設計空間法優化銀杏葉滴丸滴制工藝

申基琛+王青青+陳安+潘方來+龔行楚+瞿海斌

[摘要] 運用設計空間法優化銀杏葉滴丸滴制工藝。首先通過預實驗和文獻調研確定潛在關鍵工藝參數和潛在關鍵工藝評價指標，然后采用Box-Behnken設計開展試驗，根據試驗結果確定關鍵工藝參數和關鍵工藝評價指標，再采用二階多項式模型描述關鍵工藝參數與關鍵工藝評價指標間的定量關系，最后計算獲得基于概率的設計空間并驗證。驗證結果表明，在工藝參數設計空間內操作能夠確保銀杏葉滴丸高效產出。銀杏葉滴丸滴制工藝關鍵參數的推薦操作范圍為：滴距5.5～6.7 cm，滴速59～60 滴/min，為銀杏葉滴丸的工業生產提供了參考。

[關鍵詞] 銀杏葉滴丸；滴制工藝；關鍵工藝參數；設計空間

[Abstract] In this paper， a design space approach was applied to optimize the dropping process of Ginkgo biloba dropping pills. Firstly， potential critical process parameters and potential process critical quality attributes were determined through literature research and pre-experiments. Secondly， experiments were carried out according to Box-Behnken design. Then the critical process parameters and critical quality attributes were determined based on the experimental results. Thirdly， second-order polynomial models were used to describe the quantitative relationships between critical process parameters and critical quality attributes. Finally， a probability-based design space was calculated and verified. The verification results showed that efficient production of Ginkgo biloba dropping pills can be guaranteed by operating within the design space parameters. The recommended operation ranges for the critical dropping process parameters of Ginkgo biloba dropping pills were as follows： dropping distance of 5.5-6.7 cm， and dropping speed of 59-60 drops per minute， providing a reference for industrial production of Ginkgo biloba dropping pills.

[Key words] Ginkgo biloba dropping pills；dropping process；critical process parameters；design space

銀杏葉具有活血化瘀、平喘斂肺、清心明智等功效，其制劑在臨床上常用于治療冠心病、心絞痛、腦梗死、老年癡呆等疾病[1]。銀杏葉滴丸是《中國藥典》2015年版一部[2]里的收載品種，其制法為：取銀杏葉提取物，加聚乙二醇，加熱熔化，混勻，滴入甲基硅油冷卻劑中，制成丸。從工業生產實際情況分析，滴制工藝對滴丸的質量和產量影響較大。滴制工藝參數較多，如滴速、滴頭與冷凝液液面距離、冷凝液溫度等。但是，目前針對銀杏葉滴丸滴制工藝的研究很少，滴制工藝參數與滴丸質量和產量的關系并不明確。

近年來，質量源于設計（quality by design，QbD）理念在國際制藥領域產品和工藝開發中得到大力推行[3]。QbD強調理解藥品生產過程，即明確工藝參數如何影響工藝指標。實施QbD的關鍵之一是獲取設計空間（Design space）。設計空間指能夠確保產品質量的輸入變量（例如原料屬性和工藝參數等）的范圍。獲取設計空間的主要步驟為：確定評價工藝的關鍵指標；辨識影響這些指標的關鍵工藝參數；采用試驗設計方法，建立工藝評價關鍵指標與關鍵工藝參數之間的數學模型；計算設計空間并驗證。設計空間法已廣泛應用在化學藥和生物藥的工藝研究中[4-5]，也應用在中成藥的分離、純化等工藝研究中[6-7]。

本研究運用設計空間法優化銀杏葉滴丸的滴制工藝，計算獲得基于概率的設計空間并驗證，為提升銀杏葉滴丸生產技術水平提供方法。

1 材料

數控超級恒溫槽（ZCY-15B，寧波天恒儀器廠）；數顯測速電動攪拌器（JJ-1A，常州潤華電器有限公司）；多功能滴丸試驗機（DWJ-2000S，煙臺康達爾藥業有限公司和煙臺百藥泰中藥科技發展有限公司聯合制造）；電子天平（XS105型，Mettler Toledo公司）；智能溶出試驗儀（ZRS-8GD，天津市天大天發科技有限公司）。

銀杏葉提取物（批號20161002，江蘇貝斯康藥業有限公司）；聚乙二醇4000（批號FS160927276，遼寧奧克醫藥輔料有限公司）；二甲基硅油（350Cst，批號 20160901，江西阿爾法高科藥業有限公司），石油醚（批號 20161021，國藥集團化學試劑有限公司）。

