Effect of external mechanical forces on the crystallographic solid form and dissolution rate of traditional Chinese medicine extracts——taking Ligustrum lucidum extract as an example
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摘要:
以女贞子提取物为例,考察不同制剂工艺条件下机械外力对晶体学固态形式及药物溶出这一关键质量属性的影响,为中药制剂的制备与质量控制提供指导。在不同粉碎和压片工艺条件下,采用偏光显微镜观察女贞子提取物的晶体学固态形式变化。同时,考察该变化对提取物溶出速率的影响,分析晶体含量和溶出速率之间的数学关系。结果显示,球磨及压片工艺对女贞子提取物的晶体学固态形式产生显著影响,无定形态的提取物出现了明显的转晶现象,且转晶后溶出速率显著下降。进一步的研究揭示了晶体含量和溶出速率之间存在负相关的线性关系。研究结果表明,中药提取物在制剂过程中可能会存在晶体学固态形式转变现象,这一现象可能对中药制剂的质量产生潜在风险,提示我们在中药制剂的制备过程中,应重视和加强对中药提取物晶体学固态形式的研究,以保障中药制剂的安全性、有效性与质量可控性。
Abstract:Taking the Ligustrum lucidum extract as an example, this study investigated the influence of external mechanical forces under different processing conditions on the crystallographic solid form and the key parameter of drug dissolution rate, so as to provide guidance for the preparation and quality control of traditional Chinese medicine preparations. Under different pulverization and tableting conditions, the change of crystallographic solid form of L. lucidum extract was observed by polarizing light microscope. Meanwhile, the effect of this change on the dissolution rate was investigated, and the mathematical relationship between crystal content and dissolution rate was analyzed. The results showed that the process of ball milling and tableting had a significant impact on the crystallographic solid form of L. lucidum extract. The amorphous extract displayed crystal transformation, which induced a significant decline in dissolution rate. Further studies revealed that there was a negative linear relationship between crystal content and dissolution rate. The results of this study indicated that the crystallographic solid form transformation of traditional Chinese