質量源于設計在銀杏葉片制粒工藝中的應用（Ⅳ）：原料質量波動的影響及控制

崔向龍+徐冰+劉俊文+石國琳+史新元++喬延江

[摘要]原料質量變異影響產品質量一致性和臨床療效。該文以銀杏葉片高速剪切濕法制粒工藝（HSWG）為研究對象，收集不同廠家和批次的銀杏葉提取物和輔料微晶纖維素，模擬原料波動。實時記錄濕法制粒過程扭矩，分析濕軟材黏著力。結合物理指紋圖譜，考察原料粉末物理質量變異對顆粒中間體粉體學性質的影響。根據濕法制粒Regime map理論，通過無量綱參數計算，判斷銀杏葉片HSWG中顆粒的潤濕與成核處于機械分散區，顆粒收率和顆粒粒徑分布曲線表明該區域過程輸出的不穩定性。采用正交偏最小二乘（OPLS）法建立18批原料粉末粉體學性質和和銀杏葉顆粒中值粒徑（D50）的關聯模型，以變量投影重要性（VIP）篩選原料關鍵物料屬性（CMAs）。結果表明原料粉末吸濕性、休止角、豪斯納比、卡爾指數、D10、干燥失重影響顆粒粒度。進一步將銀杏葉顆粒壓制成片，并測定片劑抗張強度，發現原料質量波動未導致片劑機械強度的降低，銀杏葉顆粒關鍵質量屬性設計空間和過程設計空間穩健可靠，可有效應對原料質量波動。

[關鍵詞]關鍵物料屬性； 質量一致性； 銀杏葉片； 模式地圖； 扭矩曲線

[Abstract]Raw materials′ quality variation could affect the quality consistency of product and the clinical efficacy In this paper， the high shear wet granulation （HSWG） process of the ginkgo leaf tablet was taken as the research object Ginkgo biloba extracts and excipients microcrystalline cellulose collected from various sources and batches were used to simulate raw materials′ quality variation Realtime torque was recorded to analyze the viscosity of the wetting mass， and then by combining with physical fingerprint， the impact of physical quality variation of powders on granule properties could be investigated Based on regime map thesis， whether the granules′ nucleation mode was in mechanical dispersion regime was determined by calculating dimensionless parameters， which would lead to the unstable output in considerations of granule yield ratio and particle size distribution （PSD） curve The orthogonal partial least square （OPLS） model was adopted to build the relationship between the micromeritic properties and the mediangranule size （D50） of Ginkgo biloba granules and then the critical material attributes （CMAs） were screened by variable importance in the projection （VIP） indexes The results demonstrated that the properties of powders including hygroscopicity， angle of repose， Hausner ratio， Carr index， D10 and loss on drying affected the granule size Besides， Ginkgo biloba granules were compressed into tablets In view of tensile strength analysis， the raw materials′ quality variation did not result in decrease of tensile strength of the ginkgo leaf tablets The design space of critical quality attributes （CQAs） and the process design space which could cope with raw materials′ quality variation were proved to be robust

[Key words]critical material attributes； quality consistency； ginkgo leaf tablet； regime map； torque curve

質量源于設計（quality by design，QbD）[12]理念強調對過程透徹的理解，通過對原料、工藝過程、以及產品質量之間關系的系統研究，來提高過程的可控性。其中，原料質量屬性研究是系統QbD研究的重要組成部分，科學的產品工藝設計需理解原料的物理、化學、生物、生物藥劑性質對產品質量的影響。通過建立原料質量控制標準和工藝設計空間，使產品關鍵質量屬性（critical quality attributes，CQA）符合預期目標。

中成藥制備工藝復雜，生產實踐中多強調工藝的控制，忽略了原料質量波動的影響[3]。本文以銀杏葉片成型工藝為載體，包括預混、制粒、干燥、整粒、壓片和包衣工序。收集不同來源或同來源不同批次的銀杏葉提取物，以及作為片劑填充劑的微晶纖維素，模擬原料和輔料質量波動，分析原輔料物理性質變異對銀杏葉顆粒中間體粉體學性質和片劑機械強度的影響。在銀杏葉顆粒關鍵質量屬性設計空間[4]和過程設計空間[5]的基礎上，探討依據原料性質優化工藝參數降低關鍵物料屬性（critical material attributes，CMA）的影響，確保質量一致性。

