角守恒定律(1699)：同种物质的晶体，其对应晶面间的角度守恒。,.,9,晶胞及晶系,晶胞：能完整反映晶体内部原子或离子在三维空间分布之化学结构特征的平行六面体单元。 单位晶胞 ：其中既能够保持晶体结构的对称性而体积又最小者。 晶胞参数：三组棱长a、b、c及棱间交角、来表征,共有七大晶系。,.,10,七个晶系，14个布拉菲点阵，230种空间群,.,11,多晶型现象 (Polymorphism)：The ability of a solid material to exist in more than one form or crystal structure. (固体物质能

6、以两种或两种以上不同的晶体结构存在的现象) 用于描述固体化学药物物质状态，由一组参量(晶胞参数、分子对称性、分析排列规律、分子作用力、分子构象、结晶水或结晶溶剂等)组成。当其中一种或几种参量发生变化而使其存在有两种或两种以上的不同固体物质状态时,称为多晶型现象(polymorphism)或称同质异晶现象。通常, 难溶性药物易存在多晶型现象。 Polymorphs(多晶型) 1. Solid phase(固相) 2. Same chemical composition(化学成分相同) 3. Differnet molecular arrangements(分子排列不同),药物多晶型 Pharma

7、ceutical crystals,.,12,药物晶型的重要性,Most drugs are developed as crystalline. 晶型研究的重要性 1.物理和化学稳定性(Stability) 2.溶解性、溶出率和生物利用度(Bioavailability) 3.工艺可开发性(Processability) FDA指南(Guidance for Industry. ANDAs: Pharmaceutical Solid Polymorphism ) “Polymorphic forms of a drug substance can have different chemical

8、 and physical properties, including melting point, chemical reactivity, apparent solubility, dissolution rate, optical and mechanical properties, vapor pressure, and density. Thus, polymorphism can affect the quality, safety, and efficacy of the drug product.”,.,13,公司: Abbott 药名：利托那韦(Norvir) 剂型：胶囊 教

9、训：1998年，晶型发生变 化，药品退市，直接经济损失上亿美元,.,14,晶型专利的重要性,申请晶型专利保护的重要性 Innovative Drug Companies: a way to extend the life of its intellectual property right. Generic Drug Companies: a way to enter the game early; Prepare to enter generic market without undue delay; Enjoy independently protectable IP(intellectu

10、al property) right.,不同层次的专利保护 New Chemical Entity Enantiomer Salt Form Crystal Form (Polymorph) Formulation Process,.,15,如何筛选和选择药物新晶型,单晶培养 手动筛选 机器筛选,高通量晶型筛选(High throughput screening),.,16,药物晶型筛选中的溶剂设计,.,17,如何选择一个最佳的晶型进行开发,Polymorphs Discovered发现所有可能的晶型,Stability (chemical & physical),Bioavailabilit

11、y(Solubility & Dissolution),Processability(API, Formulation),Desired Polymorph选择出最佳的晶型进行开发,Analytical,Preformulation,Formulation,Process,Biopharm,Other,.,18,晶型样品的制备,采用化学或物理方法，通过改变结晶条件参数可获得不同的固体晶型样品。 常用化学方法主要包括：重结晶法、快速溶剂去除法、沉淀法、种晶法等； 常用物理方法主要包括：熔融结晶法、晶格物理破坏法、物理转晶法等。 晶型样品制备方法可以采用直接方法或间接方法。各种方法影响晶型物质形成

12、的重要技术参数包括：溶剂(类型、组成、配比等)、浓度、成核速率、生长速率、温度、湿度、光度、压力、粒度等。鉴于每种药物的化学结构不同，故形成各种晶型物质状态的技术参数条件亦不同，需要根据样品自身性质合理选择晶型样品的制备方法和条件。,.,19,成核是一个相变过程，即在母液相中形成固相小晶芽，这一相变过程中体系自由能的变化为： G=Gv+Gs 式中Gv为新相形成时体自由能的变化，且Gv0, GS为新相形成时新相 与旧相界面的表面能，且GS0。,晶体的形成,成核过程有一个势垒：晶核很小时表面能大于体自由能，而当晶核长大后表面能小于体自由能。,介质达到过饱和、过冷却,晶核形成,晶体生长,晶体,.,2