medicine extracts might occur during the preparation process, which may cause potential risks to the quality of traditional Chinese medicine preparations. It is suggested that we should pay attention to and strengthen the investigation of the crystallographic solid form during the preparation process, so as to guarantee the safety, effectiveness, and quality controllability of traditional Chinese medicine preparations.
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固体药物由于分子堆积方式的差异构成了不同的固体形态(晶态、无定形态),晶态药物中分子堆积呈现周期性、有序性和对称性的特点,而无定形态药物由于晶格破坏呈无序性堆积[1]。中药提取物往往采用喷雾干燥工艺进行固化,该工艺过程中,可实现极快的溶剂蒸发,从而有利于无定形态中药提取物的形成[2−3]。与晶态药物相比,无定形态药物具有更高的表面自由能、较大的比表面积和较好的润湿性[4]。因此,无定形的晶体学固态形式赋予中药提取物在溶解度、溶出度[5−7]及机械性能[8−10]等方面的优良特性,是其有效成分快速溶解、吸收、起效的重要原因。然而,无定形态药物的热力学稳定性差,前期研究表明,无定形态的中药复杂提取物受不同温湿度环境的影响,易转变为稳定的晶态,从而导致其理化性质优势甚至临床药效的显著下降[11]。中药制剂的制备工艺如粉碎、过筛、混合、压片等往往涉及到机械外力作用[12],机械外力是否会对无定形态中药提取物产生类似影响,这是值得进一步深入探讨的问题。为此,本研究以无定形态女贞子提取物为模型药物,重点探讨了不同粉碎、压片工艺过程中机械外力对其晶体学固态形式的影响,进一步系统研究了女贞子提取物晶体含量和溶出速率之间的内在联系,为中药制剂的工艺设计提供参考,并为丰富和完善中药质量控制体系提供新的思路。
女贞子是木犀科植物女贞 (Ligustrum lucidum Ait.)的干燥成熟果实。女贞子所含化学成分种类丰富,主要包括三萜类、环烯醚萜类、黄酮类等[13]。其中,三萜类有效成分齐墩果酸、熊果酸已被成功开发为上市产品,具有显著的保肝护肝、抗肿瘤、降血糖等作用[14],在临床上应用广泛[15]。前期研究表明,该提取物以无定形态存在,在不同温湿度条件下晶体学固态形式稳定,不易发生转晶,机械外力对其转晶情况的影响尚无文献报道。选择该提取物作为模型药物具有较好的代表性。
1. 材 料
1.1 药品与试剂
女贞子提取物 (批号RP211120,陕西瑞林帕尼尔生物科技有限公司);齐墩果酸 (批号C12666493, 纯度97%, 上海麦克林生化科技股份有限公司); 氢氧化钠 (西陇科学股份有限公司);十二烷基硫酸钠、二水合磷酸二氢钠 (国药集团化学试剂有限公司);乙腈 (德国CNW Technologies GmbH 公司);实验用水 (Milli-Q水纯化系统自制, 美国Millipore公司);磷酸 (南京化学试剂股份有限公司);玉米油 (益海嘉里金龙鱼粮油食品股份有限公司)。
1.2 仪 器
LC-2010A HT高效液相色谱仪 (日本Shimadzu公司);Eclipse Ci-POL偏光显微镜 (日本Nikon株式会社);DECO-PBM-V-0.4L行星式高能球磨机 (长沙市德科仪器设备有限公司);Micron Jetmill lab超微气流粉碎机 (诺泽流体科技有限公司);Carver
4350 液压机 (美国Carver公司);MX-F涡旋仪 (北京大龙有限公司);PB-10 pH计 (德国Sartorius公司);RC806D溶出试验仪 (天津市天大天发科技有限公司);BSA124S电子天平 (德国Sartorius公司);KH-250DE数控超声波清洗器 (昆山禾创超声仪器有限公司)。2. 方 法
