表面誘導藥物多晶型成核的研究進展

林家偉，石鵬，龔俊波，吳送姑

（天津大學化工學院，化學工程聯合國家重點實驗室，天津300072）

引 言

多晶型是指同種分子由于組裝方式不同而形成的兩種或兩種以上的不同的結構，主要包括構型多晶型和構象多晶型[1?2]。在制藥領域，藥物的多晶型十分常見。 同一藥物活性組分（active pharmaceutical ingredient,API）不同的晶型往往會表現出不同的物理化學性質，如晶習、溶解度、溶出速率、熔點、顏色、硬度、密度等，這些性質又與后續的壓片性能、藥物的穩定性以及生物利用度具有很大的關系，所以制備和控制API 的晶型十分必要[3?7]。控制晶型的關鍵步驟是成核過程，晶核中分子的組裝方式決定了產品的晶型，所以成核過程的控制是關鍵。通過控制成核過程的條件，可使溶質分子以不同的方式進行組裝，從而得到不同的晶型。傳統晶型的調控方法主要是基于結晶條件的控制，包括溶劑、溫度、過飽和度、晶種[8]、添加劑[9?12]、pH[13?18]等。近些年來，隨著研究的進一步深入，涌現出許多新型的晶型調控策略，主要包括離子液體[19?22]、微通道技術[23?24]、表面誘導[25?26]以及激光誘導[27]等。表面誘導策略主要是指在異相成核過程中通過引入具有特殊物理或化學性質的異質表面，在不改變溶劑、溫度等條件下，利用異質表面與溶質分子的相互作用干擾分子組裝達到晶型調控的目的。晶體、無定形甚至流體與乳泡的界面都可以作為異質表面，而且異質表面的材料可以是有機材料也可以是無機材料[28]。近些年來，表面誘導成核法在藥物新晶型的發現以及對亞穩晶型的調控方面得到了廣泛地研究。本文介紹了異質表面影響多晶型成核的機理——化學作用和幾何作用，綜述了用于誘導藥物多晶型成核的四類異質表面——聚合物、自組裝單層膜（SAMs）、有機小分子晶體和凝膠，并總結了異質表面選擇與設計的常用策略，相關研究概況示意圖如圖1所示。

1 異質表面影響多晶型成核機理

1.1 化學作用

異質表面與溶質分子特定的化學作用對于成核以及晶型的選擇具有重要的作用。在無表面輔助誘導的溶液結晶過程中，只有溶質?溶質、溶劑?溶劑、溶質?溶劑之間的相互作用，異質表面的引入使得表面?溶質、表面?溶劑之間的相互作用力參與到成核的過程中。有利的異質表面基團與溶質分子相互作用可以局部增大溶質分子濃度促進溶質分子的有序排列，這種有利相互作用主要包括非特異性吸附、氫鍵、π?π 作用以及其他弱的分子間作用力。在非特異性吸附的情況下，表面通過降低成核所需的表面自由能來促進成核[26]。如果表面與溶質分子具有更強的相互作用，例如強氫鍵、π?π 作用，那么異質表面便更可能會干擾分子的組裝方式。表面誘導成核中表面化學作用的一個關鍵點是晶體的不同晶面暴露的官能團不同，從而與異質表面產生特定的分子間作用力，進而影響溶質分子組裝，導致晶型的選擇性成核[28]。此外，化學作用還會影響晶體?溶液、晶體?表面、溶液?表面之間界面能的平衡狀態，從而影響多晶型異相成核的結果[29]。

1.2 幾何作用

異質表面的幾何作用對多晶型的成核同樣具有選擇作用。對于晶體材料，幾何作用主要是指當晶體基底與API晶格參數類似或者當晶體的晶面夾角與成核前聚體相匹配時，成核晶體通過與模板晶體的覆蓋面進行外延生長，這種幾何作用稱之為外延作用[30?32]。對于非晶體表面，表面形貌對于晶型的誘導具有不可忽視的作用，例如非晶體表面納米孔隙的大小、形狀等都對溶質分子的組裝具有約束作用，從而對成核過程產生影響[33?35]。

圖1 表面誘導藥物多晶型成核的研究概況示意圖Fig.1 Schematic diagram of overview of surface?induced nucleation of drug for controlling polymorphism