13、0,G=Gv+Gs 只有当G 0时，成核过程才能发生，因此，晶核是否能形成，就在于Gv与Gs的相对大小。 体系自由能由升高到降低的转变时所对应的晶核半径值rc称为临界半径。,思考：为什么在杂质、容器壁上容易成核？ 为什么人工合成晶体要放晶种？,.,21,一旦晶核形成后，就形成了晶-液界面，在界面上就要进行生长，即组成晶体的原子、离子要按照晶体结构的排列方式堆积起来形成晶体。1.层生长理论模型(Layer growth，科塞尔理论模型)-先长一条行列，然后长相邻的行列，长满一层面网后，再开始长第二层面网。2.螺旋生长理论模型(Spiral growth，BCF理论模型) -在晶体生长界面上螺旋位

14、错露头点所出现的凹角及其延伸所形成的二面凹角可作为晶体生长的台阶源。,晶体的生长,.,22,决定晶体生长形态的内因,1.布拉维法则(Law of Bravais) 实际晶体的面网常常是由晶体格子构造中面网密度大的面网发育成的。 2.PBC(周期性键链)理论 晶体存在强键链，晶体平行键链生长，键力最强的方向生长最快；平行强键链最多的面常成为晶面。 3.居里-吴里夫原理(最小表面能原理) 对于平衡形态而言,晶面的生长速度与晶面的表面能成正比。,.,23,决定晶体生长形态的外因,外因通过内因起作用,涡流,温度,杂质,粘度,结晶速度,.,24,1.涡流：在生长着的晶体周围，溶液中的溶质向晶体粘附，其本

15、身浓度降低以及晶体生长放出热量，使溶液密度减小。由于重力作用，轻溶液上升，远处的重溶液补充进来，从而形成了涡流。涡流使溶液物质供给不均匀，有方向性，同时晶体所处的位置也可能有所不同，如悬浮在溶液中的晶体下部易得溶质的供应，而贴着基底的晶体底部得不到溶质等等，因而生长形态特征不同。 为了消除因重力而产生的涡流，现已在人造地球卫星的失重环境中试验晶体的生长。,.,25,2.温度：在不同的温度下，同种物质的晶体，其不同晶面的相对生长速度有所改变，影响晶体形态，如方解石(CaCO3)在较高温度下生成的晶体呈扁平状，而在地表水溶液中形成的晶体则往往是细长的。石英和银石矿物晶体亦有类似的情况。 3.杂质：

16、溶液中杂质的存在可以改变晶体上不同面网的表面能，所以其相对生长速度也随之变化而影响晶体形态。例如，在纯净水中结晶的石盐是立方体，而在溶液中有少量硼酸存在时则出现立方体与八面体的聚形(图I-2-11)。,.,26,4.粘度：溶液的粘度也影响晶体的生长。粘度的加大，将妨碍涌流的产生，溶质的供给只有以扩散的方式来进行，晶体在物质供给十分困难的条件下生成。由于晶体的棱角部分比较容易接受溶质，生长得较快，晶面的中心生长得慢，甚至完全不长，从而形成骸晶。骸晶亦可在快速生长的情况下生成，如图I-2-12所示的石盐的骸晶。还有一些骸晶则是因凝华而生成的，如图I-2-13之雪花。,.,27,5.结晶速度：结晶速

17、度大，则结晶中心增多，晶体长的细小，且往往长成针状、树枝状。反之，结晶速度小，则晶体长得极大。如岩浆在地下缓慢结晶，则生长成粗粒晶体组成的深成岩，如花岗岩，但在地表快速结晶则生成由细粒晶体甚至于隐晶质组成的喷出岩，如流纹岩。结晶速度还影响晶体的纯净度。快速结晶的晶体往往不纯，包裹了很多杂质。 影响晶体生长的外部因素还有很多。如晶体桥出的先后次序也影响晶体形态。先析出者有较多自由空间，品形完整，成自形晶，较后生长的则形成半自形晶或他形晶。同一种矿物的天然晶体于不同的地质条件下形成时，在形态上、物理性质上部可能显示不同的特征，这些特征标志着晶体的生长环境，称为标型特征。,.,28,晶型物质状态的稳