2 方法

2.1 銀杏葉滴丸的制備 銀杏葉滴丸制備參照《中國藥典》2015年版：先將玻璃夾套反應器與數控超級恒溫槽相連，開啟數控超級恒溫槽，設置溫度為80 ℃，待溫度穩定后，開啟循環泵，然后將聚乙二醇4000加入玻璃夾套反應器中，待其成為熔融狀態后，用電動攪拌器攪拌，攪拌速度400 r·min^-1，再加入銀杏葉提取物，繼續攪拌20 min，最后將混合藥液轉移至多功能滴丸試驗機的滴罐中。多功能滴丸試驗機的示意圖見圖1，冷卻柱高度1.68 m，滴頭口內徑2.0 mm，外徑5.5 mm。試驗時，待滴丸機上的工藝參數達到設定值并且平衡后，打開滴制速度手柄使混合藥液滴入二甲基硅油中，每次試驗加入約50 g的混合藥液，得到大約800顆滴丸。滴制完畢后，收集滴丸機出粒板上的滴丸，然后在通風櫥中用沸程30～60 ℃的石油醚洗滌滴丸并風干，再用6目不銹鋼分樣篩篩選滴丸并將篩好的滴丸裝好備用。滴制時若滴速達不到設定的滴速，則采用氮氣鋼瓶充氣加壓，在整個滴制過程中需要調節氮氣流量來維持滴速恒定。試驗中也觀察到滴速不能無限增加：氮氣加壓如果過大，藥液呈線狀下落，無法制成滴丸。

2.2 試驗設計 根據前期預實驗的結果和其他滴丸的研究論文[8-10]，選擇冷凝液頂部溫度（X₁）、冷凝液底部溫度（X₂）、滴距（X₃）和滴速（X₄）作為銀杏葉滴丸滴制工藝的潛在關鍵工藝參數，以成品率、溶散時限和產能作為滴制工藝潛在關鍵評價指標，采用Box-Behnken試驗設計研究潛在關鍵工藝參數和工藝評價指標之間的定量關系。試驗中各因素及水平見表1，具體試驗設計見表2。

2.3 分析方法 成品率的測定采用取樣稱重法。參照《中國藥典》2015年版四部里的其他通則中的藥材和飲片取樣法[11]：做出的滴丸顆數在100～1 000顆的，按總數的5%進行取樣，若滴丸顆數超過1 000顆，則取樣顆數為50+（滴丸總顆數-1 000）×1%，取樣方法按四分法進行。將取樣所得滴丸逐個稱量，本研究所用滴丸機的標示丸重為60 mg，根據《中國藥典》2015年版四部中的制劑通則滴丸質量差異評價標準[11]，滴丸質量在52.8～67.2 mg均為合格滴丸。滴丸的成品率（Y₁）的計算公式如下。

式中m為制得的滴丸質量，M為加入滴丸機的混合藥液質量，N為滴丸取樣顆數，n為取樣滴丸中合格滴丸的顆數。

本研究中產能的定義為每分鐘內合格滴丸的產出顆數。產能的測定方法為：按表2設的滴制工藝條件滴制滴丸并記錄每批滴丸的滴制過程所消耗的時間，取樣估計每批制備好的滴丸中合格滴丸的顆數。產能（Y₂）按如下公式計算。

式中m樣為取樣滴丸的總質量，t為滴制過程耗時。

2.4 數據處理 建立關鍵工藝評價指標和關鍵工藝參數之間的定量關系時采用下式計算。

其中a₀為常數項，a_i，a_ii，a_ij為回歸系數。采用逐步回歸法簡化方程，模型移入和移出特定項的P設定為0.05。相關回歸計算由Design Expert V8.0.6.1（美國Stat-Ease公司）完成。使用MODDEPro11.01（美國MKS Umetrics公司）計算設計空間，計算條件：分辨率設為64，試驗失敗概率最大值設為5%，每個試驗點的模擬次數為5萬次。模擬時試驗失敗概率小于或等于設定的試驗失敗概率最大值的工藝參數組合為設計空間。

3 結果與討論

3.1 關鍵工藝評價指標 《中國藥典》2015年版四部[11]中規定滴丸劑需要檢查其丸重和溶散時限。參照《中國藥典》2015年版四部中的崩解時限檢查法[11]測定了本研究所制備滴丸的溶散時限，發現都小于20 min，均符合規定，故在本研究中不作為關鍵工藝評價指標。試驗中產出的滴丸的丸形總體上都比較良好，故不以其為關鍵評價指標。成品率包含對丸重的檢測并能考察滴制工藝產出合格滴丸的能力，表2中成品率變化在2.2%～101.4%，說明受工藝參數變化的影響很大，所以本研究將成品率作為關鍵工藝評價指標。在實際生產中，產能是企業所擁有的加工能力的一個技術參數，它反映的是企業生產的經濟指標，表2中產能變化很明顯，在1～56顆/min，所以本研究也將產能作為滴制工藝的關鍵評價指標之一。

3.2 關鍵工藝參數的確定及其影響規律 以公式（3）建立統計模型，模型結果為：Y₁=57.87+18.48X₃-15.04X²₃+38.33X²₄（R²=0.823，R²adj=0.800，模型P<0.000 1，失擬檢驗P=0.255），Y₂=22.08+7.92X₃+15.00X₄-5.78X²₃+12.84X²₄（R²=0.902，R²adj=0.885，模型P<0.000 1，失擬檢驗P=0.298）。各模型的決定系數R²均大于0.80，說明所建立的統計模型能解釋大部分數據變異。模型中沒有X₁項和X₂項，說明在試驗范圍內冷凝液頂部溫度和冷凝液底部溫度對工藝評價指標無顯著影響。模型中有X₃和X₄項，說明滴距和滴速對成品率和產能的影響顯著，可以認為是滴制工藝的關鍵參數。

