基于質(zhì)量源于設(shè)計(jì)（QbD）理念的祛寒逐風(fēng)顆粒制備工藝及其物理指紋圖譜研究

畢映燕，李俊江，李季文，閆志攀，張志瑞，李喜香

甘肅省中醫(yī)院，甘肅 蘭州 730000

祛寒逐風(fēng)方由我院張延昌主任醫(yī)師在武威漢代醫(yī)簡中“傷寒逐風(fēng)方”的基礎(chǔ)上加減化裁而來，主要由威靈仙、黑附片、制川烏、花椒等藥物組成。具有溫經(jīng)活絡(luò)、除濕消腫、活血止痛、益腎強(qiáng)筋的功效，臨床上主要用于治療頸椎病等風(fēng)寒濕痹之證[1-3]。祛寒逐風(fēng)方以合劑應(yīng)用于臨床，但其存儲(chǔ)、攜帶不便、口味不佳、患者順應(yīng)性差[2]。顆粒劑服用攜帶方便、溶化性好易于吸收，生物利用度高，載藥量大，可保持合劑原有的療效，保證其物質(zhì)基礎(chǔ)一致，滿足臨床需要，將其劑型改進(jìn)為顆粒劑[4]。

質(zhì)量源于設(shè)計(jì)（quality by design，QbD）重在強(qiáng)調(diào)原料、工藝、成品質(zhì)量之間的關(guān)系[5-7]，注重于對源頭、過程的控制，將藥品質(zhì)量控制從成品檢驗(yàn)移至前期工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程當(dāng)中，從設(shè)計(jì)層次保證藥品質(zhì)量[8]。本實(shí)驗(yàn)通過Box-Behnken 響應(yīng)面法、D-最優(yōu)混料設(shè)計(jì)優(yōu)選祛寒逐風(fēng)顆粒（Quhan Zhufeng Granules，QZG）的最佳成型工藝，并采用物理指紋圖譜對QZG 的物理特性進(jìn)行評價(jià)，為中藥顆粒劑的工藝研究及質(zhì)量一致性評價(jià)提供參考。

1 儀器與材料

1.1 儀器

125SΜ 型電子天平，德國Satorius 公司；藥典篩，1～9 號，浙江上虞華豐五金儀器有限公司；DHG-9620A 電熱干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；YK-160 旋轉(zhuǎn)式制粒機(jī)，天水華園制藥設(shè)備有效公司；RHP-500 多功能粉碎機(jī)，艾克斯機(jī)械設(shè)備有限公司；DZF-300 真空干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司。

1.2 材料

QZG 干浸膏粉，甘肅省中醫(yī)院科研制劑中心自制；可溶性淀粉（批號20170520）、糊精（批號006001）、乳糖（批號20160302）、蔗糖（批號20190905）均購于蘭州普生藥品有限責(zé)任公司，符合藥用輔料標(biāo)準(zhǔn)。乙醇，批號20170113，購于蘭州凱飛消毒科技有限公司。

2 方法與結(jié)果

2.1 顆粒制備

將干浸膏粉過80 目篩，取適量與輔料混勻，加潤濕劑潤濕，制軟材，制粒，50 ℃以下干燥1 h，整粒，包裝，即得。

2.2 指標(biāo)測定方法

2.2.1 成型率測定 取整粒后顆粒稱定質(zhì)量，為顆粒總質(zhì)量；收集通過一號篩和不能過五號篩的顆粒稱定質(zhì)量，為合格顆粒，計(jì)算成型率。

顆粒成型率＝合格顆粒質(zhì)量/顆粒總質(zhì)量

2.2.2 休止角（α）測定 休止角大小與顆粒流動(dòng)性的大小有關(guān)，其測定方式采用固定漏斗法，將3 只漏斗串聯(lián)，固定于水平放置的坐標(biāo)紙上方2 cm 處，將合格顆粒自漏斗上端緩緩加入，直到顆粒流下所形成的圓錐尖端接觸到漏斗口為止，測量圓錐體底部半徑（r）及高度（h），tanα＝h/r，計(jì)算α值。

2.2.3 溶化率測定 取合格顆粒10 g，加熱水200 mL，攪拌5 min，離心5 min，取20 mL 上清液，置恒定質(zhì)量蒸發(fā)皿中，水浴蒸干，60 ℃真空干燥至恒定質(zhì)量，稱定質(zhì)量，計(jì)算溶化率。