18、定性,自然界中的固体物质可处于稳定态、亚稳定态、不稳定态三种状态，晶型物质亦如此。化合物晶型物质状态会随着环境条件变化(如：温度、湿度、光照、压力等)而从某种晶型物质状态转变为另外一种晶型物质状态，称为转晶现象。 由于药用晶型物质的稳定性会影响到药品的临床有效性与安全性，故需要对多晶型药物制剂进行晶型物质状态的稳定性研究。研究内容包括：原料药成分的晶型物质状态的稳定性，原料药晶型物质与制剂处方中各种辅料的相容性，制剂的制粒、成型、干燥等工艺对原料药晶型物质状态的影响等。,.,29,通过晶型物质状态的稳定性研究，可为优势药物晶型物质状态选择、药物制剂处方、制备工艺过程控制、药品贮存条件等提供科学

19、依据。稳定或亚稳定(有条件的稳定)的晶型物质具有成药性，不稳定晶型物质不具有成药性。 根据稳定性试验项下的影响因素试验方法和条件，考察晶型物质状态对高温、高湿、光照条件的稳定性；采用压力方法考察晶型物质状态对压力的稳定性，观察晶型物质状态是否发生转晶现象。,.,30,晶型的转变及晶型稳定性的影响因素,药物晶体大多是分子晶体，晶格能差值较小，容易发生晶型转变 。,.,31,晶型稳定性,Gibbs Free Energy：在一定的温度和压力下， 当两种晶型发生转变时，吉布斯自由能之差为决定性因素。 溶解度：a的溶解度高于b的溶解度，则b相对于a稳定 。 悬浮法：将晶型a在溶剂中形成悬浊液， 在不同

20、的温度条件下悬浮，若仍然为晶型a， 一般情况下， 晶型a为稳定晶型，若出现了晶型b， 则在该溶剂下， 晶型b相比于晶型a稳定 。 共融法：将晶型a与晶型b按一定的比例混合，升温并保持(接近低熔点)，若晶型a的比例升高，则在高温条件下晶型a相比于晶型b稳定。 密度法：在绝对零度条件下，对于非氢键系统， 最稳定的晶型具有最强的范德华分子间作用力，其密度最大 。,.,32,晶型药物的生物学评价,需要采用符合晶型物质状态规律的生物学评价的科学方法。溶液状态下的体外细胞评价方法、已发生转晶的悬浮液体内给药等评价方法无法反映固体晶型物质真实的生物学特征。故应采用动物体内试验并固体给药方式,可获得晶型物质真

21、实的生物学评价数据。,.,33,晶型药物的溶解性或溶出度评价,本法为体外晶型物质评价的辅助方法。 当原料晶型物质状态不同时，晶型原料或固体制剂的溶解或溶出性质可能存在较大差异，所以需要进行晶型物质与溶解或溶出性质的关系研究。以溶解度或溶出度、溶解速率或溶出速率作为评价指标。 原料药采用溶解曲线法，固体制剂采用溶出曲线法，可参照口服固体制剂溶出度试验技术指导原则相关内容进行溶解曲线或溶出曲线比较。,.,34,药品晶型质量研究方法,根据药物的不同晶型性质，可选择有效的质量控制方法，X-射线粉末衍射法是研究药物多晶型的最常用和有效的方法。,.,35,不同晶型种类判断,当供试品原料药化学物质确定且鉴别

22、方法一致时，鉴别获得的图谱或数据若发生变化，说明样品中的晶型物质种类或成分发生了改变，可能由一种晶型变为另外一种晶型、或混晶物质种类或比例发生了改变。 绝对鉴别法：单晶X射线衍射法(SXRD) 相对鉴别方法： 为需要借助已知晶型信息完成晶型种类鉴别的方法，适用于不同晶型物质的图谱数据间存在差异的晶型种类鉴别。利用相对晶型鉴别方法确定供试品晶型需要与已知晶型样品的图谱数据进行比对。方法仅适用于晶型原料药。,.,36,单晶X射线衍射法(SXRD),属绝对晶型鉴别方法，可通过供试品的成分组成(化合物，结晶水或溶剂)、晶胞参数(a，b，c，V)、分子对称性(晶系，空间群)、分子键合方式(氢键，盐键，配