2.1 高效液相色谱法 (HPLC)
2.1.1 色谱条件
依据文献报道[16],采用Symmetry C18色谱柱 (250 mm×4.6 mm, 5 μm)对女贞子提取物进行HPLC检测,色谱条件包括:流动相乙腈-0.1%磷酸水 (90∶10),流速1.0 mL/min,检测波长210 nm,柱温35 °C,进样体积20 μL,运行时间10 min。
2.1.2 对照品溶液的配制
精密称取齐墩果酸10.3 mg,置10 mL量瓶中,加入甲醇超声溶解并定容至刻度,振荡摇匀,得齐墩果酸对照品贮备液 (质量浓度为1.03 mg/mL)。用移液管精密移取齐墩果酸对照品贮备液适量,分别稀释25,50,100,200,
1000 ,2000,5000 倍,取上述各稀释溶液,用0.22 μm尼龙针式滤器过滤,取续滤液按“2.1.1”项下色谱条件测定,记录色谱图。2.1.3 供试品溶液的配制
精密称取女贞子提取物10 mg,置10 mL量瓶中,加入甲醇超声溶解并定容至刻度,振荡摇匀,得母液。将该母液稀释10倍,平行配制3份。用0.22 μm尼龙针式滤器过滤,取续滤液按“2.1.1”项下色谱条件测定,记录色谱图。
2.2 不同粉碎工艺对女贞子提取物晶体学固态形式稳定性的影响
粉碎方式、粉碎时间等条件的差异往往会导致粉体的理化性质有所不同[17]。鉴于气流粉碎和球磨在中药提取物的生产及后续制剂工艺中的广泛应用,本研究结合实际生产过程中的参数设置,探讨在不同粉碎时间下,这两种工艺对女贞子提取物晶体学固态形式的影响。
2.2.1 气流粉碎的影响
称取女贞子提取物10 g,调节进料压力和粉碎腔压力分别为3和2 bar(1 bar=100 kPa),均匀进料,分别粉碎1次、2次和3次,得到气流粉。取少量粉末置于载玻片上,滴加适量液体石蜡分散均匀,在偏光显微镜 (PLM)下观察各样品的晶体学固态形式。
2.2.2 球磨的影响
称取女贞子提取物1 g置于行星式高能球磨机的磨罐中,采用不锈钢材质的磨罐和磨球,磨球的直径分别为2、8和10 mm,其质量比为1∶2∶2,设置频率为30 Hz,分别球磨10、20和30 min,得到球磨粉。取少量粉末置于载玻片上,滴加适量液体石蜡分散均匀,在PLM下观察各样品的晶体学固态形式。
2.3 压片工艺对女贞子提取物晶体学固态形式稳定性的影响
为了避免其他赋形剂的干扰,采用将女贞子提取物直接压片的方式来考察压力大小对其晶体学固态形式的影响。称取女贞子提取物0.2 g,在常规压片的压力范围内选取低、中、高3种压力即75、225、375 MPa,使用液压机压片20 s,刮取片剂表面和内部的粉末置于载玻片上,滴加适量液体石蜡分散均匀,在PLM下观察各样品的晶体学固态形式。
2.4 不同晶体含量女贞子提取物样品的制备
称取女贞子提取物0.2 g,固定液压机的压力大小为375 MPa,分别压片3、5、10、20 min,取下药片,用研杵轻轻碾碎后过100目筛网3遍,得到不同晶体含量的样品,分别记作样品2、3、4、5,未经过处理的女贞子提取物记作样品1。
2.5 晶体定量
科学的表征方法是药物晶体学研究的核心要素。对于单一化合物而言,常规的晶体定量方法如粉末X射线衍射法 (PXRD)、差示扫描量热法 (DSC)等[18]虽然被广泛应用,但也存在一定的局限性。例如,样品粉末形状、大小引起的择优取向将对PXRD测定结果产生影响;DSC技术会对样品造成不可逆的损伤,不适用于多成分复杂体系和熔融即降解样品[19]。中药提取物中的化学成分复杂多样,不同成分之间的晶态表征图谱复杂且相互干扰,目前难以实现对其中单一化学成分的定性和定量分析。本研究根据偏振光透过各向异性的晶态药物产生双折射现象而各向同性的无定形药物不具有双折射现象的差异,采用PLM将两者进行区分,同时借鉴细胞计数的定量分析思路[20],运用开源性图像处理软件Image J进行数据分析,构建了一种适用于中药多成分复杂体系的整体晶体定量方法。该方法具有快速、简便、直观的优点并且能够更好地顺应中药的整体研究理念。
2.5.1 不同晶体含量标准品的制备
