頭孢克肟溶析結晶過程球形生長機理探究

宋曉鵬，屠民海，龔俊波*

(1.天津大學化工學院 化學工程聯合國家重點實驗室，天津 300072； 2.天津化學化工協同創新中心，天津 300072；3.浙江新安化工集團股份有限公司，杭州 311699)

頭孢克肟，又名世福素、名氨噻肟烯頭孢菌素，是口服的第3代頭孢菌素類抗生素，最早由日本藤澤株式會社研發成功，由于其抗菌譜廣，對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌都具有較強的抗菌作用，且具有用藥量小、成本低等優點，至今已在20多個國家先后上市，并被我國列為十五“計劃”推薦研發的重要抗生素類藥物品種[1]。

“球形結晶”最早是由日本的Kawashima于1982年提出，他在實驗中通過一步完成了水楊酸的結晶和整粒過程，該方法大大簡化了傳統操作工藝，得到了國內外的廣泛關注[2]。隨后，越來越多的藥物通過“球形結晶”技術得到了自己的球形產品。“球形結晶”技術也形成了自己的體系，如球形聚結[3]、(準)乳液擴散[4]、氨擴散[5]和晶體共聚技術[6]等。但某些情況下，人們發現，得到的產品雖為球形，但并不具有傳統球形聚結體的特征，產品外觀呈規則的放射狀，而非由細晶雜亂無章的堆積而成；而某些無機物在純溶劑中仍然可以得到規則的球形產品。基于這種現象，越來越多的學者嘗試用新的“球形生長”機理來解釋這一現象，以區別于傳統聚結而成的球形晶體。

本研究從頭孢克肟的結晶過程入手，利用過程分析技術研究了頭孢克肟在溶析結晶過程中的球形生長機理。

1　實驗部分

1.1　試劑與儀器

頭孢克肟原料：粗品精制后產品，質量分數99.0%；丙酮：分析純，天津市江天化工技術有限公司；蒸餾水：來自高純水發生器；濃鹽酸：質量分數36%，天津市化學試劑五廠：濃氨水：質量分數26%，天津市江天化工技術有限公司。

超級恒溫水浴：CH1015，上海舜宇恒平儀器有限公司；數顯攪拌：JHS-2/90，杭州儀表電機有限公司；電子天平，AL204-IC，瑞士梅特勒-托利多公司：夾套結晶器，容量200 mL，天津市易普佳科技有限公司；偏光顯微鏡，BX51，日本奧林巴斯公司；X射線粉末衍射儀，D/Max2500，日本理學公司；激光粒度分布儀，Mastersizer 3000，英國馬爾文公司；掃描電子顯微鏡，TM3000，日本日立公司；熱重分析儀，TGA/DSC 1/500，瑞士梅特勒-托利多公司。

1.2　實驗過程

低溫(0～5 ℃)下將一定量的頭孢克肟原料分散于水(85 mL)和丙酮(15 mL)的混合溶液中，在不斷攪拌下(過程中攪拌轉速300～500 r/min)緩慢滴加稀氨水(質量分數4%)使其溶解；之后升溫并加入活性炭脫色，過濾，取濾液；向濾液中恒速滴加稀鹽酸(質量分數4%)，直至溶液過飽和開始渾濁為止，養晶2 h；繼續滴加鹽酸至頭孢克肟等電點[7](約pH=2.1處)，養晶15 min后抽濾并用蒸餾水洗滌濾餅2次，將樣品在30 ℃下真空干燥2 h后保存。

1.3　分析方法

溶析結晶過程實時取樣，采用偏光顯微鏡進行分析。

實驗過程和最終產品晶型測定：采用X射線粉末衍射儀分析，管流100 mA，管壓40 kV，掃描步長0.02°，掃描速率8(°)/min，掃描范圍2°～50°，Cu靶Kα射線入射，發射波長0.15306 nm。

產品形態分析：采用掃描電子顯微鏡(操作電壓15 kV)進行分析。

產品熱分析：采用熱重分析儀進行分析，測試溫度25～250 ℃，升溫速率5 ℃/min，氮氣氣氛。

2　結果與討論

2.1　過程參數對球形晶體的影響

2.1.1結晶溫度

實驗考察了5、15和25 ℃條件下頭孢克肟球形晶體的粒度分布，結果如圖1所示。

圖1　不同溫度下頭孢克肟產品的粒度分布Fig.1　The size distribution diagram of cefixime products under different crystallization temperature

從圖1中可以看出，在結晶過程中，較高的溫度下，產品的粒度分布更加均勻，而低溫下會導致產品中小粒子較多，產品粒度呈現雙峰分布，影響了產品的流動性和堆密度。但另一方面，溫度達到30 ℃以上時會導致頭孢克肟分子在溶液中不穩定，發生降解而影響產品質量。

2.1.2鹽酸滴加速率

在結晶后期，晶體的生長依賴于反溶劑鹽酸的加入，因此鹽酸的滴加速率也是控制產品質量的重要因素之一。實驗中發現，在一定范圍內提高鹽酸滴加速率，頭孢克肟球形晶體的粒度分布變化不大，但是其堆密度會受影響，具體見圖2。