1材料

銀杏葉提取物和微晶纖維素來源見表1，低取代羥丙基纖維素（日本信越化學工業株氏會社，批號4081309），羧甲基淀粉鈉（臺灣永日化學工業股份有限公司，批號SSG0014065），氫氧化鋁（石家莊五岳制藥廠，批號15120101），硬脂酸鎂（國藥集團化學試劑有限公司，批號20121010），無水乙醇（北京化工廠，批號20160504）。

高速剪切濕法制粒機（SHK4A，西安潤天制藥機械有限公司），旋轉壓片機（ZP10，上海信源制藥機械有限公司），三維混合機（ZNW10，北京興時利和科技發展有限公司），振蕩篩（ZNS300，北京興時利和科技發展有限公司），振實密度儀（HY100，丹東市皓宇科技有限公司），干法圖像粒度粒形分析儀（BT2900，丹東百特儀器有限公司），粉末流動性

2原理與方法

21銀杏葉片制備過程描述銀杏葉片制劑處方見表2。采用高速剪切濕法制粒工藝制備銀杏葉顆粒，由過程設計空間確定制粒參數為黏合劑用量40 mL、濕混時間410 min、濕混攪拌槳轉速37360 r·min-1，制粒過程實時記錄攪拌槳扭矩變化。保持濕法制粒參數和制劑處方藥輔比例不變，改變主藥銀杏葉提取物和填充劑微晶纖維素的廠家和批次，分析原料質量波動時制粒行為的差異。終混后顆粒以相同壓片參數壓片：12號沖模，最大主壓力55 kN，預壓厚度28 mm，壓片厚度24 mm，旋轉轉速12 r·min-1，制備片劑（素片）密封遮光保存。

22成核模式地圖理論在高速剪切濕法制粒工藝中，顆粒成長包括潤濕與成核、成長與致密化、磨損與破碎3個階段，其中潤濕和成核是濕法制粒過程的開端。成核階段存在2個重要競爭過程：噴霧液滴接觸粉末床速率與粉末床重新暴露在噴霧區域速率的競爭，和液滴完全滲透粉末床速率與被潤濕粉末床重新回到噴霧區域速率的競爭，這2個競爭過程用無量綱參數Ψa和τp分別表示[6]。

其中，tp表示液體完全滲入粉體的時間，tc表示粉體循環回到液體噴霧區域的時間。

基于無量綱參數參數Ψa和τp建立成核階段的模式地圖（regime map），見圖1。在成核模式地圖中，Litster等[7]根據Ψa和τp的大小劃分了3個區域：液滴控制區、中間水平區和機械分散區。在液滴控制區，每一滴黏合劑即形成一個顆粒核。中間水平區，由于液滴的聚集作用，隨著顆粒核數量不斷增加，顆粒核的粒徑分布也增大。機械分散區，顆粒核表面過強的聚集作用引起結塊，需要機械外力予以消除。

23無量綱參數的測算方法粉體在制粒機中的流動模式為牽拉旋轉模式，處于牽拉旋轉區的粉體表面穩定，粒子表面運動速度約為攪拌槳葉尖速度的10%[8]。工藝參數設置中，濕混攪拌槳轉

速37360 r·min-1，槳葉半徑95 mm，故公式（1）和（3）中粉末床表面粒子運動線速度v=2×π×01×3736×0095/60=0371 5 m·s-1，粉體循環回到液體噴霧區域的時間tc=60×10/3736=16 s。

噴霧裝置以噴霧壓力02 MPa，流速440 mL·s-1，噴嘴噴射角度53°，噴霧寬度93 cm將40%乙醇加入制粒鍋內。采用DP02滴譜儀測算液滴直徑：背景采樣持續時間設置為5 s，樣品采樣持續時間為1 s，測試次數設置為5次。

取LED攝影燈采光，將預混物料平鋪于潔凈的表面皿上厚度約5 cm，將已注入40%乙醇的吸管懸空于粉末床上約2 cm，滴下黏合劑一滴，以2F01高速攝像機連續捕捉液滴滲透入粉末床的動態過程，待液滴完全滲透入粉末時截止。采用高速圖像采集軟件（2F01 Revealer Windows Server）解析照片，計算滲透時間tp，每個過程測試3次，取平均值。集成處方變量和過程變量計算無量綱參數Ψa和τp。

24粉末、顆粒中間體和片劑表征銀杏葉提取物和輔料表征方法參考文獻[9]，銀杏葉顆粒中間體表征和物理指紋譜構建方法參考文獻[10]。采用抗張強度（tensile strength，TS）表征片劑機械性能，TS計算公式如下。