将纯晶体齐墩果酸和纯无定形女贞子提取物分别过100目筛网3遍,称取粉末适量,先将两者用等量递增法混合均匀,再倒入适宜大小的螺口瓶中多方位涡旋混合15 min,最后将混合物过100目筛网3遍,得到晶体含量分别为10%、20%、40%、60%、80%、100%的标准品。
2.5.2 晶体数量的计算
精密称取样品100 mg置5 mL玻璃试管中,加入玉米油2.5 mL,涡旋混合1 min,得到均匀的混悬液。用移液枪量取混悬液30 μL置载玻片上,用小刮刀将其铺展至2.25 cm2方格 (预先在载玻片下画出1.5 cm×1.5 cm的方格,按方格涂满),把载玻片置PLM下,调整光源为透射光,背景颜色为蓝色,物镜为5倍镜,目镜为10倍镜。为了减小单视野、单角度以及单样品观察存在的误差,将方格平均划分成4个区域,分别在4个区域内观察并拍照,每个区域观察3个角度 (120°、240°、360°),每个样品平行考察6份。采用ImageJ软件,灵活运用其图像模糊处理、多个图像叠加、分离颜色通道、变换背景、计数等功能,经过相关参数调整获得能够精准识别晶体的再处理图片,从而实现晶体数量的自动化计数。
2.5.3 回归方程拟合
以各标准品已知的晶体含量为横坐标 (c),每个样品获得的72份数据 (4个区域×3个角度×6份=72份数据)计算得到的晶体数量平均值 (取整数计)为纵坐标 (Q),绘制标准曲线。
2.6 特性溶出试验
特性溶出试验是一种相对稳定的溶出度研究方法,对于无定形药物的研究具有重要的意义。特性溶出速率 (intrinsic dissolution rate, IDR)是指固体药物在单位时间内从单位面积上溶出的量,是药物固有的物理特性。在试验前,需将药物压制成平顶圆片并嵌于蜂蜡中仅使一个表面暴露,以避免由于溶出过程中与介质接触的面积变化或因崩解产生的溶出差异[21]。
称取样品1–5各200 mg,使用液压机在75 MPa压力下压片20 s,制备成直径13 mm表面完好的圆形片,将药片嵌于蜂蜡中,仅暴露一个圆形表面。按照《中华人民共和国药典》(2020年版)通则0931溶出度与释放度测定第二法 (桨法)进行特性溶出试验,以含有0.1%十二烷基硫酸钠的磷酸盐缓冲液 (pH 7.4)900 mL为溶出介质,试验温度为 (37±0.5)℃,转速为100 r/min。开始试验后,分别在1 h、1.5 h、2 h、4 h、6 h、8 h、10 h、12 h时取样5 mL,并及时补充相同体积相同温度的介质,取出的溶出液经0.22 μm PTFE水相滤膜过滤。将续滤液按“2.1.1”项下色谱条件测定,记录峰面积。每个样品平行测定3份。
3. 结果与讨论
3.1 HPLC分析
如图1所示,女贞子提取物中的主要成分为齐墩果酸,于8.3 min左右出峰,峰形良好。经过拟合得到齐墩果酸的回归方程为Y=
8963.9 X–1893.6 (r2=0.9994 ),结果表明,齐墩果酸在0.2 ~40 μg/mL的质量浓度范围内线性关系良好。由此计算得出女贞子提取物中含有齐墩果酸 (63.6±0.6)%。3.2 不同粉碎工艺对女贞子提取物晶体学固态形式稳定性的影响
3.2.1 气流粉碎
结果如图2所示,未粉碎前,女贞子提取物在偏光显微镜下无双折射现象,表明其以无定形态存在,气流粉碎不同次数后,由于受到高速气流的冲击作用,粒径明显变小,但所有样品均未发生固态转变,表明女贞子提取物经过气流粉碎工艺后能够以无定形态稳定存在。
3.2.2 球磨
结果如图3所示,随着球磨时间的延长,女贞子提取物粉末的粒径不断减小。此外,球磨10 min后,显微镜视野可见明暗交替的晶体颗粒,表明女贞子提取物发生轻微转晶,球磨20 min后转晶量增多,到30 min时出现大量晶体,说明球磨工艺会导致女贞子提取物转晶。这可能是由于在球磨过程中,药物粉末受到磨球之间的碰撞、摩擦、剪切和压缩作用,使得无定形分子有机会重新排列成有序的晶体结构[22]。
3.3 压片工艺对女贞子提取物晶体学固态形式稳定性的影响