23、位键)、分子构象等参量变化实现对固体晶型物质状态鉴别。方法适用于晶态晶型物质的鉴别。方法仅适用于晶型原料药。,.,37,X-射线衍射法测定晶体结构原理,晶体的衍射Bragg方程： 2dsin=n,X-射线是波长在110之间的一种电磁辐射，这个波长范围正好与晶体中的原子间距(1 )数量级相同，因此，可以用晶体平面点阵来作为X-射线的天然的衍射光栅，从对衍射现象的分析，我们可以得到有关晶体结构的信息。,当每两个相邻波源在某一方向的光程差等于波长的整数倍时，它们的波峰与波峰将互相叠加而得到最大限度的加强。这种波的加强叫做衍射。,.,38,粉末X射线衍射法(PXRD),晶态物质粉末X射线衍射图谱呈锐峰

24、，无定型态物质粉末X射线衍射图谱呈弥散峰。晶型鉴别时利用供试品衍射峰的数量、位置(2或d)、强度(相对或绝对)、各峰强度之比等参量变化实现对晶型物质状态的鉴别。 方法适用于晶态与晶态、晶态与无定型态、无定型态与无定型态等各种晶型物质的鉴别。若判断两个晶态样品的晶型物质状态一致时，应满足衍射峰数量相同、二者2值衍射峰位置误差范围在0.2内、相同位置衍射峰的相对峰强度误差在5%内，衍射峰的强弱顺序应一致；若判断两个无定型态样品的晶型物质状态一致时,应满足弥散衍射峰几何拓扑形状完全一致。,.,39,晶型/无定形的检测和定量分析,Amorphous system: Broad halo Mixed s

25、ystem: Crystalline peaks superimposed on the halo,.,40,红外光谱法(IR),在有机物分子中，组成化学键或官能团的原子处于不断振动的状态，其振动频率与红外光的振动频率相当。所以，用红外光照射有机物分子时，分子中的化学键或官能团可发生振动吸收，不同的化学键或官能团吸收频率不同，在红外光谱上将处于不同位置，从而可获得分子中含有何种化学键或官能团的信息。 晶体结构的改变也会引起红外吸收光谱的改变，不同晶型固体药物的红外吸收光谱的差异，主要表现在峰形变化、峰位偏移、峰强度改变等。该方法适用于分子作用力变化的晶型物质状态的鉴别，对晶型物质状态鉴别推荐采

26、用衰减全反射进样法。 在多晶型的红外光谱测定时，一般采用石蜡油糊法(Nujol法)，避免晶型在研磨压片中发生变化。红外光谱较易受样品中杂质干扰、影响，不同晶型的谱线差别不及X射线衍射谱明显，需仔细鉴别。另外有时红外吸收光谱两种晶型相同，而X-射线衍射谱明显不同，因此确定是否存在多晶型，不能只用红外吸收光谱。,.,41,拉曼光谱法(RM),利用供试品不同晶型物质特有的分子极化率变化，引起指定波长范围的拉曼光谱吸收峰的位置、强度、峰形几何拓扑等参量变化实现对晶型物质状态的鉴别。,将单色光源照射到试样上，光子与试样分子振动的相互作用使得散射光的波长偏离入射光波长，对散射光进行收集分析，通过检测分子振

27、动的拉曼光谱特征频率可以分析试样的化学结构。同种化合物的不同晶型，由于其堆积方式不同导致分子振动不同。,.,42,同红外光谱一样，拉曼光谱法可用于药物多晶型的定性、定量分析，晶体结构的改变会引起拉曼光谱的改变。因拉曼散射是与晶体分子之间的排列有关，即晶体不同，其拉曼光谱也不同。,.,43,差示扫描量热法(DSC),差示扫描量热法(differential scanning calorimeter, DSC)是在程序控温下，测量物质与参比物之间的能量差随温度变化的一种技术。 利用供试品不同晶型物质特有的热力学性质，通过供试品吸热峰或放热峰的数量、位置、形状、吸热量(或吸热焓)等参量变化实现对晶型

28、物质状态的鉴别。 方法适用于不同晶型物质的熔融吸热峰值存在较大差异或供试品中含有不同数量和种类结晶溶剂(或水)的晶型物质的鉴别。,.,44,不同晶型的DSC-热力学稳定性,.,45,热重法(TG),利用供试品不同晶型物质特有的质量一失重百分率与温度 关系参量的变化实现对晶型物质状态的鉴别。 方法适用于供试 品中含有不同数量和种类结晶溶剂(或水)的晶型物质的鉴别。,.,46,毛细管熔点法(MP) 利用供试品不同晶型物质在加热时产生的相变过程、透光率等参量变化实现对晶型物质状态的鉴别。方法适用于熔点值差异大的晶型物质的鉴别。熔距可反映晶型纯度，熔距小于1时表明供试品的晶型纯度较高。制样时应注意避免

