药物开发和产品/工艺表征的一个关键要素是要求识别和控制影响关键质量属性（critical quality attributes，CQAs）的关键工艺参数（critical processing parameters，CPPs）和关键物料属性（critical material attributes，CMAs）^[1−2]。对于辅料而言，对药品预期CQAs产生显著影响的辅料相关性质的参数即为CMAs。由于药物活性成分、处方、生产工艺等的影响，辅料的CMAs不易发现。医药生产企业在研发初期对辅料研究不够全面，从而忽略了辅料的一些CMAs，可能导致药品在生物等效性试验、后期放大、持续生产、临床安全性评价中出现问题。因此，在药物研发过程中，企业应该把更多的精力放在系统研究辅料关键物料属性上。

羟丙甲纤维素（hydroxypropyl methylcellulose，HPMC）作为一种常见的包衣成膜材料，被国内外普遍使用^[3−5]。目前国内应用比较多的是E系列和K系列，E系列主要应用于薄膜衣和片剂包衣。在包衣剂中，E系列溶液黏度适中，成膜性好，可以避光、防潮和隔离空气以增加药物的稳定性，掩盖药物不良味道，便于患者服用，控制药物的释放部位和释放速度等^[6−8]。

然而，国内外对HPMC等大分子辅料的研究仍停留在对其理化性质的简单鉴别及一般质量检查上。《中华人民共和国药典》（2020年版）中收载的HPMC的质量标准包括：黏度、水中不溶物、干燥失重、炽灼残渣、重金属、砷盐等，但这些大多是安全性指标，难以有效区分不同来源HPMC的质量，不仅不利于辅料生产企业和使用企业针对性地开展产品的质量控制，也给相关辅料的科学有效监管带来一定难度。

影响HPMC E系列薄膜包衣性能相关的CMAs数量较多且不明确，单一指标不能全面地评估HPMC性质，而多个不同指标间因存在一定的相关性增加了分析难度，甚至产生偏差。因此需要采用合适的数学模型对不同维度的众多指标进行综合分析。主成分分析（principal component analysis，PCA）是一种多元统计方法，利用降维的思想，在损失较少信息的前提下将多个指标转化为几个综合指标，进而简化分析过程^[9−10]。PCA是一种无监督的探索性分析方法。与PCA不同，正交偏最小二乘判别分析（orthogonal partial least-squares discrimination analysis，OPLS-DA）是一种有监督的方法，利用偏最小二乘回归建立变量与样本类别之间的关系模型，同时可以有效分离样本，预测样品类别^[11−12]。

本研究以进口和国内2910型HPMC E5和E50两个型号为研究对象，主要研究不同厂家HPMC在薄膜包衣性能方面的关键物料属性差异。此外，本研究将建立PCA和OPLS-DA数学模型对上述关键物料属性进行综合评价，并评估各关键物料属性间的相关性。

1.   材　料

1.1   试　剂

A厂家的2个型号羟丙甲纤维素（编号A-E5、A-E50）；B厂家的2个型号羟丙甲纤维素（编号B-E5、B-E50）；葡聚糖T40（上海源叶生物科技有限公司）；硝酸钠、正辛烷、已二酸（国药集团药业股份有限公司）；碘甲烷（>99.5%，梯希爱（上海）化成工业发展有限公司）；2-碘丙烷（>99.5%，美国ChemService公司）；邻二甲苯（色谱纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；氢碘酸（分析纯，美国赛默飞世尔科技公司）；无水氯化钙、氯化钠（西陇科学股份有限公司）。

1.2   仪　器

凝胶渗透色谱仪（Waters1575 泵； Waters 2707进样器）；BI-MwA检测器 （美国Brookhaven公司）；气相色谱仪（杭州捷岛科学仪器有限公司）；流变仪（美国TA公司）；涂布试验机（山东安尼麦特有限公司）；智能电子拉力试验机（济南三泉中石实验仪器有限公司）。

2.   方　法

2.1   重均分子量（weight average molecular weight，M_w）

参照《中华人民共和国药典》（2020年版）四部通则<0514>，采用凝胶渗透色谱仪测定HPMC重均分子量。色谱条件：色谱柱为Shodex Oha SB-804 HQ；柱温为35 ℃；流动相为0.1 mol/L硝酸钠水溶液 ；进样体积为0.1 mL；流速为0.8 mL/min。

样品处理：精密称量HPMC样品0.5000 g，转移至100 mL量瓶中，加入0.1 mol/L硝酸钠水溶液溶解，定容至刻度，摇匀，即得。用0.2 μm滤器过滤，采用凝胶渗透色谱仪测定。

