藥物共晶制備新技術研究進展

徐大國，蔣成君，王玉潔

（1.臺州市大鵬藥業有限公司，浙江 臺州 317016；2.浙江科技學院生物與化學工程學院，浙江 杭州 310023）

共晶是改變一些藥物的性質如溶解度、熔點、引濕性、壓縮性、密度等理化性質的有效途徑。藥物共晶無需改變藥物分子的共價結構，即能達到修飾藥物理化性質的目的。近年來，有關藥物共晶的研究已成為藥學領域一大熱點。王義成等[1]綜述了酰胺、羧酸類、醇酚類及雜環類藥物共晶的制備研究以及對藥物活性成分的理化性質和生物利用度的影響。高緣等[2]等介紹了藥物共晶的形成原理、設計思路、性質以及制備方法。戈東旭等[3]介紹了藥物共晶在研發中的應用及其設計、制備和分析方法。周新波等[4]對黃酮類、生物堿類、萜類和多酚類難溶性有效成分的共晶及其理化性質和生物學性質進行了綜述。黃耀祥等[5]通過藥物共晶的定義、應用、制備新方法和結構研究等方面對目前藥物共晶的研究現狀進行總結。本文對藥物共晶制備的新方法進行總結，為共晶的工業化應用提供借鑒。

1 藥物共晶的制備方法

1.1 熱熔擠出技術

熱熔擠出（HME）工藝是制備共晶的一種新技術。熱熔擠出過程中的擠壓提供了高強度的混合、剪切、強化了藥物活性成分Active Pharmaceutical Ingredients（API）與共晶形成物 cocrystal coformer（CCF）之間的表面接觸，在不使用任何溶劑的情況下形成共晶。 Medina等[6]首次用熱熔擠出技術制備咖啡因-AMG517共晶。Dhumal等[7]研究了螺桿速度、溫度分布、螺桿結構等工藝參數對擠壓形成共結晶的影響。通過改變螺桿結構、加工溫度、混合強度提高制備布洛芬-煙酰胺共晶的質量。Daurio等[8]對四種不同藥物共晶的熱熔擠出技術進行了研究，結果表明，停留時間、混合程度對不同共晶的影響有區別。在長停留時間、強混合下，咖啡因-草酸完全形成了共晶。咖啡因-草酸共晶對螺旋速度表現出弱依賴性。而煙酰胺-反式肉桂酸的共晶形成對溫度表現出強依賴性。研究表明，共晶在擠出機的混合區內逐漸產生。Moradiya[9-10]首次將過程分析工具（PAT）用于過程監測，目的是了解藥物共晶體的相互作用并將過程優化。通過近紅外（NIR）實時監測，證明了卡馬西平-糖精和卡馬西平-肉桂酸官能團間分子間氫鍵的逐步形成。Moradiya的研究還表明，雙螺桿擠出優于單螺桿，單螺桿擠出形成的共結晶具有更寬的熔融峰，部分未形成共晶，因此純度、結晶度較低。

為了提高共晶體的化學、物理穩定性，研究人員開發了基質輔助共結晶技術[11-13]。這種方法是將藥物、共晶形成物與基質預先混合在一起。擠出溫度設定在基質熔點或軟化點以上，在擠出過程中基質成為液體，在液體中，藥物與共晶形成物更容易混合，從而形成共晶。Liu等[11]以羥丙基甲基纖維素、soluplus（聚乙烯己內酰胺-聚乙酸乙烯酯-聚乙二醇接枝共聚物）等為基質制備卡巴咪嗪-煙酰胺的共晶。發現所得到的擠出物以固體分散的形式存在于基質中，而不是以共晶的形式存在。作者認為，是因為卡巴咪嗪-煙酰胺共晶嵌在聚合物基質中。Li等[12]研究了以聚丙烯酸樹脂（10%），soluplus（10%）和木糖醇（10%～30%）為基質制備布洛芬-異煙酰胺共晶[13]。研究發現，只有當基質完全惰性且不能與藥物共晶體混溶時，才能獲得高質量的共晶，載體-API、載體-CCF之間的相互作用會對共晶質量、產率造成不良影響。如用soluplus為基質時，布洛芬-異煙酰胺則不能形成共晶。

熱熔擠出技術是用于制備高質量藥物共晶的新方法，這項技術還處于起步階段，需要更多的研究來了解熱熔擠出共晶形成的確切機理。由于在加工過程中沒有任何溶劑，因此熱熔擠出技術被認為是一項綠色環保的技術，在不影響共晶體質量的情況下易于放大，最重要的是可用于連續制造。因此，熱熔擠出技術可以降低制造成本，減少浪費和殘留，提高設備效率，再加上PAT技術，減少人為干擾，縮短成品的上市時間。

