基于修正附著能模型的不同溶劑環(huán)境的磷酸奧司他韋晶體生長研究

中圖分類號：R917 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-3851（2025）09-0597-08

Reference Format： ZHOU Wangting，WEI Yujing，CHEN Dezhen，et al. Research on crystal growth of oseltamivir phosphate in diferentsolvent environments basedonmodifiedattchment energymodelsJ].Journalof Zhejiang Sci-Tech University，2025，53（5） ：597-604.

Research on crystal growth of oseltamivir phosphate in different solvent environments based on modified attachment energy models

ZHOU Wangting ，WEI Yujing ，CHEN Dezhen，ZHANG Guoqing （School of Materials Science 8. Engineering，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 31oO18，China

Abstract： To investigate the effect of different solvent systems on the crystal growth of oseltamivir phosphate， the crystal morphology of oseltamivir phosphate in vacuum， acetone and acetonitrile environments was calculated by constructing modified atachment energy models. The recrystalization experiments were also carried out in the corresponding solvent environment， and X-ray powder diffractometer，scanning electron microscope，and particle and powder characterization analyzer were used to characterize the crystal structure，microscopic morphology，and powder properties of the crystalline products. The results showed that the dominant crystal planes determining the crystal habit of oseltamivir phosphate under vacuum conditions were（1 1 O） and （O O 1），with attachment energies of -42.49kcal/ mol and ， respectively. The crystal habit changes of oseltamivir phosphate under different solvent conditions were significantly different，with all the crystal habits being rectangular prisms.The aspect ratio of the crystal habits in acetone was larger than that in acetonitrile，and the predicted crystal habits were in good agreement with the experimental results. The crystalline product recrystallized in acetonitrile had an angle of repose of 32.8^° and a degree of compression of 37.4% ， indicating relatively good flow properties. This study shows that the effect of solvent on crystal growth and its morphology can be predicted by modifying the attchment energy model，and provides theoretical supportfor the regulation of crystal habits and solvent selection for oseltamivir phosphate in industrial production.

Key words： oseltamivir phosphate； morphological prediction； crystal growth； modified attachmenenergy model;crystal microstructure

0 引言

藥物晶型和晶習(xí)與藥物的理化性質(zhì)及用藥安全緊密相連，在創(chuàng)新藥研究和仿制藥開發(fā)領(lǐng)域具有重要意義。同一藥物若存在不同晶型和晶習(xí)，其在溶解度、穩(wěn)定性、引濕性、流動性等方面往往會呈現(xiàn)出顯著差異，這些差異進而會對藥物的生物利用度、臨床療效以及安全性產(chǎn)生影響。因此，探究藥物晶體習(xí)性以選擇滿足工業(yè)生產(chǎn)，就顯得非常重要。

通過在不同溶劑環(huán)境下進行結(jié)晶是探究藥物晶習(xí)的重要手段之一，溶劑分子與晶面之間的相互作用在一定程度上影響了晶面的生長速率，造成晶習(xí)的差異[1-4]。藥物的晶習(xí)可以通過實驗方法進行研究，但這會消耗大量人力與物力，大幅增加藥物研發(fā)的成本。近年來，計算機輔助藥物研發(fā)得到了越來越多的關(guān)注。Chen等[5采用附著能模型模擬研究了真空和水溶劑條件下 Li₂CO₃ 的生長形貌；Liang等通過分子動力學(xué)方法模擬了3，4-bis（3-nitrofurazan-4-ylfuroxan在不同溶劑下的晶體形態(tài)；Liang等通過修正附著能模型模擬了鹽酸文拉法辛在不同溶劑下生成的晶體形態(tài)，并引入表面結(jié)構(gòu)來分析溶劑吸附行為。與傳統(tǒng)的實驗方法相比，計算機輔助藥物研發(fā)大大節(jié)省了藥物研發(fā)的資金投入與時間成本，而且也為微觀角度分析晶體生長過程與機理提供了一種方法。