1.2.1 外延作用 外延作用是一種二維形式的非均相成核，其基底是材質上不同或者晶體形態不同的材料，當基底與沉積層的晶體學取向發生匹配時，外延晶體表現出特定的取向。人們對外延的興趣主要集中在硅基板上沉積半導體的光電應用，或者利用固體/蒸氣過程以及均勻緩沖層來制造納米器件。對于有機晶體，利用外延作用控制晶型已有諸多的報道，外延作用可以理解為異質表面與溶質分子的晶體結構具有相似性，這種相似的結構可以有效降低成核能壘，有利于表面選擇該特定晶型的成核與生長。外延作用主要分為二維外延作用與臺階外延（ledge directed epitaxy, LDE）作用[30?31]。如圖2 所示，二維外延作用需要異質表面與其接觸的晶面能夠進行晶格匹配，由于晶格匹配作用，可使成核分子以特定的方式組裝并在異質表面成核[30]。利用晶體外延的幾何空間分析程序(GRACE)通過幾何晶格匹配計算可預測溶質晶體結構與模板之間的外延關系[32]。Ward 等[31]提出了LDE 的作用機制，當兩個緊密排列的表面之間的二面角對應于某個晶型晶體的一個內角時，該晶型可以選擇性成核。相對于二維外延作用，目前關于LDE 作用機制的文獻報道較少。

1.2.2 表面形貌 缺陷、位錯和不規則的結構可以作為異質成核位點，促進分子的有序排列,因此異質表面誘導成核的能力與它的形貌密切相關[26]。異質表面孔道的尺寸、形狀和粗糙度等對成核和晶型的選擇具有重要的影響，特別是表面孔道。關于表面孔道的影響，可以通過聚合物薄膜或者玻璃表面制備成不同大小、角度的孔道，通過“空間限制效應”研究對晶型的選擇性[36?39]。研究表明，當在納米孔徑內發生成核時，如果溶質臨界晶核大小與孔徑大小相對應，那么可通過“填孔”機制提高成核速率[40]；在尺寸接近臨界核的孔隙中，可以通過控制孔隙的大小來調控晶型，這主要是由于不同的晶型臨界成核尺寸不同，當孔隙的尺寸小于某一晶型的臨界成核尺寸時，該種晶型的成核會受到抑制[41]。此外，可以利用納米孔隙的限制使亞穩態晶體穩定存在，并阻止其向穩定晶型轉化[42]。孔隙的形狀對于成核與晶型的選擇也不可忽略，尤其是當孔隙的形狀與晶體晶面的內角相匹配時[43]。表面粗糙度顯著影響溶劑在表面的潤濕行為，影響溶質分子與表面的作用機會，從而影響異質表面對于晶型的調控[39]。

事實上，在很多情況下化學作用與幾何作用對表面誘導成核的影響是互補的，甚至表面化學占據更重要的作用。Trout 等[38]在以具有納米壓印的聚合物薄膜作為基底時發現聚合物薄膜與溶質分子的相互作用是誘導作用的前提，在此基礎上孔道的結構會進一步促進成核。Ward 等[32]研究了幾種有機晶體在晶體表面上成核過程中的化學作用和外延作用，研究表明與外延作用相比，化學作用具有明顯的優勢。總地來說，晶體在異質表面上的成核和生長仍然是一個復雜的課題，在許多情況下，化學和幾何相互作用的微妙平衡決定了結晶的結果。

2 異質表面的種類

圖2 二維外延（a）與LDE成核（b）示意圖[28]Fig.2 Schematic diagram of two?dimensional epitaxial nucleation(a)and LDE nucleation(b)[28]

異質表面是指在溶質分子成核過程中引入的具有特殊物理化學性質的且不溶于所處溶劑體系下的表面基底，由于異質表面特殊的物理化學性質，可干擾溶質的分子組裝，從而有效降低成核誘導期并對多晶型進行調控。近年來，基于化學作用、幾何作用，表面誘導作用在藥物新晶型的發現以及對亞穩晶型的調控方面得到廣泛關注。常用的異質表面主要包括聚合物、自組裝單層膜、有機小分子晶體以及凝膠等。因其易于對表面的化學結構進行改性，以及新方法實現了對其表面幾何結構的可控性調整，聚合物成為了研究者們應用最廣泛的一類材料。自組裝單層膜在利用化學作用調控晶型方面具有顯著的優勢，其表面可賦予致密且豐富的官能團，并且制備方法較為簡單。與聚合物和自組裝單層膜相比，小分子晶體結構的長程有序性以及結構的簡單性使之成為利用外延作用調控成核的優先選擇。凝膠相結晶作為一種新興的方法在異相成核方面展現了巨大的潛力，其幾何結構的可微調性以及豐富的化學結構為溶質分子提供了一個特殊的受限環境，使之成為可媲美聚合物的一種新的異質表面。此外文獻[43]也報道了利用硅酸鹽等無機材料作為表面成核基底，但其對晶型的誘導作用并不明顯。

2.1 聚合物

聚合物是表面誘導成核的最常見的一種異質表面[44]，近些年來基于高通量的篩選方法，利用聚合物誘導成核發現了大量的藥物新晶型。Roy 等[45]采用熔融結晶的方式，以4?(芐氧基)苯腈改性的聚苯乙烯作為異質表面，成功發現了苯巴比妥的一種新晶型X；López?Mejías 等[46]使用非極性芳香類聚合物成功篩選出托滅酸3 種新的亞穩晶型，隨后又利用不同的聚合物薄膜作為異質表面，分離得到氟滅酸6 種新的晶型，從而使之具有8 種晶型，創造了當時具有已知晶體結構晶型數目最多的藥物活性分子的新紀錄。