结果如图4所示,女贞子提取物在75 MPa压力下压片20 s后,药片表面的粉末中出现少量晶体,当压力增加到225 MPa时,晶体含量呈现上升的趋势,继续增大压力至375 MPa,视野中观察到的晶体总量进一步增加,同时,药片内部的粉末也呈现转晶量随压力的增大而不断增加的现象,对比在375 MPa压力下的结果,药片表面的粉末转晶更加明显,可能是药物粉末与模具之间直接接触后产生的摩擦所致。究其原因,在压片过程中,粉末在模具中经历了颗粒重排和碎裂、塑性形变、弹性形变和弹性恢复等动态过程,一方面,高压可以显著缩短成核诱导时间,提高晶体生长速率;另一方面,当压力作用于固体物质时,会产生很多固体缺陷,这些缺陷为固态转变提供了必要的空间和能量[23]。
3.4 晶体定量方法
3.4.1 专属性
使用Image J软件处理前后的图片如图5所示,经过对比,可以明显发现ImageJ软件能够精准识别出晶体区域,具有良好的专属性。
3.4.2 线性
晶体含量和晶体数量的回归方程为Q=
30.7721 c−17.1114 (r2=0.9998 ),线性关系良好。由于中药提取物中化学成分的复杂性,其PXRD特征峰可能难以识别,从而无法实现中药提取物的晶体定性和定量分析。因此,本研究采用PLM技术结合ImageJ软件的方法,对女贞子提取物中的晶体进行整体定量。经过前期系统的考察,确定了“2.5”项下的晶体定量方法,包括“2.5.1”项下标准品的混合方式、“2.5.2”项下的称样量、加入的分散介质种类及用量、混悬液的取样量、观察方式等,同时,上述方法学验证结果也表明此方法对女贞子提取物中的晶体实现整体定量具有良好的适用性。
3.5 女贞子提取物晶体含量与溶出速率的相关性
经过系统考察,本研究发现女贞子提取物在球磨和压片工艺过程中存在转晶的风险。考虑到通过球磨法制备不同晶体含量的样品耗时较长且粒径分布不均,为了提高效率,采用增加压片时间的方法制备不同晶体含量的样品,以探索晶体含量和溶出速率之间的内在联系。
3.5.1 PLM观察
样品1–5的PLM结果如图6所示,在375 MPa压力条件下,随着压片时间的延长,女贞子提取物中的晶体含量逐渐增加。
3.5.2 晶体含量的计算
按照“2.5.2”项下的方法操作,将晶体数量结果代入“3.4.2”项的标准曲线,计算得到样品2−5的晶体含量分别为36.34%、50.93%、66.13%和82.19%。
3.5.3 特性溶出试验
结果如图7和表1所示,女贞子提取物各样品的特性溶出曲线呈线性,单位面积的释放度随着时间的累积不断增加。随着晶体含量的增加,女贞子提取物的溶出速率逐渐下降。其中,样品1的溶出速率最快,约为
1.3878 mg/(cm2·h)。对于转晶量最多的样品5而言,其溶出速率仅为0.0917 mg/(cm2·h),与样品1相比降低了93.4%,说明女贞子提取物的晶体学固态形式会显著影响其溶出速率。Table 1. Intrinsic dissolution rate(IDR) of L.lucidum extract samples 1−5Sample IDR equation r2 IDR/(mg·cm−2·h−1) Sample 1 Y= 1.3878 X−1.5143 0.9903 1.3878 Sample 2 Y= 0.9259 X−1.0000 0.9970 0.9259 Sample 3 Y= 0.6226 X−0.6791 0.9973 0.6226 Sample 4 Y= 0.4027 X−0.4603 0.9595 0.4027 Sample 5 Y= 0.0197 X+0.1879 0.9831 0.0197 3.5.4 晶体含量与溶出速率的数学关系
经过拟合,样品1–5的晶体含量 (c)与IDR之间呈现负相关的线性关系 (IDR=−
0.0158 c+1.4286 ,r2=0.9913 ),即溶出速率会随着晶体含量的增加线性降低。因此,女贞子提取物中的晶体含量应被视为质量控制的重要指标,需要在制剂过程中严格把控。4. 讨 论
药物的晶体学固态形式对制剂的质量属性有着至关重要的影响。药物成为便于患者使用的制剂产品需要经历复杂的制备环节,在此过程中,由于受到温度[24]、湿度[25-26]以及机械外力[27]等因素的影响,药物往往会发生晶体学固态形式的转变[28],进而对制剂产品的安全性、有效性和质量可控性造成重大影响。本课题组前期研究已证实,制备过程和储存环境的温湿度可诱导无定形态中药复杂提取物向晶态转变,如葛根总黄酮受湿度影响可向晶态转变并导致其溶出速率显著下降[11]。机械外力作用对中药提取物晶体学固态形式影响的研究尚属空白。