2.2   甲氧基（-OCH₃）和羟丙氧基（-OC₃H₇O）含量

参照《中华人民共和国药典》（2020年版）四部通则<0712>第一法，采用气相色谱测定HPMC甲氧基和羟丙氧基的含量。色谱条件：色谱柱为20% OV-7（3 mm×2 mm×3 mm）；柱温为120 ℃；进样口温度为200 ℃；FID检测器温度为250 ℃；载气为氮气；分流比为50∶1；流速为1.0 mL/min；升温程序：初始温度100 ℃，保持8 min，以50 ℃/min的速率升温至230 ℃，保持2 min；进样体积为1 μL。

2.3   黏度（η）

采用旋转流变仪测定HPMC黏度。配制10% E5和5% E50溶液：取本品适量，加90 ℃的水充分搅拌约10 min，直至颗粒得到完全均匀的分散和润湿且瓶内壁无未溶解的样品颗粒，置冰浴中冷却并搅拌，除去气泡即得。设置温度为25 ℃；持续时间为60 s；转速为1.0 r/s。

2.4   薄膜水蒸气透过率（water vapor permeance，WVP）

取“2.3黏度”项下的HPMC溶液，用涂布试验机制备薄膜，在45 ℃烘箱中干燥。采用拟杯子法测定水蒸气透过量：称取干燥的无水氯化钙6 g并装入干燥的西林瓶（10 mL）中，用测厚仪选取厚度一致的薄膜，用502胶水将待测薄膜密封于瓶口处，置于相对湿度为75%的干燥器中（内装氯化钠饱和溶液），0 、24、48 h称重。通过西林瓶重量的增加量计算水蒸气的透过量，按照公式（1）计算薄膜水蒸气透过率：

式中：WVP为水蒸气透过系数（g·mm/m²·d·kPa）；Δm为水蒸气迁移量（g）；A为膜的面积（m²）；t为测定时间（d）；ΔP为薄膜两侧的水蒸气压差（kPa）。

2.5   薄膜弹性模量（elastic modulus，EM）

选取厚度均匀的样品薄膜，将薄膜裁剪成10.0 cm×1.5 cm长条，取3点测厚度，使用智能电子拉力试验机测量薄膜的拉伸强度（tensile strength，TS）和伸长率（elongation，E），计算弹性模量（弹性模量=拉伸强度/伸长率）。

2.6   薄膜溶解时间（dissolving time，DT）

选取厚度均匀的HPMC样品薄膜，裁剪为1.5 cm×2.0 cm的小片试样，将样品薄膜置于100 mL 37 ℃的去离子水中，记录试样自漂浮于水面至完全溶解的时间。

2.7   薄膜柔韧性（flexibility，F）

取厚度一致的游离膜3块，规格为：6.0 cm×2.0 cm，用厚度仪采用五点法选取厚度一致的样品薄膜；按要求选取样品并干燥，然后按照规定进行标准环境的状态调节，将薄膜折叠2 s，反复多次折叠至其断裂，其折叠次数即为该样品的耐折度结果。

2.8   统计学分析

用GraphPad Prism 8软件对实验结果进行两独立样本t检验分析。

2.9   主成分分析法（principal component analysis，PCA）

采用SIMCA14.1软件对M_w、C(-OCH₃)、C(-OC₃H₇O)、η、WVP(24 h)、WVP(48 h)、TS、E、EM、DT、F共11项指标进行主成分分析。

2.10   正交偏最小二乘判别分析（orthogonal partial least-squares discrimination analysis，OPLS-DA）

采用SIMCA14.1软件对M_w、C(-OCH₃)、C(-OC₃H₇O)、η、WVP(24 h)、WVP(48 h)、TS、E、EM、DT、F共11项指标进行正交偏最小二乘判别分析。

3.   结果与讨论

3.1   重均分子量

HPMC为高分子聚合物，功能性与其相对分子质量大小及相对分子质量分布密切相关。在薄膜包衣制剂应用中，M_w影响薄膜的致密程度、溶解性和包衣液黏度等，进而影响包衣片和膜剂的质量。A厂家HPMC E5、E50重均分子量分别为60430、165400；B厂家E5、E50重均分子量分别为28910、105400，B厂家HPMC的重均分子量均比A厂家小。

3.2   甲氧基和羟丙氧基含量

HPMC的性质与甲氧基和羟丙氧基的含量有关^[13]。HPMC甲氧基、羟丙氧基含量的不同会导致水化速率、水溶性和表面活性等差异，最终影响药物的释放、稳定性等^[14−15]。由表1可知，B厂家HPMC E5和E50甲氧基含量大于A厂家，A厂家HPMC E5羟丙氧基含量小于B厂家，E50羟丙氧基含量大于B厂家。