利用聚合物作為異質表面必須保證在所處溶劑體系中不溶，將丙烯酸酯等紫外光敏單體交聯合成高分子膜是研究者們常用的一種方法。此外還有基于對聚合物溶液處理的方法，包括溶劑蒸發、旋涂法、蒸汽誘導相分離等都可用于制備相應的聚合物薄膜[26]。一旦聚合物薄膜在促進成核的有效性得到證實，其更復雜的表面形貌將被進一步探索，研究者們利用各種技術在聚合物薄膜表面賦予其納米尺度的圖案，利用圖案的幾何效應對溶質分子的成核進行調控。事實上，無論是光滑的聚合物薄膜還是具有特殊納米形貌的聚合物表面，其選擇合成的單體大多具有特殊的官能團，使之合成的聚合物側鏈官能團易與溶質分子相互作用。這主要是由于所使用的聚合物多為無定形，沒有明顯規律的分子堆積方式，外延生長并不能作為聚合物誘導成核的一種方式，其作用機制更多的是基于界面的化學作用，在此基礎上，表面形貌的作用會進一步促進溶質分子的組裝。

López?Mejías 等[47]在聚合物誘導藥物成核多晶型方面展開了大量前瞻性的研究，他們認為聚合物誘導多晶型成核的主要作用機制是溶質分子通過界面的相互作用在聚合物表面定向排列，這種不同的界面作用主要源于不同的聚合物暴露不同的側鏈官能團，從而導致晶面沿擇優取向面成核。Song等[48]最近的研究發現溶質分子與聚合物表面的界面作用還受溶劑效應的影響，這主要是由于不同的溶劑對于聚合物薄膜的潤濕行為不同。他們發現以glass（玻璃）、PTFE（聚四氟乙烯）、PET（聚對苯二甲酸二醇酯）、POM（聚甲醛）作為異質表面在丙酮、1,4二氧六環、乙腈溶液中獲得的是吡嗪酰胺的δ 晶型或者α 與δ 晶型的混合物，但以PA66（尼龍?66）作為表面在丙酮和乙腈溶液中獲得了純的α晶型。他們測量了溶劑與聚合物表面之間的接觸角并模擬了在不同溶液中PA66表面與溶質分子的相互作用,發現在乙腈與丙酮溶液中PA66 表面容易被潤濕，且在這兩種溶液中吡嗪酰胺可與PA66 形成較強的氫鍵，這有效促進了α晶型的出現。

事實上聚合物表面和溶質介質在晶型選擇上是可以相互獨立作用的，因為在沒有溶劑的情況下以及在不同溶劑的存在下，都可以根據它們提供氫鍵的能力改變晶型。McKellar 等[49]使用無溶劑熔融冷卻結晶的方法，使用一系列聚合物對吲哚美辛的晶型調控進行了研究，實驗結果表明具有不同官能團的聚合物誘導效應不同，具有苯基和四氫呋喃側鏈的聚合物表面更容易誘導產生α晶型。

目前，聚合物誘導成核多是基于界面的化學作用，聚合物的選擇需要進行大量的試錯。未來通過闡明在不同的結晶條件下每個優先成核面發生的不同的分子間相互作用，將實驗與計算模擬相結合，可提高聚合物篩選的效率；并且可以進一步促進對聚合物誘導多晶型成核的認識。另外通過對結晶過程中多晶型選擇性成核的分子間相互作用的進一步明確，將有助于進一步發展利用聚合物異質表面控制和選擇藥物晶型的更好方法。

2.2 自組裝單層膜

自 組 裝 單 層 膜（self?assembled monolayers,SAMs）是指有機功能化的分子通過強鍵作用力（如靜電作用力、共價鍵、配位鍵等）自發地吸附在固/液或氣/固界面，與界面形成的高度有序的、低缺陷的單分子層[50]。如圖3 所示，自組裝膜主要由極性頭基、碳鏈骨架、末端基團三個部分組成，極性頭基通過強鍵作用力吸附在基底表面（主要包括過渡金屬、金屬氧化物、玻璃、云母等），末端基團通常是特殊設計的官能團分子以便與溶質分子相互作用。根據極性頭基與基底表面材料的不同，自組裝單層膜主要分為脂肪酸自組裝、有機硫自組裝、有機硅烷自組裝。目前關于自組裝膜的研究與應用70%以上集中在有機硫，特別是Au/硫醇自組裝，這主要是由于金的表面具有較好的穩定性，Au?S具有較高的連接強度，并且其制備過程易于控制。

圖3 自組裝單層膜結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of SAMs structure

由于SAMs 具有的高度有序的分子組裝表面，被廣泛用于調控晶體的成核與生長過程，包括晶核密度、晶體大小、晶面取向、形態、晶型、穩定性等[51]。自組裝膜調控多晶型主要是通過其表面基團與晶體分子之間產生的界面的化學相互作用，包括氫鍵作用力、π?π 作用、空間幾何作用以及其他的弱相互作用。