1.2 噴霧干燥技術

噴霧干燥技術是在高溫下將液態物質在氣態干燥介質中噴射進料，將液態物質轉化成干燥顆粒形式[14]。Alhalaweh[15]研究了不同條件下的噴霧干燥技術，對一系列共晶進行了噴霧干燥實驗，發現操作溫度對共晶的形成有顯著影響。根據實驗結果，提出了以下假設：溶劑快速蒸發，產生的液滴凝固，共晶在高度過飽和區域內成核并生長。Alhalaweh等[16]研究了茶堿與尿素、糖精與煙酰胺共晶的噴霧干燥制備。盡管使用相同的操作條件，但獲得的共晶具有不完全相同的顆粒形態，有細長（管狀或針狀），薄片（片狀），凝聚成斷裂（網狀）表面和不規則（變形）形狀。這些變化是由結晶動力學和晶格的顯著差異造成的。Grossjoham等[17]比較了溶劑蒸發、液體輔助研磨和噴霧干燥三種方法制備磺胺二脒和4-氨基水楊酸共晶。研究發現液體輔助研磨形成晶型I，噴霧干燥法形成晶型II。其中II型熱力學不穩定，迅速轉變成I型。Serrano等[18-19]研究了磺胺二脒和4-氨基水楊酸的多晶現象，1∶1化學計量比噴霧干燥時產生的共晶以晶型II形式出現。Patil等[20]通過研究三元相圖來優化噴霧干燥制備卡馬西平-煙酰胺共晶的工藝。卡馬西平-煙酰胺1∶1進料，設定不同的入口溫度、進料流量、固體含量進行工藝優化。然而，通過此法得到的共晶產率只有40%。噴霧干燥法在其他領域是一種成熟的技術，可以很好地控制過程變量，并且相對容易放大，所以噴霧干燥法常用于藥物共晶的制備。但是噴霧干燥得到的共晶產率低，仍需要進一步研究。

1.3 超臨界二氧化碳技術

超臨界二氧化碳技術制備藥物共晶是利用了API與CCF在高壓與常壓環境中溶解度的差異。由于超臨界CO2在常壓下的溶解能力顯著下降，導致減壓后超臨界二氧化碳中溶質的高度過飽和。快速形成的過飽和溶液引發溶質成核、結晶、形成細小顆粒沉淀。該技術使用無毒、高揮發性的CO2，不會在形成的共晶體上留下任何溶劑殘留物。其缺點是藥物-共晶形成物在超臨界二氧化碳中的溶解度有限所引起的收率低。Müllers[21]研究了不同化學計量比（0.5∶1， 1∶1， 2∶1）下超臨界CO2技術制備布洛芬-煙酰胺共晶，該工藝經過優化后可以獲取更高純度的共晶。但是，該技術也包含了很多缺點：如化合物的溶解度差異大，粒徑分布過廣，收率過低（20%～30%）和處理時間過長（4 h）。此外，可以將藥物-共晶形成物粉末置于高壓容器中，并在一定溫度和壓力下引入超臨界CO2[22]。Padrella等[23]將茶堿、吲哚美辛、卡馬西平、咖啡因、磺胺二甲嘧啶、乙酰水楊酸和糖精分散在超臨界CO2中，來探索超臨界CO2流體中制備藥物與糖精共晶的可能性。研究表明共晶體的形成會受到物質在CO2中的溶解度、流體密度和攪拌效果的影響。所有這些API中，只有茶堿與糖精生成共晶，其余的則僅僅形成了混合物。Shikar等[24]通過向高壓容器內溶液中加入超臨界CO2的方法開發了反溶劑（anti-solvent）共結晶技術。該工藝是把CO2溶解在有機溶劑中，通過溶質結晶過程中CO2的膨脹來降低溶劑的溶解能力[25-26]。Neurohr等[27]用CO2作為抗溶劑在丙酮中制備萘普生和煙酰胺的共晶。在35℃溫度和10 MPa壓力下，純CO2以25 g/min的速度流入0.49 L高壓容器中。該研究表明，在此條件下萘普生-煙酰胺以 1∶1、2∶1、 3∶1形成共晶，平均粒徑為200 μm的，回收產率高達62%。相比之下，在3∶1和1∶1的比例下（與前面自相矛盾），純度略低于96%。另外兩種用于共晶制備的超臨界技術稱為霧化及抗溶劑結晶（Atomization and Antisolvent Crystallization，AAS）和超臨界流體增強霧化（Supercritical Fluid Enhanced Atomization，SEA）技術。這兩種技術都利用了超臨界流體在與液體溶液同時降壓時會以較小液滴分解液體產生射流的優點。過程中包括溶液通過噴嘴并霧化，使得液體溶液能夠在超臨界條件下與CO2混合并均勻分散，與噴霧干燥過程類似，高剪切力使液體射流霧化成細小液滴[28]。因此，在臨界壓力下，CO2充當反溶劑使顆粒沉淀。AAS和SEA的主要區別在于第一種是在室溫下進行，而后者是在更高的溫度下進行。Padrela等[29]使用茶堿-共晶形成物進行了深入研究，確定了其在SEA共結晶過程中的關鍵工藝參數。4～10 MPa加壓實驗結果，表明壓力對粒徑分布的影響可以忽略不計。 然而，當溫度低于溶劑的沸點且在40℃～70℃間變化時，對顆粒尺寸有顯著影響，會得到0.5～0.6 μm粒徑的顆粒。當操作溫度接近或高于沸點，粒徑在0.8～0.9 μm之間變化。SEA技術與噴霧干燥類似，簡便、穩定且易于放大生產，但目前還沒有關于量產的報道。