其中，P為藥片破碎力（N），采用YDⅡ型片劑硬度儀測定；D為藥片直徑（mm），T為藥片厚度（mm），均采用547401型厚度計測定。每批銀杏葉片隨機選取3片進行TS測試，并取平均值。

25統計分析以銀杏葉提取物和微晶纖維素的15個物理質量指標為自變量，以制得的銀杏葉顆粒中值粒徑（D50）為因變量，將自變量數據均值標準化處理后，采用SIMCAP（version 120，瑞典Umetrics公司）軟件建立反映“原料顆粒”性質之間關系的正交偏最小二乘（OPLS）模型。

3結果與討論

31制粒過程扭矩曲線扭矩是衡量槳葉旋轉所需能量的量度。黏合劑加入粉末床誘導提取物粉末自身黏性，濕軟材對槳葉旋轉的阻力也會隨內聚力的變化而變化。濕法制粒中的內聚力由液體在固體粒子間空隙產生的架橋作用而形成，其強度取決于黏合劑表面張力、潤濕角以及粒子間空隙等因素。不同批次輔料和銀杏葉提取物扭矩曲線見圖2，預混階段扭矩無變化，伴隨黏合劑的加入，粒子間空隙液體飽和度增加，毛細管、索帶等液體架橋內聚力和濕顆粒張力增加，扭矩發生波動。不同廠家微晶纖維素和銀杏葉提取物的扭矩變化存在差異，相同廠家不同批次銀杏葉提取物扭矩變化相似。濕軟材黏著力越大，扭矩值越高波動越劇烈。原料變異時不同批次黏壁率（wall deposition ratio，%WD）見圖3。以輔料發生質量波動時為例，輔料MT和AH批次的濕軟材黏性低，黏壁率小，扭矩變化平穩。相反，輔料XHC和SH批次的濕軟材黏壁率大，扭矩值較高，且波動劇烈。由此可見，原料變異會呈現出不同的濕軟材物理性質和藥物輔料兼容性。

32顆粒物理指紋譜采用物理指紋譜綜合評價顆粒中間體粉體學性質，見圖4。運用夾角余弦方法比較不同批次顆粒物理質量指標與參比組（主藥ZBC1，輔料CW）顆粒的相似度。輔料變異（輔料變異組）時顆粒物理指紋譜相似度在885%～994%，主藥變異（銀杏葉提取物變異組）時顆粒物理指紋譜相似度在870%～999%，各批次顆粒粉體學性質存在差異。此外，銀杏葉提取物來源相同批次不同時相似度在940%～999%，表明主藥批次差異非影響質量一致性的主導因素。

各批次顆粒的可壓縮性能良好，其中輔料變異組參數指數（index of parameter，IP）在050～069，參數輪廓指數（index of parametric profile，IPP）和良好可壓性指數（index of good compression，IGC）分別在518～585，504～570。銀杏葉提取物變異組IP在044～0625，IPP和IGC分別在507～622，493～606，可壓性評價參數基本在可接受范圍（IP>05，IPP和IGC均≥5）。并且可壓性評價參數IP，IPP和IGC參數的RSD分別為1143，564，564，顆粒可壓縮性能差異性小，原料質量波動未導致銀杏葉顆粒可壓縮性能的降低。

33成核模式地圖分析當無量綱參數較大，液滴覆蓋粉末床的速率大于粉末暴露在噴霧區域速率，成核模式落入模式地圖的機械分散區（無量綱參數ψa或τp大于1），黏合劑在噴霧區域黏結，過度制粒和液滴分布不均勻現象易出現。本研究中，采用噴霧裝置投送黏合劑，液滴直徑小，且體積流量大，

過量黏合劑富集在噴霧區域粉末床表面導致團塊率和細粉率高。批次間顆粒收率在433%～794%，團塊率和細粉率分別在19%～434%，104%～350%，見表3。粒子在潤濕與成核過程依賴外加機械力切割濕軟材，攪拌槳扭矩發生變化，核粒徑分布變寬。在機械分散區，過程工藝輸出波動大，粒子間黏連和碰撞，原料質量波動形成了累積粒度分布差異，見圖5。

34關鍵物料屬性辨識顆粒初始粒度是影響壓縮物機械強度最重要的性質[11]，本文采用多變量統計建模方法分析原料粉體學性質對顆粒中值粒徑D50的影響，由OPLS模型校正決定系數R（x）2=0869，預測決定系數R（y）2=0669和交叉驗證決定系數Q2=0507確定原料性質和顆粒中值粒徑D50存在相關性。