氫鍵是SAMs 調控藥物多晶型的一種重要的化學作用力，是形成藥物穩定結構以及晶型調控的一種重要手段。Cox 等[52]研究了含有不同表面官能團的SAMs 對于茶堿的影響。實驗發現，在含有羥基或者羧基官能團的SAMs 表面，茶堿以無水晶型存在，這主要是由于羥基或者羧基能夠提供氫鍵供體，可與其（200）晶面暴露的羰基作用，從而降低成核能壘。

π?π作用是指具有π電子體系的芳環之間產生的由非共價鍵連接的一種分子間作用力，在SAMs調控藥物多晶型方面得到廣泛的應用。Quist 等[53]利用末端基團為聯苯的SAMs 對抗驚厥藥物卡馬西平晶型的選擇作用進行了研究。他們認為卡馬西平分子二聚體與SAMs 末端的聯苯形成π?π 作用，這種π?π 作用有利于卡馬西平分子以特定形式進行分子組裝，從而有利于產生亞穩的晶型Ⅱ。Yang等[54]研究了不同表面功能化的SAMs 對甲滅酸多晶型的影響。亞穩晶型Ⅱ易于在吡啶或羧基表面功能化的SAMs 表面結晶，這主要是由于具有吡啶或羧基的SAMs 可與甲滅酸形成π?π、C—H…π 作用，減小了甲滅酸的極性，降低了成核能壘，從而促進了亞穩晶型Ⅱ的成核。

SAMs 界面與溶質分子的其他弱相互作用，也被報道用于對晶型的調控。Hiremath 等[55]利用SAMs 界面與2?碘?4?硝基苯胺之間所形成的I…NO2作用，成功制備出2?碘?4?硝基苯胺的亞穩晶型。Cox 等[56]利用全氟羥基為末端基團的SAMs 的“不沾性”阻礙了吲哚美辛亞穩晶型的非均相成核，利用“Ostwald 熟化”以亞穩態α 晶型的消耗為代價促進穩定晶型的生長，從而得到了穩定的γ 晶型。Bolla等[57]利用SAMs與有機金屬框架（MOFs）制備了一種新的表面金屬有機框架基底（SURMOF）,由于弱的超分子作用力，撲熱息痛被吸附在MOF 孔道里，誘導了撲熱息痛晶型Ⅱ的成核與生長。

2.3 有機小分子晶體

有機小分子晶體作為異相成核的模板表面對藥物分子多晶型進行調控的主要作用機制是基于溶質分子在有機小分子特定晶面的外延匹配作用以及官能團的相互作用。實際上，目前利用有機小分子晶體作為異質表面的報道相對較少，主要是由于溶劑體系與小分子晶體的選擇難以平衡，既要篩選到合適結構的小分子晶體，同時還須確保其在選擇的溶劑體系下保持不溶，這就限制了有機小分子晶體的可選性。此外，結晶得到的晶體與有機小分子晶體的分離也是潛在的問題，目前所采取的策略是在添加量少的基礎上不對兩者的混合物進行分離。所以相比于聚合物與SAMs，有機小分子晶體的篩選具有一定的難度。相關文獻報道[30,58]，通過培養形狀、大小較好的單晶以其作為模板表面，采用升華結晶的方式可以有效規避上述存在的問題，同時可探究外延作用對于多晶型選擇的影響。

盡管如此，有機小分子晶體也有其特殊的優勢，晶體長程有序的結構是聚合物與SAMs 所不具備的，這更有利于晶型的誘導作用。Zhang等[59]研究了晶體結構對于多晶型成核的影響，分別以呈晶態和無定形態的氫氯噻嗪為模板表面探究了對吡嗪酰胺(PZA)晶型的調控作用。實驗發現呈現晶態的氫氯噻嗪能夠誘導產生γ 晶型的PZA,而以無定形狀態的氫氯噻嗪作為模板表面產生的是α 晶型的PZA。他們認為，晶體模板表面的官能團較為有序，具有一定的取向效應，這種取向效應可以有規律地與溶質分子相互作用，從而誘導產生γ 晶型。無定形分子表面官能團的無序排列，雖然可以吸引溶質分子聚集在表面周圍，但與溶質分子相互作用的官能團并不是長程有序的，所以并不能干擾PZA 的分子組裝方式，如圖4所示。

圖4 晶體和非晶態模板的溶質分子排列示意圖[59]Fig.4 Diagram of solute molecule arrangements with crystal and amorphous templates[59]