磷酸奧司他韋（Oseltamivirphosphate）是一種抗病毒藥物，它通過抑制流感病毒的復(fù)制和傳播來防治病毒，具有特異性高、作用迅速、安全性好等特點，廣泛應(yīng)用于各類病毒性疾病的治療[8]。目前對磷酸奧司他韋的研究集中在其合成技術(shù)和晶型發(fā)展上[9-11]，而關(guān)于溶劑對藥物晶習(xí)的影響的研究較少。磷酸奧司他韋以膠囊劑、顆粒劑和干混懸劑形式給藥，需要對磷酸奧司他韋晶體形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)進行進一步的實驗和模擬研究，更深入地了解溶劑對晶體的生長和習(xí)性的影響，有助于更好地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。因此本文利用MaterialsStudio8.O軟件計算磷酸奧司他韋在真空情況下的晶體形態(tài)，探究分子間的相互作用力以及可能的生長晶面。進一步，構(gòu)建溶劑和各生長晶面的修正附著能模型，探討了溶劑對磷酸奧司他韋晶體生長的影響，并且進行重結(jié)晶實驗，對模擬結(jié)果進行驗證，分析溶劑對晶習(xí)的影響，進而從微觀角度解釋晶體生長的機制。憑借該模型，可以精準(zhǔn)把握不同晶面的附著能差異，進而有目的地調(diào)整結(jié)晶條件，在工業(yè)生產(chǎn)中為藥物晶習(xí)調(diào)控與溶劑的選擇提供理論支持。

1 實驗部分

1. 1 仿真設(shè)計

1. 1. 1 修正附著能模型

修正附著能模型是基于周期鍵鏈（Periodicbondchain，PBC）理論推導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型，可以通過定量計算來模擬晶體的形態(tài)。其假定各晶面的相對生長速率與修正后的附著能絕對值成正比關(guān)系[12-13]，即：

E_att^′=E_att-E_s

E_int=E_tot-（E_sur+E_sol）

其中： A_acc 為晶面單元的溶劑可及表面積； A_box 為模擬盒子中生長晶面的橫截面積; E_s 為能量修正項，為溶劑分子與晶面之間的結(jié)合能； E_int 為特定晶面與相應(yīng)溶劑層的相互作用能，其數(shù)值為晶面-溶劑體系的總能量 E_rot 與晶面層能量 E_sur 和溶劑層能量E_sol 之差； E_att 與 E_att^′ 分別表示真空環(huán)境下晶面與考慮溶劑分子后晶面的附著能； 表示晶面的生長速率。

1. 1. 2 仿真過程

磷酸奧司他韋的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)以及晶胞參數(shù)由Naumov等[10]通過實驗獲得，磷酸奧司他韋屬于正交晶系，P222的空間群。

本文選擇MaterialsStudio8.O軟件構(gòu)建修正附著能模型。選取力場對磷酸奧司他韋進行真空環(huán)境下模擬，得到在真空下磷酸奧司他韋的晶體形態(tài)，將面積占比較大的重要晶面單獨切割下來，構(gòu)建成超晶胞；進一步構(gòu)建丙酮與乙腈溶劑分子層（含10% 水分子），并且溶劑層尺寸與所構(gòu)建的晶面層的尺寸大致相同。將晶面層與溶劑層組成晶面-溶劑的雙層結(jié)構(gòu)模型，并通過分子動力學(xué)計算出每個晶面在不同溶劑環(huán)境下的修正附著能，得到磷酸奧司他韋在不同溶劑環(huán)境下的晶體形貌，

1. 2 材料與實驗

1. 2.1 原料與試劑

磷酸奧司他韋原料由浙江普洛家園藥業(yè)有限公司提供，乙腈（化學(xué)純度 99.0% ）和丙酮（化學(xué)純度99.5% ）由杭州米克化工儀器有限公司提供，所有試劑均為分析級。

1. 2. 2 磷酸奧司他韋原料藥的晶體制備

將 5mL 的去離子水從室溫加熱到 45°C ，加人200mg 磷酸奧司他韋原料藥，緩慢攪拌直到完全溶解， 45°C 保溫 ;分別加人 45mL 的丙酮與乙腈，自然降溫至室溫；經(jīng)過 ^12h 析出固體，取出重結(jié)晶樣品過濾，并在 35°C 真空干燥箱中干燥 ¹h ，獲得丙酮中產(chǎn)物 68mg ，乙腈中產(chǎn)物 41mg 。

1. 3 測試與表征

1.3.1 晶體形貌表征

通過GeminiSEM-50O掃描電子顯微鏡（德國Zeiss公司）對磷酸奧司他韋的晶體產(chǎn)物進行表觀形貌的表征。取 2～3mg 丙酮與乙腈中晶體產(chǎn)物均勻涂抹在導(dǎo)電膠上，通過JFC160O離子衍射儀（日本JEOL公司）對樣品進行鍍金處理，在 3kV 的工作電壓下通過掃描電子顯微鏡對樣品進行觀察。