溶化率＝溶化顆粒質(zhì)量/顆粒質(zhì)量

2.2.4 吸濕率測定 取干燥置恒定質(zhì)量的稱量瓶，置NaCl 過飽和溶液的干燥器中，飽和24 h。取合格顆粒2 g，平鋪于飽和稱量瓶中，恒溫恒濕（25 ℃，相對濕度75%）條件下，吸濕至質(zhì)量不變時(shí)，稱定質(zhì)量，計(jì)算吸濕率。

吸濕率＝(顆粒吸濕后質(zhì)量－顆粒吸濕前質(zhì)量)/顆粒吸濕前質(zhì)量

2.2.5 水分測定 采用快速水分測定法。選取合格的顆粒5 g，置水分快速測定儀中，105 ℃下加熱30 min。

2.2.6 松密度 取合格顆粒10 g，置50 mL 量筒中，輕搖至表面平整，記錄體積，計(jì)算松密度。

松密度＝顆粒質(zhì)量/體積

2.2.7 振實(shí)密度 取合格顆粒10 g，置50 mL 量筒中，上下震蕩至體積不再減少，記錄體積，計(jì)算振實(shí)密度。

振實(shí)密度＝顆粒質(zhì)量/體積

2.2.8 豪斯納比 振實(shí)密度與松密度之比。

2.2.9 相對均齊度指數(shù) 將整粒后顆粒依次通過二、三、四、七、八、九號篩，振蕩5 min，分別記錄每個(gè)篩網(wǎng)截留的顆粒質(zhì)量。取平均孔徑分別為0.603、0.303、0.188、0.108、0.083 mm 的篩網(wǎng)截留的顆粒質(zhì)量，計(jì)算相對均齊度指數(shù)。

相對均齊度指數(shù)＝Fm/[100＋(dm－dm－1)Fm－1＋(dm＋1－dm)Fm＋1＋(dm－dm－2)Fm－2＋(dm＋2－dm)Fm＋2＋…＋(dm＋ndm)Fm＋n][7-9]

2.3 Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化工藝參數(shù)

2.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果 根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，藥輔比、潤濕劑中乙醇體積分?jǐn)?shù)、潤濕劑用量為顆粒成型工藝中關(guān)鍵參數(shù)，因此，選用Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以成型率（Y1）、吸濕率（Y2）、休止角（Y3）、溶化率（Y4）為評價(jià)指標(biāo)，藥輔比（X1）、潤濕劑中乙醇體積分?jǐn)?shù)（X2）、潤濕劑用量（X3）為考察因素，優(yōu)選成型工藝。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平、方案與結(jié)果見表1。

表1 Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素與水平和方案與結(jié)果Table 1 Factors with levels and protocols with results of Box-Behnken experimental design

2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析 以成型率、吸濕率、溶化率、休止角為評價(jià)指標(biāo)，將上述每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，計(jì)算4 個(gè)指標(biāo)歸一值的幾何平均數(shù)，得到總評歸一值（OD）[9]。

OD＝(d1d2…dk)1/k

d為指標(biāo)歸一化后數(shù)值，k為指標(biāo)數(shù)

其中，顆粒成型工藝評價(jià)時(shí)成型率、溶化性數(shù)值越大越好，吸濕率與休止角越小越好，故采用Hassan 方法進(jìn)行數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換求dmin和dmax[10]。

dmin＝(Ymax－Yi)/(Ymax－Ymin)

dmax＝(Yi－Ymin)/(Ymax－Ymin)

各指標(biāo)歸一值及總評歸一值計(jì)算結(jié)果見表1。

采用Design-Expert 8.0 軟件對OD 值進(jìn)行效應(yīng)面分析，得到的擬合方程為OD＝-33.13－0.43X1＋0.80X2＋0.069X3＋0.010 39X1X2＋3.79×10-3X1X3－4.00×10-4X2X3－0.12X12－4.95×10-3X22－7.28×10-4X32，R2＝0.912 0 有較高的擬合度，方差分析結(jié)果見表2，結(jié)果顯示，所建立的模型達(dá)到極顯著水平（P＜0.01），失擬項(xiàng)不顯著（P＝0.217 8），說明所建立的模型成立。X2因素（P＜0.01）對OD 值具有顯著性影響，3 個(gè)因素對OD 值的影響為因素X2＞X1＞X3。

表2 Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方差分析Table 2 Box-Behnken experimental design variance analysis

利用Design-expert 8.0 軟件作出相應(yīng)的三維響應(yīng)曲面圖和等高線圖，如圖1所示結(jié)果顯示，OD 值隨藥輔比及乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加先增后減，有極大值；OD 值隨藥輔比及乙醇用量的增加先增后減，有極大值；OD 值隨乙醇體積分?jǐn)?shù)、乙醇用量的增加先增而后緩慢減少。依據(jù)各組等高線圖可知，3 個(gè)因素之間的交互作用強(qiáng)弱依次為X1X3＞X1X2＞X2X3。