提取OPLS模型各自變量的回歸系數，見圖6，顆粒的中值粒徑與原料D50、松裝密度（Da）、振實密度（Dc）、相對均齊度指數（Iθ）、休止角（α）、干燥失重（%HR）呈正相關，與原料D10、D90、粒徑< 50 μm百分比（%Pf）、豪斯納比（IH）、顆粒間孔隙率（Ie）、卡爾指數（IC）、內聚力指數（Icd）、吸濕性（%H）呈負相關。結合變量投影重要性（variable importance in the projection，VIP）指數評價各自變量重要程度，見圖7。由VIP排序圖可知%H，α，IH，IC，D10，%HR的VIP均大于1，為原料性質CMA。原料粉末吸濕性小，黏合劑加入粉末床中不易結塊，液體均勻分布促進粒子聯合成長。原料含水量高，粒子內孔隙液體飽和度增加，會增加顆粒的抗張強度，使顆粒能夠經受攪拌槳和剪切槳的機械作用[12]，粒度增大。原料粉末易于壓實，且粒度小，粒子間距離減小，黏合劑滲透入空隙利于聚集合并。粉末流動性差，比表面積越大，表面粗糙，黏合劑涂布在粉體粒子表面，增加了粒子間聚集的可能性。

35銀杏葉片TS分析和控制在前期實驗中，建立了銀杏葉顆粒關鍵質量屬性設計空間，銀杏葉顆粒關鍵質量屬性與銀杏葉片抗張強度之間的關系

由制得的18批顆粒關鍵質量屬性確定片劑抗張強度的預測值，將顆粒壓縮成片測試抗張強度獲得實測值，見圖8。銀杏葉片抗張強度實測值和由公式（5）預測值相近，銀杏葉顆粒關鍵質量屬性設計空間的預測精度良好。銀杏葉片抗張強度實測值分布在032～050 N·mm-2，維持在預定目標范圍（030～060 N·mm-2）內。原料質量波動導致顆粒粉體學性質發生變化，且粒子成核模式落入成核不利的機械分散區，粒徑分布變寬，顆粒中間體所壓片劑繼續維持在可接受范圍，基于過程設計空間優選出的制粒工藝穩健可靠，可抵御制粒過程輸入擾動，降低過程失敗風險。

在壓縮成型過程，銀杏葉片的質量優良受制于原料質量波動對片劑機械強度影響，不同來源不同批次原料性質差異客觀存在，結合顆粒關鍵質量屬性設計空間和過程設計空間調整參數，可實現從原料源頭完成質量的設計賦予。此外，在設計空間內

依據成核模式地圖優化濕法制粒參數，將潤濕與成核模式落入中間水平區和液滴可控區，如增加攪拌槳轉速和降低黏合劑加入速率等，顆粒收率提高，粒徑分布寬的現象得以改善[13]，進一步實現銀杏葉片濕法制粒工藝的前饋控制。

4結論

本研究以銀杏葉片制備過程為研究對象，改變制劑處方中銀杏葉提取物和微晶纖維素廠家和種類模擬原料質量波動，運用扭矩曲線、物理指紋譜等手段分析原料質量波動對顆粒性質的影響，并結合多變量建模方法確定關鍵物料屬性。結果表明原料質量波動形成了顆粒中間體的粉體學性質差異。

由銀杏葉片TS分析結果可知原料導致片劑抗張強度變化的RSD 為1231。根據前期研究，保持處方不變，工藝導致片劑抗張強度變化在003～052 N·mm-2，RSD為5428，生產工藝對質量一致性的影響相對較大。基于設計空間的質量一致性控制約束原料和工藝波動，過程設計空間的實驗點穩健可靠。

中藥提取物粉末具有高黏性和低塑性的特點，原料性質和過程工藝波動造成粒子成核和成長微環境的差異，進而加劇對質量一致性的影響。在中藥濕法制粒過程中需合理應用顆粒成核和成長階段模式信息，依據原料性質在設計空間內微調工藝參數，誘導粒子穩定快速增長。本文所采集的樣本有限，在后續試驗中將著力擴大原料變異源，分析關鍵物料屬性對高速剪切濕法制粒產物的影響機制，以期達到對銀杏葉片濕法制粒工藝穩健優化與控制。

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