1.3.2 物相結(jié)構(gòu)表征

通過D8AdvanceX射線粉末衍射儀（德國Bruker公司）對磷酸奧司他韋產(chǎn)物進行晶體結(jié)構(gòu)進行表征。將 10～20mg 丙酮與乙腈晶體產(chǎn)物壓實放置于樣品臺上，采用 CuKα 輻射，電流與電壓分別為 40kV 和 40mA，2θ 范圍為 3^°～50^° 的范圍，掃描速度為 0.2（^°）/min 。

1.3.3 粉體性能表征

在干燥無風(fēng)的環(huán)境下，將磷酸奧司他韋結(jié)晶產(chǎn)物過100目篩后，通過RookoFT-2000A顆粒和粉體特征分析儀（寧波瑞柯微智能科技有限公司），在對磷酸奧司他韋晶體產(chǎn)物進行振實密度、松裝密度和休正角的表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 力場的選擇

力場是用于模擬分子間相互作用的數(shù)學(xué)模型，它通過一系列的函數(shù)和參數(shù)來描述原子和分子之間的相互作用力；對于不同的物質(zhì)通過選擇合適的力場，可以提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。本文采用MaterialsStudio8.O軟件中一系列經(jīng)典力場對磷酸奧司他韋的單晶結(jié)構(gòu)進行幾何優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如表1所示，其中 表示晶胞參數(shù)。對比了初始與優(yōu)化后的晶胞參數(shù)，Dreiding力場下優(yōu)化后的晶胞參數(shù)偏差約為 5% ，該力場是一種適用于有機物和有機高分子的專用型力場，進行能量優(yōu)化時收斂速度較快，選擇此力場對磷酸奧司他韋進行模擬計算比較合理。

表1不同力場下優(yōu)化后的磷酸奧司他韋晶胞參數(shù)

2.2 真空下磷酸奧司他韋的形態(tài)模擬以及數(shù)據(jù)分析

通過計算得出磷酸奧司他韋在真空下的理論晶體形態(tài)，結(jié)果見圖1（a）。圖1（a）顯示：磷酸奧司他韋真空形貌為矩形棱柱結(jié)構(gòu)，主要的生長晶面分別為（110）和（001），其中，（001）晶面的附著能為-127.27kcal/mol ，晶面附著能絕對值較高生長速率快，其晶面面積占比小，約為 14.31% ;（110）晶面的附著能為一 ?42.49kcal/mol ，生長速率較低，暴露面積占比約為 85.69% ；橢球體中心表示生長單元的質(zhì)心，從質(zhì)心向外擴散的線是能夠驅(qū)動磷酸奧司他韋晶體生長的相互作用（見圖1（b）），該線參數(shù)絕對值越大，能量越高，生長得更快[14]。磷酸奧司他韋分子間相互作用力分別為：對應(yīng)黑線的參數(shù)為-8.74kcal/mol ，能量最高；對應(yīng)灰色線的參數(shù)為-3.20kcal/mol ，能量最低；（110）晶面對應(yīng)的相互作用力更弱，生長的較為緩慢，緩慢生長的晶面具有重要的形態(tài)學(xué)意義。

2.3 磷酸奧司他韋的Hirshfeld表面分析

通過CrystalExplorer軟件對磷酸奧司他韋進行Hirshfeld表面分析，結(jié)果如圖2—圖3所示。 d_i 與 d_e 分別表示從Hirshfeld表面到其內(nèi)部最近原子與外部最近原子的距離， d_norm 是基于 d_i 和 d_e 以及表面內(nèi)外相應(yīng)原子的范德華半徑計算得出的歸一化接觸距離，通過Hirshfeld表面分析可以對磷酸奧司他韋表面的相互作用有著具象化理解。氫鍵被描繪為 d_norm 表面上的深色大圓形，其他更弱更小的接觸被描繪為小斑點和淺色區(qū)域，氫鍵的受體與供體在Hirshfeld表面都顯示出來大紅色的圓斑，主要為磷酸二氫根與氨基都形成了氫鍵，而這些氫鍵方向也對應(yīng)了部分磷酸奧司他韋分子間相互作用力的方向（見圖2）。圖3分別給出了磷酸奧司他韋相互作用所對應(yīng)的指紋圖，相鄰分子的甲基之間的H…H （見圖3（b））接觸是最頻繁的相互作用，占到了 59.3% ;磷酸二氫根與氨基之間 O???H （見圖3（c））的氫鍵，占到了 36.8% ： O^…O （見圖3（d））為1.2% O^...C （見圖3（e））為 0.4% 和 C…H （見圖3（f））為 2.3% 。