Table  1.  Methoxy and hydroxypropoxy content of HPMC of different manufacturers and type

Manufacturer	Type	Methoxy content/%	Hydroxypropoxy content/%
Manufacturer A	E5	28.50	8.40
	E50	28.60	8.90
Manufacturer B	E5	29.02	8.88
	E50	29.58	8.44

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3.3   黏　度

由图1可知，同一厂家HPMC动力黏度大小为E50>E5，不同厂家HPMC动力黏度均为A厂家大于B厂家。薄膜包衣过程中经常出现孪生片、桥接、开裂剥离、橘皮样粗糙等现象，包衣液黏度可能是造成这些现象的主要原因之一^[16−19]。因此，黏度是HPMC在薄膜包衣制剂应用中必须考虑和优化的CMAs之一。

Figure  1.  Viscosity measurement results of HPMC solutions

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3.4   薄膜水蒸气透过率

薄膜透湿性的高低直接影响包衣制剂的透水性，从而影响药物的溶出和吸收^[20−23]。同时，透湿性也能反映薄膜包衣制剂抵御外界湿度的能力。水蒸气透过率是指在一定温度下，在单位时间内、单位面积上透过样品的水蒸气总量^[24]。水蒸气透过率可用来评价薄膜透湿性的大小^[25−26]。A厂家HPMC E5、E50薄膜在24 h水蒸气透过系数分别为5.67±0.32、5.67±0.47，48 h水蒸气透过系数分别为5.80±0.32、5.83±0.37；B厂家HPMC E5、E50薄膜在24 h水蒸气透过系数分别为5.71±0.08、5.68±0.51，48 h水蒸气透过系数分别为5.87±0.22、5.87±0.39。A厂家和B厂家24 h和48 h水蒸气透过系数无明显差别。由图2可知，在GraphPad Prism 8中进行t检验，A厂家和B厂家HPMC E5和E50薄膜水蒸气透过系数在95%的置信水平下，差异不具有统计学意义（P > 0.05）。

Figure  2.  Water vapor permeability measurement results of HPMC films (A) 24 h and (B) 48 h ($\bar{x}\pm {{s}} $, n=3)ns：No significant difference

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3.5   薄膜弹性模量

薄膜包衣材料制成的薄膜应具备一定的机械强度和柔韧性，以抵抗制剂在制备、分装等过程中受到的摩擦和冲击，保持包衣膜完整性，不易脆碎^[27−28]。弹性模量是薄膜最主要的性能评价指标之一，反映了材料抵抗弹性变形能力^[29−31]。弹性模量越大，材料的刚度越大，反之，弹性模量越小，薄膜的弹性越大^[32]。A厂家HPMC E5和E50薄膜弹性模量分别为（881.93±5.16）MPa、（284.07±8.44） MPa，B厂家E5和E50薄膜弹性模量分别为（663.76±9.82）MPa、（241.93±16.47） MPa，A厂家HPMC薄膜弹性模量高于B厂家，B厂家HPMC薄膜更具有弹性。由图3-A可知，在GraphPad Prism 8中进行t检验，A厂家和B厂家HPMC E5和E50弹性模量在95%的置信水平下，差异具有统计学意义（P< 0.05）。因此，薄膜弹性模量是评估薄膜包衣材料性能的CMAs之一，也是制备优质包衣制剂的必要条件之一。

Figure  3.  Elastic modulus (A), dissolution time (B), and number of folding of HPMC films (C) ($\bar{x}\pm {{s}} $, n=3)^*P < 0.05, ^**P < 0.01, ^*** P < 0.001

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3.6   薄膜溶解时间

HPMC相对分子质量越大，成膜后分子结合越紧密，溶剂润湿薄膜后不易进入薄膜内部，宏观上表现为溶解时间延长^[33]。此外，HPMC分子中的羟丙氧基是亲水性基团，通过外露羟基提供与介质进行氢键缔合位点，其含量越高，薄膜溶解时间越短。A厂家HPMC E5和E50薄膜溶解时间分别为（210.33±3.51）s、（226.00±3.00）s，B厂家HPMC E5和E50薄膜溶解时间分别为（190.00±3.00）s、（205.00±4.00） s，A厂家HPMC薄膜溶解时间比B厂家长。由图3-B可知，在GraphPad Prism 8中进行t检验，A厂家和B厂家 HPMC E5和E50薄膜溶解时间在95%的置信水平下，差异具有统计学意义（P < 0.05）。