圖1 各因素三維響應(yīng)面圖及等高線圖Fig.1 Three-dimensional response surface and contour maps of each factors

2.3.3 Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 通過Design-Expert 8.0 軟件對OD 所建立的二次回歸方程進(jìn)行求解，得到最佳的工藝參數(shù)為X1為1∶2.28，X2為82.24%，X3為30.95，OD 值為0.451 6。結(jié)合生產(chǎn)成本及實(shí)際工作狀況，最終確定最佳成型工藝為藥輔比為1∶2，乙醇體積分?jǐn)?shù)80%，乙醇用量為30 mL。按照優(yōu)選工藝進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表3，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)平均OD 值為0.440 7，RSD 為2.10%，可見實(shí)測值與預(yù)測值偏差較小，建立模型可用于QZG制備工藝參數(shù)優(yōu)選。

表3 Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Box-Behnken test design to verify experimental results

2.4 D-混料設(shè)計(jì)優(yōu)選最佳輔料

2.4.1 輔料種類的考察 按照最優(yōu)成型工藝，取干浸膏粉50 g，分別選用可溶性淀粉、乳糖、蔗糖、糊精100 g 進(jìn)行輔料篩選，計(jì)算成型率、吸濕率、休止角、溶化率，結(jié)果見表4。可溶性淀粉作為輔料時(shí)，成型性、流動(dòng)性最佳，缺點(diǎn)是吸濕性較強(qiáng)，制粒后細(xì)粉較多。而糊精的耐濕性是最強(qiáng)的，顆粒不均勻，蔗糖成型性、流動(dòng)性較好，但吸濕性偏高。乳糖耐吸濕性好，但作為顆粒輔料發(fā)生吸濕時(shí)會(huì)液化成半固體狀[11]，同時(shí)其成型率較低，流動(dòng)性差不易包裝，故選擇可溶性淀粉、糊精、蔗糖進(jìn)行進(jìn)一步篩選。

表4 不同輔料制粒情況的比較Table 4 Comparison of granulation of different excipients

2.4.2 D-最優(yōu)混料設(shè)計(jì) 采用D-最優(yōu)混料設(shè)計(jì)，以可溶性淀粉（x1）、糊精（x2）、蔗糖（x3）用量為考察因素，以顆粒成型率（y1）、溶化率（y2）、休止角（y3）和吸濕率（y4）為考察指標(biāo)，對3 種輔料的配比進(jìn)行優(yōu)化。因素水平見表5，試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果見表6。數(shù)據(jù)處理方式見“2.3.2”項(xiàng)。

表5 D-最優(yōu)混料設(shè)計(jì)的因素及水平Table 5 Factors and levels of D-optimal mixture design

表6 D-最優(yōu)混料設(shè)計(jì)的因素與水平和試驗(yàn)安排及結(jié)果Table 6 Experiment planning of D-optimal mixture design

采用Design-Expert 8.0 軟件對OD 值進(jìn)行分析，OD＝-4.232×10-3x1－0.019 3x2－0.018x3＋6.351×10-4x1x2＋6.078×10-3x1x3＋2.014×10-3x2x3＋2.588×10-5x1x2x3，R2＝0.970 0 有較高的擬合度，方差分析結(jié)果見表7，結(jié)果顯示所建立的模型達(dá)到極顯著水平（P＜0.01），失擬項(xiàng)不顯著（P＝0.160 4），說明所建立的模型成立。D-最優(yōu)混料設(shè)計(jì)3D 響應(yīng)面及等高線圖見圖2。對所建立的二次回歸方程進(jìn)行求解，得到最佳的工藝參數(shù)為x1為61.898，x2為38.102，x3為0.00，OD 值為0.499 0。結(jié)合生產(chǎn)成本及實(shí)際工作狀況，最終確定最佳成型工藝為可溶性淀粉60%，糊精40%，蔗糖0。

圖2 D-最優(yōu)混料設(shè)計(jì)3D 響應(yīng)面及等高線圖Fig.2 Three-dimensional response surface and contour maps of D-optimal mixture design

表7 D-最優(yōu)混料設(shè)計(jì)方差分析Table 7 D-optimal mixture design variance analysis

2.4.3 制劑工藝設(shè)計(jì)驗(yàn)證 按照篩選確定的最佳工藝，取干浸膏粉，加入2 倍的混合輔料（可溶性淀粉-糊精3∶2），用80%乙醇，30 mL 制軟材，制粒，干燥，整粒，即得。根據(jù)優(yōu)化工藝進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)果見表8。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的平均OD 值為0.496 4，RSD 為2.94%，可見實(shí)測值與預(yù)測值偏差較小，建立模型可用于QZG 制備工藝參數(shù)優(yōu)選。