圖2　不同鹽酸滴加速率下產品的堆密度Fig.2　The bulk density of the products under different adding rate of HCl

圖2表明，在較慢的滴加速率下，產品的堆密度較高；而隨著滴加速率的增大，產品堆密度下降很明顯。這主要是因為較快的滴加速率下，溶液過飽和度較大，導致晶體生長速率較快，因此產品堆積不緊實導致堆密度的下降。

2.1.3溶液初始濃度

圖3展示了不同初始濃度下頭孢克肟球形晶體的粒度分布曲線，表1則是與之相對應的質量分析結果。

圖3　不同初始濃度的頭孢克肟粒度分布Fig.3　The size distribution diagram of cefixime products under different initial solute concentration

實驗序號初始物料量/g收率/%樣品質量分數/%色澤115830999達標230916998達標360948991偏黃4120966980偏黃

可以看出，隨著初始濃度的提高，頭孢克肟球形晶體的粒度分布變化不是很明顯，但其質量分數隨初始濃度的提高則有所下降，且在高濃度下得到的產品色澤也不達標。這是由于，在較高的初始濃度下，實驗初期溶解原料需要更多的氨水，導致產品溶解時溶液的pH值偏大，而頭孢克肟在偏堿性環境中易發生降解，因此最終樣品會發黃，且質量分數有所下降。但初始濃度過低則會導致最終收率過低，從而導致生產成本的提高。綜合考慮，我們選擇表1中實驗2的初始濃度配比。

2.2　過程分析

為研究自發成核過程中頭孢克肟球形結晶的機理，本工作在頭孢克肟自發成核導致溶液混濁之后不同時間節點進行取樣分析，圖4為不同時間取樣的偏光顯微鏡結果。其中圖4a)和圖4b)為溶液剛混濁時所取樣品；圖4c)和圖4d)為養晶15 min左右后所取樣品；圖4e)和圖4f)為養晶1 h以上所取樣品；圖4g)和圖4h)為抽濾之前取樣所得樣品。

圖4　頭孢克肟溶析結晶過程不同時刻取樣的顯微鏡照片Fig.4　Polarized light microscope images obtained from different time during the anti-solvent crystallization process of cefixime

由顯微鏡結果可知，最終得到的頭孢克肟在偏光條件下具有較強的折光性，說明最終樣品確為晶態；但是在溶液中最初成核的粒子不是晶體，因其在偏光下沒有任何折光性，而更像是無定形；由于小粒子具有較大的表面能，在成核之后的粒子有聚集的趨勢[圖4中a)和b)]；經過10 min左右的養晶，可以看出，最初成核的粒子已基本全部聚結，產生的聚集體也逐漸開始有折光性[圖4中c)和d)]，但折光性仍比較弱；養晶1 h左右則可以看到溶液中析出的溶質逐漸增多，且樣品折光性已經較強，說明此時樣品已基本全為晶態[圖4中e)和f)]；而最終得到的樣品在顯微鏡下為粒度均一的球形晶態粒子。

為進一步證明無定形粒子及其轉晶過程的存在，我們選擇在結晶過程中實時取樣，圖5為樣品的X射線粉末衍射圖譜。

圖5　溶析結晶過程不同時刻取樣的XRD圖譜Fig.5　XRPD patterns obtained from different time during the anti-solvent crystallization process

從圖5中可明顯看出，在自發成核時，溶液中存在的是無定形粒子(X射線粉末衍射無晶體峰)；養晶10 min之后則開始出現晶體的特征峰，但強度很小；而養晶1 h以后以及最終產品則具有明顯的晶體特征。因此可以得出：在水-丙酮混合體系中進行溶析結晶時，頭孢克肟首先形成的是無定形粒子；而后，粒子會迅速聚結而不是進行生長，隨后粒子和其聚結體會在較短時間內發生轉晶，可看出無定形相對于其晶態來說是介穩狀態。

2.3　球形生長機理

晶態一旦形成，其粒度會隨著鹽酸的繼續滴加而變大。但后續過程中的粒度變大是由于球形聚結還是生長所導致是至關重要的，生長機理的不同會導致后續采取的控制變量有截然不同的差別。從圖4的顯微鏡照片中可以看出，后期生長過程中[圖4中e)、f)、g)和h)]沒有在實時取樣過程中看到細晶，因此我們推測：雖然無定形成核之后會產生聚結，但是轉晶之后晶體粒度的增大可能是由于晶體增長導致，而非小粒子的聚結。