此外，有機小分子晶體異質表面并不局限于與API分子不同的物質。晶種法作為一種常規的晶體制備策略，已經被廣泛應用到實驗和生產當中。當使用穩定晶型的晶體作為晶種時，一般認為結晶過程最終產生的晶型與晶種相同，而有研究發現當以穩定晶型的晶體作為晶種時也會得到亞穩晶型的晶體。Park 等[60]以晶種法大量制備多奈哌齊晶型F時，意外發現了一種新的亞穩晶型K。在不添加晶種時，過飽和度S>12 時，晶型K 可以通過均相成核形成；然而當以晶型F作為晶種時，在較低過飽和度(S=2～3)時，便可產生亞穩晶型K。對兩種晶型的結構進行研究可以發現，這兩種晶型存在一個緊密相關的晶面，對應于晶型F 的（010）面。當以晶型F 的單晶作為模板表面時，通常可以觀察到K 型外延晶體生長在（010）面。這種誘導效應可理解為由于二維的晶格匹配作用，導致了較低的界面能，從而降低了成核能壘。

應當注意的是，不同于聚合物與自組裝單層膜，有機小分子晶體各個晶面暴露的官能團不同，并且溶質分子在各個晶面外延生長的能力不同，所以小分子晶體的晶習調控就顯得尤為重要，使用暴露有優先作用晶面的晶體，將有助于發揮小分子晶體的誘導作用。

2.4 凝膠

凝膠相結晶是異相成核的一種方法，它提供了一種既能控制表面幾何結構又能控制表面化學結構的體系。凝膠中的小網格尺寸將吸附的溶液分割開來，限制被吸附的溶質分子的流動性，從而為結晶過程提供一個“受限環境”，凝膠劑?API 的化學作用則提供了空間約束下溶質分子組裝方式的進一步調整[61?63]。雖然，部分凝膠屬于聚合物的范疇，但由于其作用機制與聚合物表面并不同，聚合物表面大多是以薄膜或是粉末顆粒的方式引入溶液體系中，而凝膠則是通過非共價相互作用或者化學鍵自組裝為一維纖維狀長鏈，再由這些纖維狀長鏈糾纏在一起，最終形成凝膠的骨架。通過表面張力將溶劑分子吸附在凝膠骨架中，就形成了凝膠[64]。

Diao等[61]使用微凝膠研究了對卡馬西平和ROY成核多晶型的影響（圖5）。通過調控交聯聚乙二醇二丙烯酸酯微凝膠的尺寸，可選擇性誘導晶型Ⅱ的卡馬西平成核。此外，微凝膠使得對于ROY 的R 晶型選擇性提高了20 倍。他們認為由微凝膠網絡所施加的成核模板效應和空間約束可能是實現多晶型選擇性的關鍵。由于交聯的聚合物是無序的，二維表面外延的作用機制被排除，界面處的相互作用被認為是誘導成核的重要因素。

Foster 等[65]模仿ROY 的官能團設計合成了雙尿素凝膠，在這種甲苯溶液的凝膠中，得到ROY 亞穩晶型R，而在其他形式的凝膠中ROY呈穩定晶型Y。構象與晶體結構預測的方法揭示了表面凝膠與ROY 的構象匹配可能是誘導產生亞穩晶型R 的原因。

Araya?Sibaja 等[66]利用金屬配位的單寧酸超分子凝膠對咖啡因、卡馬西平和吡羅昔康結晶過程的影響進行了研究。結果表明，凝膠相的引入對卡馬西平與吡羅昔康晶型的成核有選擇性。在凝膠相中，卡馬西平二水合物的晶型占據主導地位，而對照組中主要以晶型Ⅲ的形式存在。對于吡羅昔康，晶型Ⅰ、晶型Ⅱ的混晶存在于凝膠相中，而在空白對照組中，吡羅昔康呈現純的晶型Ⅰ。

Banerjee等[67]在二甲基亞砜溶液中，將氧化的纖維素納米晶體與十八烷基胺混合制備凝膠，磺胺甲唑、磺胺吡啶和磺胺甲嘧啶在凝膠化步驟之前被添加到混合物中，使其在疏水區域中結晶（圖6）。結果發現，得到的磺胺甲唑呈無定形，而磺胺吡啶以晶型Ⅰ、晶型Ⅲ以及晶型Ⅳ的混晶形式結晶，磺胺甲嘧啶以晶型Ⅰ和晶型Ⅱ的混晶形式結晶。

圖5 凝膠網格尺寸對晶體成核的影響示意圖[61]Fig.5 Schematic illustration of the effect of gel mesh size on crystal nucleation[61]

圖6 用于藥物結晶的表面改性納米纖維素有機凝膠的示意圖[67]Fig.6 Schematic representation of surface modified nanocellulose organogels used for pharmaceutical crystallization[67]

凝膠相結晶作為一種新興的結晶方法，目前的研究方向主要集中在凝膠劑的設計為結晶提供特定的結晶環境與成核位點，但由于機理的不明確，目前對于晶型的調控還具有一定的盲區，因此相關報道較少。