29、研磨可能造成的转晶现象。 光学显微法(LM) 当供试品不同晶型具有不同的固体外形特征时，可通过不同晶型物质特有的固体外形实现对晶型物质状态的鉴别。 偏光显微法(PM) 供试品呈晶态与无定型态时的偏光效应参量变化，实现晶型物质状态的鉴别。 判断单一晶型是视野内所有晶体在某一角度同时消失或变亮，双晶在正交偏光镜下表现为相邻两个单体不同时消光，呈现一明一暗现象。,.,47,晶型含量分析,晶型物质含量是表征供试品中所包含的某种特定晶型物 质成分量值，用百分数表示晶型含量。晶型含量分析方法指进行供试品晶型成分的定量或限量分析。 晶型药品质量控制应优先选择定量分析方法。定量分析 方法有单晶X射线衍射法(S

30、XRD)、粉末X射线衍射法 (PXRD)、差示扫描量热法(DSC)、红外光谱法(IR)等。,.,48,方法学研究,采用的晶型定量或限量分析方法应符合药品质量标准分析方法验证指导原则的准确度、重复性、专属性、定量 限、线性、范围、耐用性等内容。 鉴于不同定量或限量分析技术和方法的基本原理不同，应选择能够表征晶型物质成分与含量呈线性关系的13个参数作为定量或限量分析的特征性参量。,.,49,单晶X射线衍射法（SXRD),获得原料药100%晶型纯品数据。 SXRD分析对象仅为一颗单晶体，原理是利用X射线对晶体产生的衍射效应，其分析数据代表了某种晶型纯品的结果。SXRD法可以揭示供试品晶型成因，给出晶

31、型物质的晶 体学各种定量数据。 采用SXRD分析数据，通过理论计算获得100%晶型纯品的PXRD图谱和数据，作为晶型物质标准图谱。,.,50,粉末X射线衍射法（PXRD),定量分析，获得供试品晶型含量数据。 PXRD是表征供试品对X射线的衍射效应，即衍射峰的位置（d或2值）与衍射强度关系的图谱。晶型供试品的衍射峰数量与对称性和周期性相关，各个衍射峰位置用d() 或如2()表示；衍射峰强度可用峰高度或峰面积表示，其绝对强度值等于每秒的计数点CPS单位，相对强度值等于(其他峰绝对值最强峰绝对值)x100%；衍射峰强比例表示了供试品中各衍射峰间的相对强度关系和衍射峰形几何拓扑变化。,.,51,a)晶

32、型原料药分析：为实现对原料药晶型物质的定量控制目的，需要 选取能够反映原料药晶型物质含量变化的 13个特征衍射峰，特征衍射峰的强度应与晶型含量（或晶型质量)呈线性关系； 建立混晶原料药样品标准曲线：通过配制两种或多种晶型比例的混晶样品，建立混晶样品中的各种晶型含量与特征峰衍射强度关系的标准曲线，可以实现对原料药的混晶晶型种类和比例的含量测定； 为保证不同时间点的晶型检测，可通过建立随行标准曲线法或标准曲线加外标法进行原料药晶型含量测定，以实现对不同时间点供试品的晶型成分含量测定。,.,52,制剂中晶型原料药定量分析 需要固体制剂、晶型原料药、空白辅料； 选取能够反映固体制剂中晶型原料药成分含量

33、变化特征的13个衍射峰，特征衍射峰的强度应与晶型含量呈线性关系； 建立制剂中原料药晶型含量标准曲线：利用空白辅料与晶型原料药配置成不同比例的混合样品，建立固体制剂中晶型原料药含量与特征峰衍射强度的标准曲线，利用标准曲线可实现对固体制剂中的原料药的晶型含量测定目的； 为保证不同时间点的晶型检测，可通过建立随行标准曲线法或标准曲线加外标法进行原料药晶型含量测定，对不同时间点供试品的晶型成分进行含量测定。,.,53,(c)方法说明 定量方法需要借助SXRD数据通过理论计算获得100%晶型纯品的PXRD图谱和数据作为晶型物质标准或使用晶型标准品获得标准图谱作为晶型物质标准。 实验用样品需经前处理步骤，有机供试品应过100目筛，无机供试品