為證明上述推測，我們嘗試得到產品的內部結構。圖6是實驗過程中將得到的頭孢克肟球形晶體剖開并做掃描電鏡得到的結果。

圖6　球形產品內部結構圖Fig.6　Interior structure of spherical products

由高倍率的電鏡照片可知，在球形晶體表面的二級單元成片狀，但并不是傳統球形聚結那樣雜亂堆積于表面，而是呈規則的放射狀；且在球體周圍也沒有任何細晶。可以看出，在無定形成核及聚結、轉晶之后，頭孢克肟在溶液中進行的是球形生長而非細晶的聚結。表面能理論可以解釋其二級單元的形狀：由于不同晶面的表面能并不相同，導致在相同的溶液環境中，某些晶面的生長速率會遠遠大于其他晶面；該例子中，側面晶面進行二次生長的能壘遠大于頂端晶面，頂端晶面生長速率更快，因此頭孢克肟在核心上二次生長最終形成的為長片形表面。

其次，在剖開的晶體中并未發現類似于碳酸鈣晶體中那樣的“赤道”形狀以及“眼”，晶體內部結構非常緊實，因此其生長機理應該遵循的是多方向的生長方式，而非低角度分支狀的生長[8]。

晶體在轉晶之后進行的是球形生長而非聚結，為驗證這一機理，實驗采用熱分析方法證明其中無定形成分的存在。由頭孢克肟相對分子質量可以計算其三水合物的水含量應為10.46%，但從產品的熱重分析結果可以看出球形樣品的水含量為9.13%(圖7中曲線1)，明顯小于理論值。以無定形存在的頭孢克肟分子不會含有3個結晶水，因此必會導致頭孢克肟球形晶體平均水含量的降低。若將無定形看成純頭孢克肟(不含結晶水)，則根據水含量的結果可以得出該球形產品中無定形成分的含量約為12%。

圖7　不同產品的熱重分析結果Fig.7　Thermogravimetric analysis results of different products

同時，在頭孢克肟球形晶體的內部結構掃描電鏡照片(圖8)中發現，內部核心與外部二級單元的晶習差別很大，更像是未轉晶的無定形成分。這一發現進一步證明了無定形形成之后并不一定能夠完全轉晶，而后期在核心表面上進行的生長過程與聚結機理并不相同，兩步之間存在明顯的界線。

圖8　含有無定形的產品電鏡照片Fig.8　The SEM image of the product containing amorphous component

另外，實驗中發現，在自發成核之前采用加入晶種的方式得到的產品(圖7中曲線2)，其水含量與頭孢克肟三水合物的理論水含量非常接近，說明頭孢克肟晶態粒子的存在抑制了無定形的產生，有利于最終球形晶體穩定性的提高。

3　結論

研究了頭孢克肟球形結晶體形成的原因，得到如下結論：

1)溶析結晶過程中，較高的結晶溫度下頭孢克肟球形晶體的粒度分布更為均一，而較低的鹽酸滴加速率則有利于堆密度的提高；溶質的初始濃度過高則會使球形樣品的色澤及純度存在不達標的風險。

2)采用在線分析技術深入探究了頭孢克肟球形結晶的過程，并揭示其生長機理為：無定形成核-聚結、轉晶-二次生長，并通過對晶體內部結構的表征證明了這一推測。

3)通過熱分析以及掃描電子顯微鏡的表征結果，證明了球形結晶內部無定形的存在；通過在自發成核之前加入晶種的方式，抑制了過程中無定形的產生，從而提供了一種提高球形晶體穩定性的途徑。

參考文獻：

[1]張明發, 季珉. 國內對頭孢克肟的臨床研究與評價[J]. 抗感染藥學, 2010, 7(1): 1-9

Zhang Mingfa, Ji Min. Evaluation and clinical application of cefixime in China[J]. Anti-Infection Pharmacy, 2010, 7(1): 1-9(in Chinese)

[2]Kawashima Y, Okumura M, Takenaka H. Spherical crystallization: Direct spherical agglomeration of salicylic acid crystals during crystallization[J]. Science, 1982, 216(4 550): 1 127-1 128

[3]Zhang H, Chen Y, Wang J,etal. Investigation on the spherical crystallization process of cefotaxime sodium[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2009, 49(3): 1 402-1 411

[4]Kawashima Y, Niwa T, Handa T,etal. Preparation of controlled-release microspheres of ibuprofen with acrylic polymers by a novel quasi-emulsion solvent diffusion method[J]. Journal of Pharmaceutical Sciences, 1989, 78(1): 68-72

[5]Puechagut H G, Bianchotti J, Chiale C A. Preparation of norfloxacin spherical agglomerates using the ammonia diffusion system[J]. Journal of Pharmaceutical Sciences, 1998, 87(4): 519-523

[6]Pawar A P, Paradkar A R, Kadam S S,etal. Crystallo-co-agglomeration: A novel technique to obtain ibuprofen-paracetamol agglomerates[J]. AAPS Pharm Sci Tech, 2004, 5(3): 57-64

[7]陳芬兒. 藥物發現與合成途徑[M]. 北京: 人民衛生出版社, 2011

Chen Fener. Pathway for drug discovery and synthesis[M]. Beijing: People′s Medical Publishing House, 2011(in Chinese)

[8]Andreassen J P, Flaten E M, Beck R,etal. Investigations of spherulitic growth in industrial crystallization[J]. Chemical Engineering Research and Design, 2010, 88(9): 1 163-1 168