成品率的等值線圖見圖2。成品率隨著滴速的增加存在先減少后增加的趨勢。在一定范圍內增加滴距可以提高成品率。原因可能是滴距小、滴速快時，滴丸在冷凝液中易粘連聚并，使滴丸質量偏大而降低成品率；當滴距大、冷凝柱頂部溫度高時，藥液滴入冷凝液后，液滴容易斷裂而產生質量偏小的滴丸，最終降低成品率。產能的等值線圖見圖3。在一定范圍內，增加滴距有利于產能的提高。產能總體上隨著滴速的增加而增大。

3.3 設計空間及驗證 在實際生產中，滴丸成品率和產能都很重要，所以希望成品率≥80%，產能≥40顆/min。計算所得設計空間見圖4。從圖4可以看出設計空間的形狀不規則，設計空間的范圍處于滴距5.10～7.00 cm，滴速58～60 滴/min。為了便于操作，推薦的工藝條件操作范圍是：滴距5.5～6.7 cm，滴速59～60滴/min。

為了驗證設計空間的可靠性，在設計空間內外取點進行驗證，驗證條件及結果見表3。在設計空間內的工藝條件V3，V4下生產滴丸，均可以使得滴丸的成品率超過80%，產能大于40顆/min，成品率最大能達到90%以上，產能最大能超過50顆/min。在設計空間外的工藝條件V1，V2下做出的滴丸成品率雖然都高于80%，但是產能均低于40顆/min，在設計空間外的工藝條件V5下生產滴丸，成品率和產能均不能達到要求。成品率和產能的預測值和試驗值較為接近，說明所建統計模型適用，在設計空間內操作能保證滴丸的成品率和產能滿足要求。

4 結論

本文采用設計空間法優化銀杏葉滴丸滴制工藝。先通過預實驗研究和文獻調研確定潛在關鍵工藝參數和潛在關鍵工藝評價指標，然后進行Box-Behnken試驗設計并根據試驗結果確定關鍵工藝參數和關鍵工藝評價指標，再使用二階多項式模型描述關鍵工藝參數與關鍵工藝評價指標間的定量關系，最后計算獲得基于概率的設計空間并驗證。本研究發現成品率隨著滴速的增加存在先減少后增加的趨勢，產能總體隨著滴速的增加而增大。在一定范圍內增加滴距可以提高成品率和產能。銀杏葉滴丸滴制工藝的推薦操作空間為滴距5.5～6.7 cm，滴速59～60滴/min，在該操作空間內，成品率大于80%、產能大于40顆/min的概率均可達到0.95以上，并且驗證結果和預測值符合良好，這表明在該工藝參數設計空間內操作能保證銀杏葉滴丸高效優良地產出。上述研究結果，增加了對銀杏葉滴丸滴制工藝的理解，為銀杏葉滴丸的工業生產提供了參考。

[參考文獻]

[1] 潘洪平. 銀杏葉制劑藥理作用和臨床應用研究進展[J].中國中藥雜志， 2005，30（2）：93.

[2] 中國藥典.一部[S]. 2015.

[3] Lawrence X Y， Gregory Amidon， Mansoor A Khan， et al. Understanding pharmaceutical quality by design[J]. AAPS J，2014，16（4）：771.

[4] Iurian S， Tomuta I， Bogdan C， et al. Defining the design space for freeze-dried orodispersible tablets with meloxicam[J]. Drug Develop Ind Pharm，2016，42（12）：1977.

[5] Streefland M， Herpen P， Waterbeemd B， et al. A practical approach for exploration and modeling of the design space of a bacterial vaccine cultivation process[J]. Biotechnol Bioeng，2009，104（3）：492.

[6] 趙芳，龔行楚，瞿海斌.基于危害及可操作性分析的設計空間法優化紅參醇提工藝[J]. 中國中藥雜志，2017，42（6）：1067.

[7] 許之麟， 黃文華， 龔行楚， 等. 設計空間法優化黨參一次醇沉工藝[J]. 中國中藥雜志， 2015，40（22）：4411.

[8] 李群力. 雙黃連滴丸制備工藝的研究[J]. 中草藥，2005，36（4）：537.

[9] 柳偉， 王宏潔， 司南， 等. 蓮子心總生物堿滴丸的制備工藝及含量測定[J]. 中國中藥雜志， 2007，32（7）：581.

[10] 夏海建，張振海，賈曉斌. 雷公藤紅素緩釋滴丸的研究[J]. 中草藥，2013，44（7）：834.

[11] 中國藥典.四部[S]. 2015.

[責任編輯 孔晶晶]