圖1真空中預(yù)測的磷酸奧司他韋晶體形態(tài)以及分子間相互作用力示意圖

圖2 Hirshfeld表面分析圖

2.4 不同生長條件下磷酸奧司他韋的晶體形態(tài)計算分析

通過構(gòu)建晶面與溶劑之間的修正附著能模型獲得溶劑環(huán)境下磷酸奧司他韋的理論晶習(xí)，結(jié)果見表2。表2顯示：在丙酮和乙腈溶劑環(huán)境中，溶劑與磷酸奧司他韋各晶面之間的相互作用能均為負值，表明溶劑分子會自發(fā)的吸附于磷酸奧司他韋的晶面上[15]；不管在何種溶液中，（110）晶面的E_att^′ 絕對值都小于（001）晶面的 E^′_att 絕對值，E^′_att 絕對值越小，該面的生長速率越小，該晶面在晶體生長的過程中越可能成為主要暴露晶面；在丙酮和乙腈中，（110）的晶面占比最大，分別為85.269% 和 83.492% ，進一步與真空下的晶體形態(tài)比較，其附著能數(shù)值、面積占比和長徑比等數(shù)值均產(chǎn)生變化，表明溶劑對于磷酸奧司他韋的晶習(xí)有著重要作用。

表2MAE模型下丙酮和乙腈中各優(yōu)勢晶面的模擬結(jié)果

圖3各相互作用力的二維指紋圖

2.5 掃描電子顯微鏡分析

同一種藥物在不同條件下重結(jié)晶所制得產(chǎn)物的晶體形態(tài)是不同的，甚至相差很大[16-18]。通過修正附著能模型計算出磷酸奧司他韋在不同溶劑下的理論晶習(xí)，結(jié)果見圖4（a）—（b）。圖4（a）—（b）顯示：在丙酮和乙腈中的理論晶習(xí)均為矩形棱柱，并且丙酮中的晶習(xí)長徑比大于乙晴中的晶習(xí)長徑比。進一步，為了驗證理論計算的準(zhǔn)確性，通過掃描電子顯微鏡觀察磷酸奧司他韋在丙酮與乙腈溶劑環(huán)境下的晶體產(chǎn)物，結(jié)果見圖4（c）—（d）。由圖4（c）—（d）可知：在不同的溶劑中，晶體形態(tài)均為表面光滑、棱角分明的矩形棱柱；從丙酮溶劑下析出的產(chǎn)物較為長細，長度 2～4μm ，寬度約 1μm ;乙腈溶劑下析出的產(chǎn)物較為短粗，長度 2～5μm ，寬度約 2μm 。對比結(jié)晶產(chǎn)物與理論計算，其晶體形態(tài)基本一致，表明通過修正附著能模型輔助計算藥物的晶體形態(tài)是可行的，由此可優(yōu)化磷酸奧司他韋結(jié)晶工藝，并且在研發(fā)和生產(chǎn)中節(jié)省成本。

2.6×射線粉末衍射圖譜分析

通過X射線粉末衍射對藥物的晶體結(jié)構(gòu)及其組成進行表征，結(jié)果見圖5。圖5顯示：磷酸奧司他韋主要特征衍射峰為 5.17^°，7.24^°，8.17^°，10.38^°， 11.66^° ， 13.23^° 、 14.37^° 、 15.23^° 、 16.44^° ， 19.37^° 、21.80^°，24.65^° 和 26.51^° ;在丙酮與乙腈中重結(jié)晶產(chǎn)物的XPRD圖譜與單晶結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模擬圖譜特征衍射峰位置保持一致，結(jié)晶產(chǎn)物晶型均與單晶結(jié)構(gòu)一致，并沒有產(chǎn)生新晶型。