粉碎和压片是中药固体制剂制备过程中常见的工艺步骤,在这些工艺过程中,物料往往受到较为剧烈的机械外力作用。本研究以女贞子提取物作为模型药物系统考察了上述机械外力对其晶体学固态形式的影响。结果表明,女贞子提取物经过气流粉碎后表现出良好的晶体学固态形式稳定性,然而在球磨和压片工艺过程中,女贞子提取物出现明显的转晶现象,多种机械外力的介入为诱导药物发生晶体成核和晶体生长提供了能量,从而使得药物趋于能量更低的晶态,这种晶体学固态形式的转变导致女贞子提取物中的主要有效成分齐墩果酸的溶出显著下降。进一步的研究表明,女贞子提取物中的晶体含量和溶出速率之间呈现负相关的线性关系,更加直观地说明了晶体含量对女贞子提取物溶出性能的显著影响。因此,为防止女贞子提取物因转晶而导致溶出速率的显著降低,在粉碎环节中,应避免采用球磨工艺,选择气流粉碎工艺,以确保女贞子提取物以无定形态稳定存在。同时,在剂型的选择上,因女贞子提取物在压片过程中存在转晶现象,故考虑将其制备为颗粒剂或丸剂等。
本研究结果揭示,与单一化合物类似,中药提取物的晶体学固态形式同样对其理化性质有着显著影响,即无定形态和晶态的中药提取物溶出速率表现各异,凸显了中药提取物的晶体学固态形式是影响中药制剂质量不可忽视的重要因素。因此,在中药制剂的生产过程中,应密切关注各个工艺环节不同参数条件下中药提取物晶体学固态形式的转变情况,充分了解影响无定形态中药提取物物理稳定性的因素,以便采取措施来避免或缓解其转晶,促进无定形制剂在中药领域的广泛应用与深入发展。此外,针对其他中药提取物的晶体学固态形式转变现象及规律仍需继续深入研究。同时,为了更加科学、精准地控制中药制剂产品的质量,开发适用于中药多成分复杂体系中单一化学成分的晶态表征技术也尤为重要。
综上所述,本研究以女贞子提取物为模型药物,从药物晶体学这一为人们所忽略的角度探讨了影响中药提取物成药性的因素,首次揭示了机械外力诱导中药提取物晶体学固态形式转变的现象及其对药物溶出这一关键质量属性的影响,同时基于中药的整体观念创新性地建立了适用于多成分复杂体系的整体晶体定量方法,阐明了晶体含量与溶出速率之间的数学关系,为中药制剂制备工艺方法的选择及其质量控制体系的建立拓宽了思路。
“广谱抗耐药性抗病毒药物研究”专栏征稿启事 1. 抗病毒药物耐药性机制2. 抗耐药性抗病毒药物研究3. 广谱抗病毒药物研究4. 病毒感染的共性宿主靶标5. 抗病毒药物研究新策略与新技术6. 计算化学和人工智能在抗病毒药物研究的应用结构生物学与抗病毒药物新靶标发现与确证 1. 此次征稿类型为综述和研究论文,稿件内容应属未在国内外公开发表过的研究成果,论文格式参考《中国药科大学学报》投稿须知,并请附通信作者近照及个人介绍。2. 征文需要按照编辑部“三审制”进行评审,经过同行专家评审后决定最终是否录用。3. 所有稿件需通过“《中国药科大学学报》在线投稿系统” (https://manuscripts.cpu.edu.cn/zgykdx)提交,并备注“广谱抗耐药性抗病毒药物研究”专栏。4. 此次征文以《中国药科大学学报》正刊形式刊出,收稿截止日期为2025年3月31日。 -
Table 1 Intrinsic dissolution rate(IDR) of L.lucidum extract samples 1−5
Sample IDR equation r2 IDR/(mg·cm−2·h−1) Sample 1 Y= 1.3878 X−1.5143 0.9903 1.3878 Sample 2 Y= 0.9259 X−1.0000 0.9970 0.9259 Sample 3 Y= 0.6226 X−0.6791 0.9973 0.6226 Sample 4 Y= 0.4027 X−0.4603 0.9595 0.4027 Sample 5 Y= 0.0197 X+0.1879 0.9831 0.0197 -
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