3 表面選擇與設計方法

目前由于表面誘導作用的機理并不明確，異質表面的設計和選擇還處于盲篩的水平，需要經過大量的試錯，如何更為高效地設計與選擇合適的異質表面一直成為困擾研究者的難題。目前對于異質表面的選取更多是基于官能團的相互作用，但這種選擇策略較為寬泛，對于異質表面的選擇與設計并沒有太強的針對性。近年來隨著對異質表面誘導成核機理的進一步認識，一種基于化學作用的“共晶設計”的策略得到開發，此外利用幾何作用“外延生長”、“角向誘導”的設計策略展現出了巨大的潛力。

3.1 基于官能團相互作用的表面設計

圖7 吲哚美辛的分子結構（a），γ晶型的分子間作用與構象（b），α晶型的分子間作用與構象（c）[68]Fig.7 Chemical structure of indomethacin(a)and the intermolecular interactions and molecular conformations in the γ?form(b)and α?form(c)of indomethacin[68]

圖8 6種功能化的晶體基底[68]Fig.8 Six kinds of functional crystalline substrates[68]

異質表面官能團可與溶質分子產生特定的相互作用，通過選用含有與溶質分子官能團類似或者易于發生分子間相互作用的官能團的異質表面，可達到干擾溶質分子組裝的目的。盡管這種表面設計策略并不高效，但無論是選用聚合物、SAMs 還是小分子晶體作為異質表面，基于官能團相互作用的選取原則，一直是研究者們競相選擇的一種方式，同時也是其他設計方式的基礎。

Wijethunga 等[68]基于官能團相互作用的原則，研究了一系列具有生物相容性的小分子晶體對吲哚美辛成核與多晶型選擇的影響。如圖7 和圖8 所示，基于吲哚美辛含有的羧酸基團，他們選擇了一系列具有—COOH、—NH2、—NH 等易于與之形成氫鍵官能團的小分子晶體作為模板表面，采用高通量的方法測量了不同表面對于吲哚美辛的成核誘導期。實驗發現所有的模板表面均能有效縮短吲哚美辛的成核誘導期，且同一表面對不同晶型的誘導作用不同。基于拉曼光譜的晶面索引技術，識別了吲哚美辛與L?谷氨酸(L?glutamic acid)與L?組氨酸(L?histidine)的相互作用面，這些作用面暴露了較高密度的—COOH，揭示了溶質與表面官能團的相互匹配對于促進成核速率與外延生長的重要作用。

Bora 等[69]利用不同表面功能化的SAMs 對磺胺噻唑的晶型進行了調控，如圖9 所示。磺胺噻唑是一種柔性藥物，在結晶時會發生伴隨多晶型的現象，在異丙醇溶液中以晶型Ⅱ、晶型Ⅲ、晶型Ⅳ的混晶形式出現。他們利用羧基、羥基、吡啶、苯并噻唑等六種功能化的SAMs 界面與其形成的包括氫鍵、C—H…π 以及π…π 的分子間作用力實現了對于磺胺噻唑伴隨結晶的定向控制，其中在MSA(mercaptosuccinic acid)SAMs 表面形成了純的晶型Ⅱ，而MAA(mercaptoacetic acid)SAMs表面生成了純的晶型Ⅲ。 值得一提的是，在2MBT(2?mercaptobenzothiazole)表面由于C—H…π以及π…π的作用，發現了磺胺噻唑的一種新晶型。

3.2 基于共晶設計的表面

圖9 用于制備SAMs的硫醇[69]Fig.9 Thiols used to prepare SAMs [69]

共晶設計的表面選擇方式是在官能團相互作用的基礎上進一步的延伸，實際上是基于“合成子”的設計理念。異質表面通常是可以與目標物質形成共晶的同類或者具有相同官能團的小分子晶體，這類異質表面的引入可以占據溶質分子堆積的特定位點，從而干擾分子的組裝方式，進而達到對晶型進行調控的目的。共晶設計的表面設計理念來源于在共晶制備過程中偶然發現新晶型的現象，例如以煙酰胺和異煙酰胺作為戊氧苯硫脲配體的藥藥共晶制備過程中，同時發現了煙酰胺與異煙酰胺的新晶型，與穩定晶型相比，在堆積方式上都具有明顯的區別[70]。

Zhang 等[71]基于共晶設計的表面篩選原則研究了磺胺類藥物對吡嗪酰胺(PZA)的晶型調控作用。如圖10 所示，PZA 在溶液中常常表現出二聚體（α、β、δ 晶型）的形式，鏈狀的γ 晶型很難在溶液中得到。他們利用劍橋數據庫（CSD）檢索了可以與之形成共晶的配體，如圖11 所示，在氫氯噻嗪與PZA 形成的共晶中，由于羰基與磺酰胺基團之間形成氫鍵從而使PZA 以鏈狀的形式組裝。基于此，選用了氫氯噻嗪、磺胺嘧啶等7 種磺胺類藥物作為模板表面對PZA 的多晶型進行調控。實驗結果與預期相符，吡嗪酰胺分子的羰基和磺胺模板分子的磺胺基之間形成氫鍵，這些優先的分子間相互作用保護了PZA的羰基，促進PZA分子通過N—H…N'在鏈中的組裝，成功促使了PZA的γ晶型的成核。