圖4通過修正附著能模型計算的磷酸奧司他韋晶習(xí)以及實際重結(jié)晶產(chǎn)物的掃描電子顯微鏡圖像

圖5磷酸奧司他韋在不同溶液結(jié)晶產(chǎn)物的X射線粉末衍射圖譜

注：圖中單晶數(shù)據(jù)的X射線粉末衍射圖譜縱坐標(biāo)值除以5000，丙酮與乙腈的X射線粉末衍射圖譜縱坐標(biāo)值進行1g運算。

2.7 粉末性能分析

藥物晶體粉末的流動性研究是評價該藥物產(chǎn)品合格以及有效的重要指標(biāo)，對后續(xù)的工藝處理具有重要的意義。根據(jù)粉體和顆粒休止角測定技術(shù)規(guī)范[19]，在溫度為 25°C 和相對濕度約 45% 的環(huán)境條件下進行分析，粉體性能結(jié)果見表3。表3結(jié)果顯示：乙腈中晶體粉末的壓縮度較丙酮中粉末更小，表明在乙腈中晶體粉末的流動性比丙酮環(huán)境下晶體粉末好。進一步，觀察不同溶劑下產(chǎn)物的堆積圖片，在同一個底部直徑的情況下，乙腈的堆積較為平緩（見圖6（a）），其休止角為 32^° ，而丙酮的堆積相較而言更加高聳（見圖6（b）），其休止角為 41^° 。測試結(jié)果表明，藥物晶習(xí)對于其物理性質(zhì)具有明顯的作用，通過構(gòu)建計算模型預(yù)測藥物晶習(xí)可以對藥物的物理性質(zhì)進行初步判斷。

表3不同溶劑體系下制備的磷酸奧司他韋晶體的粉體性能

3結(jié)論

本文利用修正附著能模型探究磷酸奧司他韋的重要生長晶面以及分子間的相互作用力，計算了磷酸奧司他韋在丙酮和乙腈中的理論晶習(xí)，并且進行重結(jié)晶實驗驗證理論計算的準(zhǔn)確性以及探究結(jié)晶產(chǎn)物的性質(zhì)，主要結(jié)論如下：

a）在真空條件下磷酸奧司他韋晶習(xí)的優(yōu)勢晶面為（110）和（001），晶體形貌為矩形棱柱結(jié)構(gòu)，由 O^??H，H^??H，O^??O，O^???C 和C…H之間共同組成了磷酸奧司他韋分子間的相互作用類型；

b）不同溶劑會對磷酸奧司他韋的晶習(xí)產(chǎn)生影響，基于修正附著能計算出在丙酮和乙晴中的磷酸奧司他韋晶習(xí)均為矩形棱柱結(jié)構(gòu)，在丙酮中的晶習(xí)長徑比大于在乙腈中的長徑比。

c）在丙酮與乙腈中磷酸奧司他韋結(jié)晶的產(chǎn)物與模擬的晶習(xí)相吻合，結(jié)晶產(chǎn)物晶習(xí)規(guī)則，表面光滑，并且與原始晶型保持一致，沒有產(chǎn)生新的晶型。從乙腈中結(jié)晶的產(chǎn)物相較丙酮具有更小的長徑比與更好的流動性。

將修正附著能模型應(yīng)用于預(yù)測藥物晶習(xí)有助于了解藥物晶體生長的機制，從而通過調(diào)節(jié)結(jié)晶條件，來控制晶體的生長方向和速度，為調(diào)控藥物晶習(xí)提供了一定的理論支持。

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團隊介紹

張國慶學(xué)術(shù)團隊專注于小分子晶體工程學(xué)研究，主要研究方向包括儲能材料、化學(xué)藥物的新型分子結(jié)構(gòu)設(shè)計和結(jié)晶控制技術(shù)開發(fā)等。團隊包括教授2名，副教授3名，碩博研究生10余名。張國慶，中國晶體學(xué)會會員、浙江省X射線專業(yè)委員會副主任委員;2007年6月獲浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程博士學(xué)位，2012年10月—2013年12月期間完成香港大學(xué)土木工程系博士后研究，2016年6—9月任北卡萊羅納州立大學(xué)紡織學(xué)院訪問學(xué)者。團隊承擔(dān)國家自然科學(xué)基金3項、浙江省自然科學(xué)基金和重點研發(fā)計劃項目3項、企業(yè)合作項目10余項;發(fā)表SCI論文80余篇，獲授權(quán)發(fā)明專利8項。團隊近期在小分子相變材料領(lǐng)域取得了突破性進展，開發(fā)了多種新型高儲能材料，并成功應(yīng)用于儲能調(diào)溫紡織品，首次攻克了儲能調(diào)溫纖維熔體紡絲關(guān)鍵技術(shù)，研究水平處于國際前列。

（責(zé)任編輯：廖乾生）