3.7   薄膜柔韧性

一种优良的成膜材料应该易于成膜和脱膜，成膜后有足够的强度和柔韧性^[34]。成膜材料分子量越大，链缠结越复杂，溶解后链缠结并在干燥后堆叠使得薄膜形成更多的链间氢键，薄膜刚性变大，更容易被折断^[35]。本实验采用折叠法评估HPMC薄膜柔韧性。A厂家HPMC E5和E50薄膜折叠次数分别为10.33±0.58、84.67±2.08，B厂家HPMC E5和E50薄膜折叠次数分别为19.33±0.58、117.67±2.52，A、B厂家HPMC薄膜柔韧性存在差异，E50柔韧性差异最明显，B厂家薄膜的柔韧性优于A厂家。由图3-C可知，在GraphPad Prism 8中进行t检验，A厂家和B厂家 HPMC E5和E50薄膜柔韧性在95%的置信水平下，差异具有统计学意义（P< 0.05）。

3.8   主成分分析

PCA模型合格的最低标准：R2X(cum)>0.3，Q2(cum)>0.5^[36]。本模型中R2X为1，Q2为0.941，证明模型合格，预测结果良好。在PCA得分图中，如果样本之间聚集在一起，说明这些样本差异性小；反之说明样本之间差异越大。从图4-A得分图中可以看出，A厂家和B厂家不同型号HPMC E系列产品存在差别，A厂家和B厂家的E50总体差异较大，E5次之。

Figure  4.  Score plot (A) and loading plot (B) of the PCA model for HPMCη: Viscosity; M_w: Weight average molecular weight; WVP: Water vapor permeance; C(-OCH₃): Methoxy content; C(-OC₃H₇O): Hydroxypropoxy content; EM: Elastic modulus; TS: Tensile strength; E: Elongation; DT: Dissolving time; F: Flexibility

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载荷图是主成分分析时各变量与主成分之间的关系^[37]。R2X[1]，R2X[2]就是对应主成分PC1、PC2的解释率。由图4-B可知，第一主成分和第二主成分对原变量的解释能力累积为86.8%，已包含了样品的大部分信息。EM、C（-OC₃H₇O）、M_w、E、F、TS、η与p1密切相关，可被视为对差异化至关重要的因素。SIMCA中的载荷图又可被称为相关性图，不仅显示了每个变量对相应变量的贡献度，还阐述了变量之间的相关性，相关性强的变量聚合在一起，相关性相反的变量在通过原点的线的两端分布。如图中TS、M_w、η、E、F聚集在一起，相关性较强，与EM在第一主成分上呈负相关。DT与WVP（24 h）、WVP（48 h）、C（-OC₃H₇O）、C（-OCH₃）在第二主成分上呈负相关。WVP（48 h）和C（-OCH₃）两个主成分方向上都呈正相关。这说明在膜剂、包衣剂中应用中，HPMC E系列重均分子量、黏度、甲氧基和羟丙氧基的含量与薄膜的柔韧性、弹性模量、水蒸气透过性、溶解时间有较强的相关性。具体表现为：HPMC黏度和薄膜衣膜的性质与成膜材料的重均分子量有关，重均分子量越大，则衣膜硬度越大，弹性则越小。HPMC相对分子质量越大，成膜后分子结合越紧密，溶剂润湿薄膜后不易进入薄膜内部，溶解时间延长；而羟丙氧基是亲水性基团，通过外露羟基提供与介质进行氢键缔合位点，溶解时间缩短。HPMC薄膜柔韧性与重均分子量呈负相关，重均分子量越大，薄膜刚性越大，越容易被折断，折叠次数减小。

3.9   正交偏最小二乘判别分析

由于研究过程中收集的HPMC数据较多，对组间差异不明显的样品，只采用“无监督”分析不能很好地区分样本的组间差异，因此本实验需要使用其他数学模型进行分析。OPLS-DA通过去除不相关的差异来筛选差异变量，提高了模型的解析效率和有效性。OPLS-DA一方面可以更好地获取样品组间差异信息，另一方面还可以对样品的分组进行预测，这是PCA无法实现的。

OPLS-DA模型中R2X和R2Y分别表示所建模型对X和Y矩阵的解释率，Q2表示模型的预测能力，这3个指标越接近于1时表示模型越稳定可靠，Q2>0.5时可认为是有效的模型，Q2>0.9时为出色的模型^[38-39]。本模型中R2X(cum)为0.841，R2Y(cum)为0.995，Q2(cum)为0.935，证明模型拟合效果较好。