表8 D-最優(yōu)混料設(shè)計(jì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 8 D-optimal mixture design to verify experimental results

2.5 物理指紋圖譜建立

2.5.1 物理指標(biāo)的確定及標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換 選取顆粒均一性、堆積性、流動(dòng)性、穩(wěn)定性作為一級物理指標(biāo)。另取相對均齊度指數(shù)、松密度、振實(shí)密度、水分、吸濕率、豪斯納比、休止角為二級物理指標(biāo)。測定不同批次顆粒二級物理指標(biāo)，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換。指標(biāo)轉(zhuǎn)換方法及結(jié)果見表9、10。

表9 指標(biāo)的轉(zhuǎn)換方法Table 9 Conversion method of secondary indices

2.5.2 物理指紋圖譜的構(gòu)建及相似度分析 以二級指標(biāo)繪制雷達(dá)圖作為顆粒物理指紋圖譜，二級指標(biāo)的平均值繪制雷達(dá)圖作為對照指紋圖譜。采用SPSS 17.0 軟件，采用夾角余弦法比較不同批次間樣品物理指紋圖譜與對照指紋圖譜的相似度，相似度越大，越接近1，表明顆粒的物理性質(zhì)越相似，顆粒質(zhì)量越穩(wěn)定。200201、200202、200303、200304、200405 與對照指紋圖譜比較相似度均大于0.99，5批顆粒的物理質(zhì)量一致。物理指紋圖譜見圖3。

圖3 QZG 物理指紋圖譜Fig.3 Physical fingerprint spectrum of QZG

3 討論

祛寒逐風(fēng)方為中藥復(fù)方，為保證與臨床應(yīng)用多年的合劑的物質(zhì)基礎(chǔ)一致，沿用原水提方式，其浸膏出膏率高，如改為其他劑型，服用劑量增大，改為顆粒劑可與原合劑服用劑量一致。中藥顆粒劑常用制備中間體為浸膏及浸膏粉，中藥浸膏為原料時(shí)所需加入輔料比例較高，增加服用劑量。為了減少Q(mào)ZG 的服用劑量，選用的中間體為浸膏粉，但浸膏粉吸濕性強(qiáng)，直接干法制粒易結(jié)塊，不利于大生產(chǎn)，故采用加入輔料，濕法制粒的方法對其進(jìn)行工藝改進(jìn)。濕法制粒中輔料的選擇、潤濕劑種類對顆粒成型工藝具有顯著的影響。可溶性淀粉、蔗糖為顆粒劑常用輔料，由于成本低、顯著的改善顆粒成型性、溶化性被廣泛用于顆粒大工業(yè)生產(chǎn)。糊精由于其囊化作用，可包裹吸濕性分子，顯著改善吸濕性，被用于中藥顆粒制備中[12-13]。

表10 二級物理指標(biāo)測定結(jié)果Table 10 Determined values for secondary physical indices

基于質(zhì)量源于設(shè)計(jì)原理，為了獲得均一穩(wěn)定的生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量，采用Box-Behnken 響應(yīng)面法確定了最佳藥輔比、潤濕劑用量及濃度。采用D-最優(yōu)混料設(shè)計(jì)對滿足制粒工藝的可溶性淀粉、蔗糖、糊精輔料配比進(jìn)行了篩選，確定了最佳輔料配比。D-最優(yōu)混料設(shè)計(jì)目前已廣泛應(yīng)用于藥品輔料及處方基質(zhì)的篩選中，具有實(shí)驗(yàn)次數(shù)少、預(yù)測精度高、多目標(biāo)同步優(yōu)化的特點(diǎn)[14-15]。QZG 的工藝改進(jìn)，對醫(yī)院制劑二次開發(fā)具有重要的意義及參考價(jià)值。

顆粒的物理屬性是顆粒質(zhì)量一致性評價(jià)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。物理指紋圖譜是對顆粒的制劑學(xué)指標(biāo)進(jìn)行的客觀評價(jià)，具有整體性的基本屬性[16]。將相似度評價(jià)[17-18]、主成分分析[19]、聚類分析[20]等手段運(yùn)用到物理指紋圖譜的評價(jià)當(dāng)中，可以多角度分析顆粒物理質(zhì)量的一致性，為顆粒生產(chǎn)過程控制及顆粒成品的質(zhì)量控制提供了新的思路。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突