1.4 冷凍干燥法

冷凍干燥是多步驟操作，通過冷凍濕物質，再施加低壓的水蒸氣使其直接升華為蒸汽來完成干燥。近來，在冷凍干燥應用于生物技術、制藥、診斷和食品工業后，人們嘗試將其應用于共晶制備。Eddleston等[30]表明冷凍干燥法是合成新的固體藥物共晶形式的簡單方法。通過將藥物與共晶形成物溶解在水或叔丁醇中實現了多種共晶的冷凍干燥制備，其中在制備茶堿-草酸的共晶時發現，通過冷凍干燥可以制備五水合物2∶1茶堿-草酸共晶。冷凍干燥有助于無定形物質在溶劑升華時形成共結晶。

1.5 微流控技術

微流控指的是使用微通道 （尺寸為數十到數百微米）處理或操縱微小流體的系統所涉及的技術[31-32]。Goyal等[33-34]研究了一種基于微流控的篩選和合成共晶的新方法。藥物和共晶形成物的飽和溶液以各種組合混合，篩選多種共晶形成物，如將咖啡因垂直引入芯片中，而共晶形成物則水平引入芯片。第一個階段篩選了288種條件，其中82種條件下有共結晶形成。第二階段中，對第一階段傾向最高的組合進行重復篩選。結果證明使用微流控芯片進行共晶篩選方法可行。該過程的另一個優點是用于分析形成的共晶的拉曼探針可以在線測試監控。

Scoutaris等[35]對三種 API（吡羅昔康，吡拉西坦和卡馬西平）進行微流控篩選。芯片上的共晶直接X射線衍射分析，通過這種方法發現了有棱鏡形態的Form-III CBZ共晶體和具有矩形棱鏡的吡羅昔康Form-I。微流控技術是一種新型高通量篩選藥物共結晶的方法，可以用于進一步研究開發新的共晶以及形成的條件。

1.6 超聲輔助技術

超聲場強化在化學化工過程的研究十分活躍，超聲對晶體的成核、生長、聚結、溶解度都會產生影響。Childs等[36]首次引入超聲結晶，使用超聲輔助方法合成制備了多種藥物共晶。Bucar等[37]采用低強度超聲波輻射合成了間苯二酚和4，4'-雙酚A聚氧乙烯醚的藥物共晶。其方法是將兩種化合物懸浮在乙醇中，在5℃下超聲3 h。研究表明，該過程涉及晶體微尺度內氣泡的形成、生長、破裂。空化導致剪切力和晶體碎裂的出現，加速了成核和結晶速率，同時減輕甚至消除了緊鄰氣泡處的過飽和程度。Aher等[38]對咖啡因和馬來酸以不同摩爾比（1 ∶0.5，1 ∶1，1 ∶2，1 ∶3，1 ∶3.5）的共晶進行研究。研究表明，由于咖啡因在馬來酸中的溶解，調節馬來酸的量可以在溶劑冷卻下形成共結晶，而漿液超聲處理不能獲得純的共晶。并進一步對咖啡因和草酸（2∶1）超聲波輔助溶液結晶進行研究[39]，咖啡因和草酸（2∶1）的共晶對濕度有更好的穩定性。Fniscic等[40]研究了溶劑對超聲輔助結晶的影響。采用經驗參數η篩選制備條件，經驗參數 η 被定義為：η=V（liquid， μL）/m（sample，mg）。其中，η為溶劑體積除以樣品重量（mg）。η值非常低時，溶劑量過少，不能形成共晶。而超過特定η值時，也不可能形成共結晶。 此外，當共晶化合物的溶解度不一致時，η的影響更明顯。使用η值和化合物溶解度有利于更快地確定在一定溶劑中共晶設計的實驗條件。

各種共晶制備方法的優缺點如表1所示。

表1 各種制備方法的優缺點

2 結論與展望

共結晶技術是改善原料藥理化性質的最有前途的方法之一。美國FDA于2018年2月14日發布關于藥物共晶的監管分類指南，建議當藥物與某種輔料形成共晶后，類似于多晶型物，并且不被視為新的藥物活性成分（API），這就是降低了藥物申報、注冊的難度。目前，共晶藥物如沙庫比曲-纈沙坦（LCZ696’）于 2015年7月7日通過FDA批準，伊格列凈-L-脯氨酸共晶于2014年1月18日獲日本衛生勞動福利部（MHCW）批準。藥物共晶制備新方法的研究將成為下一個研究的熱點。在方法的選擇中，共晶的純度、工藝的穩定性、有效性等因素需綜合考慮。最近，本課題組[41-42]系統的研究了姜黃素的共晶，發現工藝的穩定性是制約共晶大規模應用的重要因素。共晶制備過程中的環保，安全問題也是需要綜合考慮的因素。