OPLS-DA得分图横坐标表示预测主成分，从横坐标方向可以看出组间的差距；纵坐标表示正交主成分，从纵坐标方向可以看出组内的差距；百分比表示该成分对数据集的解释率。从图5-A得分图中可以看出样本之间实现良好清晰的分离，不同厂家不同型号HPMC显示出一定程度的性质差异^[40]。除去得分图以外，OPLS-DA分析还可以得到S-plot图，S-plot图一般用来挑选与正交信号矫正（OSC）过程中主要成分的相关性比较强的变量，越靠近两个角的变量重要度越强^[41−42]。通过OPLS-DA分析，每个变量可以得出一个变量重要性投影（variable importance in projection，VIP），VIP越大，代表该变量对于区分两组所具有的贡献越大，因此我们在分析不同厂家HPMC差异时，通常会将VIP作为其中一项重要的考察指标^[43]。如图5-B和5-C所示，S-plot图中红色的点（EM、TS、M_w、η、E、F）表明这些变量的VIP大于等于1，绿色的点表示这些变量的VIP小于1，表明红色变量比绿色变量对模型分类的贡献更大，这些变量对分类结果影响至关重要。

Figure  5.  Score plo (A)t, S-plot (B) and VIP indexes of the OPLS-DA model (C) for HPMC

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本研究为HPMC及相关辅料的各关键物料属性表征提供了多元统计分析方法，在辅料质量控制和制剂开发方面具有很大潜力。本研究利用PCA和OPLS-DA模型对HPMC E系列的“TS、M_w、η、E、F、EM”等关键物料属性和薄膜包衣性能变量进行了测定和评估，这些变量可以有效区分两个厂家HPMC样本之间的差异。结合多元统计分析和表征分析，可鉴定和区分不同来源的HPMC的CMAs，定量直观地分析不同来源HPMC的CMAs及薄膜包衣性能的差异，这对HPMC的质量控制和质量评价具有重要意义。因此，多元统计能够有效、快速地从大量数据中提取有用信息，有利于HPMC的质量评价和质量控制。多元统计分析中包含的指标越多，辅料的质量信息就越丰富，可靠性就越高。但本项研究的不足之处在于样本量较少，导致某些变量差异分析不明显。因此，需要进一步增加HPMC的样本量，并考察不同来源HPMC的关键物料属性，以深入探究HPMC的关键物料属性。

4.   结　论

本研究全面研究了不同厂家2910型HPMC薄膜包衣的关键物料属性，并用PCA和OPLS-DA对得到的11个指标进行统计分析。结果表明，PCA和OPLS-DA模型对HPMC样本均表现出较好的区分和分类，OPLS-DA模型比PCA模型的分类效果更好，HPMC样本之间实现良好清晰的分离，不同厂家不同型号HPMC显示出一定程度的差异，且不同指标间显示出一定的相关性。PCA中的载荷图和OPLS-DA中的S-plot图表明，HPMC的TS、M_w、η、E、F、EM对于区分不同来源HPMC样本的贡献率比其他变量要显著，而且这些变量之间显示出一定的相关性。具体表现为：薄膜水蒸气透过率与分子中的亲水基团羟丙氧基有关，为游离水提供氢键结合位点，有效减缓游离水的透过；重均分子量越大，薄膜其硬度和强度也就越大，弹性模量越大；薄膜溶解时间与重均分子量和羟丙氧基含量有关，HPMC相对分子质量越大，成膜后分子结合越紧密，溶剂润湿薄膜后不易进入薄膜内部，溶解时间延长；羟丙氧基中外露羟基提供了与介质进行氢键缔合位点，缩短溶解时间；薄膜柔韧性与重均分子量呈负相关，重均分子量越大，薄膜刚性越大，越容易被折断，折叠次数减小。

本研究对HPMC关键物料属性和薄膜包衣性能的初步研究对其质量控制和评价具有重要意义。此外，PCA和OPLS-DA模型能较好地阐明辅料关键物料属性之间的内在关系，在实际制剂应用中，避免了对辅料性能评估和辅料型号、用途、用量选择的经验性。国家药品监督管理局药品审评中心于2021年发布的《已上市化学药品药学变更研究技术指导原则》对“变更制剂处方中的辅料”进行了规定，原则指出“变更制剂处方中的辅料包括变更辅料种类、用量、供应商、技术等级等”。由于不同厂家同一品种的辅料性质可能存在差异，因此制剂企业在选择辅料生产企业或者变更药用辅料时，应充分考虑辅料性质对药物的释放和稳定性等的影响。