雖然基于共晶設計的表面選擇策略能夠有效地對目標晶型進行調控，但是其表面的設計是建立在共晶數據的基礎上，且形成的共晶須能夠改變目標晶體的構型或者構象，這就限制了其在表面誘導成核多晶型中的應用。

圖10 吡嗪酰胺多晶型：4種堆積多晶型[71]Fig.10 Pyrazinamide polymorphic forms:four packing polymorphisms[71]

圖11 酰胺基團的羰基與磺胺基團形成異相合成子[71]Fig.11 Heterosynthon diagram of the carbonyl moiety of the amide group and the sulfonamide moiety[71]

3.3 基于外延作用的表面設計

溶質分子在特定晶面的外延生長是有機小分子晶體調控晶型的重要作用機制，該策略的方法是使用生長較好的小分子晶體作為基底，晶體基底暴露的不同晶面可作為API 成核的位點，其在特定晶面的成核與生長可能是晶型調控的原因。由于溶劑體系不易選擇，升華結晶往往是利用外延生長策略常采用的結晶方式，但適合升華結晶的研究體系相對匱乏，所以限制了此類研究的開展。

由于外延匹配強調晶體與基底的晶格匹配作用，采用結構相似的物質作為基底更容易發生外延作用。Srirambhatla 等[72]提出了一種基于同晶型模板基底誘導亞穩態晶型的方法，利用DHC?Ⅱ(雙氫卡馬西平晶型Ⅱ)薄膜多晶層作為模板表面，成功誘導產生CBZ?V(卡馬西平晶型Ⅴ)，而在非模板表面產生了CBZ?Ⅰ(卡馬西平晶型Ⅰ)。隨后他們將多晶DHC?Ⅱ模板誘導法應用于環庚米特(CYH)，成功獲得了一種新的晶型——CYH?Ⅲ（環庚米特晶型Ⅲ）。對三種物質的單晶結構進行解析發現，它們的單晶結構高度相似，這為利用外延作用調控亞穩晶型提供一種可行的辦法。此外同一種模板晶體的不同晶型，對于結晶過程同樣會具有不同的影響。Lee等[73]報道了結構相關的化合物甲滅酸(MFA)在氟滅酸(FFA)兩種不同晶型(FFA?Ⅰ, FFA?Ⅲ) 單晶(100)面的外延生長行為，雖然外延晶體MFA 都表現出最穩定的晶型，但是在兩種不同晶型的FFA 表面卻表現出不同的結晶行為。在FFA?Ⅲ表面，MFA 的生長方向與表面彼此平行，而在FFA?Ⅰ表面，MFA 表現出兩種不同的生長方向；MFA 晶體在FFA?Ⅰ表面表現出更快成核速度。晶格與構象匹配是MFA 在FFA 特定晶面成核以及成核速率不同的原因，這為通過外延作用調控晶型提供了一種新的思路。

基于結構相似性可以有效選擇表面基底，但是外延作用由于存在不可預見性，導致有效的表面基底結構較少。Ward 等[32]開發了一種用于外延幾何建模的軟件——GRACE(晶體外延的幾何實空間分析),通過比較基底的二維晶格參數和生長核的覆蓋層的晶格參數，可以表征外延。這樣的比較完全依賴于幾何原理，提供了一種事先預測外延作用的可能性，并可對已發生的外延作用進行“外延評分”。這種探測外延關系的幾何技術已經證明可以與勢能計算所得到的結果相媲美，并提供了一種簡便的途徑來執行更多的計算，以獲得等效的計算投資。利用GRACE 軟件輔助計算，無論是以無機晶體還是有機小分子晶體作為基底方面，都得到了應用的范例[31?32,73]。

3.4 基于角向誘導的表面設計

多年以來，研究者們一直在探索通過控制異質表面的形貌來調控晶型，表面的劃痕、溝槽、楔形能夠顯著提高成核速率，異質表面的孔道也被報道用于對晶型的調控，尤其是孔徑小于100 nm 時，然而孔道形狀的作用一直被忽視。對于孔道形狀的影響缺乏系統的研究，很大程度上是因為制作具有可調幾何形狀的納米孔的宏觀材料面臨挑戰，尤其是孔徑小于100 nm 的納米孔。這主要是由于對于小分子晶體而言，分子聚集與定向排列往往是發生在幾個納米的尺寸上。為此，需要一種先進的制造技術來控制表面孔的幾何形狀和孔的大小，直至與成核相關的長度尺度，特別是使表面孔的尺寸從幾納米到數百納米。納米孔的密度需足夠高，孔道數量充足，保證觀察到的對成核的影響具有統計學意義[74]。為了滿足這些要求，Trout 課題組[38，75]發明了一種“ 納米壓印光刻”(nanoparticle imprint lithography, NpIL) 技術，該技術利用納米粒子作為模板用于制造具有各種形狀的納米孔陣列的聚合物表面，納米孔大小從10納米到數百納米不等。

“角向誘導”的核心設計理念是計算API分子主要晶面之間的角度，并以此作為孔道形狀的設計依據，利用NpIL技術在聚合物表面制備相應形狀的孔道（圖12），通過孔道的“約束效應”對API 的成核進行調控，10 nm 以下的孔隙往往不被考慮，主要是因為體積限制對成核的影響可能會掩蓋孔隙形狀的影響。Trout 課題組[38]將這種設計思路用于對甲滅酸的成核過程的研究，實驗發現，在以羥甲基纖維素作為聚合物表面的情況下，甲滅酸的亞穩晶型Ⅱ僅出現在具有方形納米孔的表面上，且這種表面促進成核的效果最強。

Trout 課題組[75]隨后在對阿司匹林與吲哚美辛的研究中發現，在固定過飽和度下，聚乙烯醇薄膜由于具有良好的化學相互作用，顯著縮短了成核誘導時間，當表面納米壓印的角度與不同晶面之間的角度匹配時，可進一步縮短成核誘導時間。同時γ晶型的吲哚美辛優先在65°與80°孔道的表面形成，且成核誘導期得到最大的縮短。

圖12 聚合物表面的AFM圖像[75]Fig.12 AFM images of polymer surface[75]

Diao 等[74]在對“角向成核”的研究中發現，聚合物薄膜表面與溶質分子的化學作用是誘導成核的先決條件，基于此，孔隙的幾何約束作用會促進溶質分子的有序排列。他們以丙烯酸與二乙烯基苯交聯的可與阿司匹林形成氫鍵的聚合物薄膜作為表面，發現圓形孔道阻礙了阿司匹林的成核，而六邊形與方形的孔道卻能有效降低阿司匹林的成核誘導期。他們認為有利的表面?溶質相互作用提高了表面附近的溶質濃度，表面和溶質之間的分子識別使得富集的溶質分子定向順序，這兩種作用都能促進阿司匹林的成核；其次孔隙的幾何約束進一步增強了溶質分子在表面的取向順序，有利于溶質分子在成核過程重新排列。當幾何角度作用下的分子取向與晶體相似時，成核速率得到提高。根據他們的假設，有利的表面?溶質的相互作用是促進成核的先決條件。隨后他們選擇了對于阿司匹林成核無影響的聚合物薄膜作為異質表面，發現在其表面上制備的六方形與方形的孔道并不能促進阿司匹林的成核，驗證了表面?溶質的相互作用對于成核的重要作用。

4 結論與展望

利用表面誘導成核的方法成功發現了許多藥物的新晶型，同時在亞穩晶型的調控方面也卓有成效，豐富了晶型的調控方法。異質表面通過化學作用與幾何作用來調控多晶型的成核，相比于幾何作用，化學作用具有明顯的優勢。現階段異質表面的選擇主要聚焦在聚合物、自組裝單層膜、有機小分子晶體、凝膠上。在聚合物方面，因其可通過選擇不同的單體合成具有不同側鏈官能團的功能化表面或是借助于納米壓印光刻等先進技術賦予其不同的表面形貌而得到廣泛研究；SAMs 由于其具有高度有序致密的功能化單分子層，基于各種分子間作用力的化學作用也得到一定研究；而在有機小分子晶體方面，外延生長的研究多是集中在這類異質表面上，但溶劑體系的制約限制了它在誘導藥物多晶型的應用；凝膠相結晶作為一種新興的結晶方法目前還存在一定的盲區，但是隨著研究的深入，將會在藥物多晶型成核方面得到更多的應用。雖然利用表面誘導藥物多晶型成核已經走過二十多年的歷史，目前還存在諸多的問題，如：

（1）表面誘導多晶型成核的機理還不明確，分子模擬可為機理的明確提供新的見解，但模擬大多忽視了溶劑對于表面誘導成核的影響；

（2）異質表面的選擇策略還不明確，表面的選擇更多是一個“試錯”的過程，需要耗費大量的人力、物力，如何高效設計與選擇合適的異質表面成為亟待解決的問題；

（3）目前利用表面誘導策略調控藥物多晶型成核還停留在實驗室階段，未有工業化應用的實例，這主要是由于表面誘導多晶型成核的機理還不明確以及大尺度下流體力學的改變會對成核造成很大的影響。

隨著檢測與分析技術的進步，表面誘導成核的機理會逐漸完善；計算機技術的發展將有助于利用分子模擬確定溶質分子與異質表面之間的相互作用關系，用于指導表面的設計，使表面的設計與選擇更加高效。未來，通過表面誘導成核將實現藥物新晶型的篩選、多晶型的精準調控和制備。