压片物料的粉体学性质与片剂成型性的关系.doc

压片物料的粉体学性质与片剂成型性的关系压片物料的粉体学性质对片剂质量有重要的影响，充分认识和掌握片剂的粉体学性质有助于更好的评价压片物料压缩成型性的好坏，能更好的指导片剂处方筛选，工艺改进，解决生产中的问题。本文从压片物料的粒径、晶型、水分、可压性和流动性评价、润滑敏感率和出片力等方面探讨了压片物料的粉体学性质与片剂成型性的关系，为更好的运用粉体学性质解决片剂生产中的问题、优化生产工艺提供参考。片剂（tablets）是将药物与适宜的辅料混合均匀压制而成的片状固体制剂1。形状各异、外形美观，剂量准确、服用方面，给药途径多，可以满足不同的临床需要，是现代固体制剂中最主要的剂型之一。自1943年William Brockendon发明压片机以来，片剂得到了迅速发展。片剂的制备要求成型性好、释药稳定以及生产的高效性，因此对压片物料的压缩成型性和溶出度要求较高。但在处方设计和辅料的筛选中人们经常忽略了压片物料的粉体学性质对片剂成型性的影响，缺乏对压片物料流动性、压缩成型性系统、可量化的分析，在片剂生产过程中往往都凭经验处理松片、裂片、粘冲、片重差异大、崩解溶出困难等问题。随着片剂成型理论的深入研究，新型辅料、高效压片设备迅速发展，先进的制粒技术和新型直压辅料更是将片剂规模化生产带到了高效、节能、高质量的时代。FDA也积极的倡导制药工业实施“质量源于设计（quality by design，QbD）”的研发策略23；现在，人们对于片剂成形性好坏的判断需要更加科学、真实、详细的理论和数据为依据，对于片剂制备工艺的优化更需要深入了解结构、性质、工艺、性能之间的关系，多学科交叉进行处方筛选和制备工艺的优化。 压片物料的压缩特性通常是多种压缩变形机制和多种粉体学性质的综合体现。压片物料的压缩特性和流动性直接影响其对生产中高速压片的适应性，理想的压片物料要具有极好的流动性和可压性，如何科学合理的评价物料的流动性和可压性，提高生产效率是指导片剂处方筛选、压片工艺优化的关键，也是解决生产中松片、裂片、偏重差异过大等问题的重要手段。本文从压片物料的粉体学性质出发来阐述压片物料与片剂压缩成型性的关系，为进一步认识物料的压缩特性和解决片剂生产中存在的问题提供参考。1 粒径分布及大小粒径分布及大小对压片物料的可压性、片重差异和有效成分的溶出都有显著影响。压片物料的粒径分布均匀，能改善物料混合均匀度，提高片剂含量的均匀度。对于全粉末压片，药物和辅料粒径分布均匀对于改善压片物料的流动性更加重要，避免因机器震动或搅拌器搅拌不均带来的粉末分层，偏重差异变化大等问题。粒径越小、压缩时粒子重排空间越大，有利于粒子群趋向于更大变形的位置排列，片面光洁度越好，药物的溶出度越好。 1.1 粒径大小对压片物料溶出度的影响固体药物的生物利用度主要体现在药物活性成分溶出的速度和程度。粒径越小的物料制备片剂的溶出度越高，特别对于以原料药入药的中药物料，利用超微粉碎技术将药材粉末粉碎成极细粉，细胞破壁，相对增加了溶剂与粉体接触的表面积和溶剂的穿透能力，有效成分不用突破细胞壁、细胞膜的阻碍，溶出度显著增大；药材超微粉碎后，还可使固态的物料实现液相混合挥发油或脂肪油等水不溶物性物质与药材中的水分形成“乳化结构”，增强其溶出，减少了挥发油的损失4。超微粉碎润湿性好、粘附性强，崩解后粘附于胃肠道壁增强了药物的吸收。细胞级的微米中药制剂也一度被认为是采用现代高科技与传统炮制、制剂技术研制出来的一种新剂型5。 1.2 粒径大小对物料可压性的影响 在制药行业中经常用中位径D50比较颗粒粒子大小，几何标准差D84/D50或者span(D90-D10)/D50表示粒径分布的均齐度6。杨昕等7研究颗粒的粒径分布对片重差异的影响，以片重差异极值对粒度分布标准差作图，线性关系显示二者呈明显的正相关（r=0.844,P0.01)。通过川北方程和久野方程计算得粉体中的大粒子的a值小，b值大，说明粉体中大粒子的流动性和填充性大于小粒子。另一方面物料的粒径越小，比表面积和孔隙率越大，则压缩成型时料层的变形愈大，接触面大，结合力点多，结合愈紧密，所以减小颗粒粒径有利于增加片剂的抗张强度。对于结晶型药物而言，粒径减小会增大晶型的结构缺陷，晶体易破裂增大粒子之间的结合力。张源等8用1460，1660，2060目3种粒径筛间颗粒进行压片，测得硬度分别为4. 60，6. 32，6. 35 kg ; 片重差异分别为0.51%-2.33%，1.24%1.26%，-0.97%0.53%。Kaerger等9对不同粒径的对乙酰氨基酚进行压缩成型性考察，发现小粒子制成的片剂抗张强度增大。Omelczuk等10以压片指数为指标评价了粒径大小对片剂可压性的影响, 分别考察了粒径分布集中于10100m和粒径分布集中于110 m的两批物料；结果粒径小的物料所得片剂的键合指数(BI)、抗张强度和压痕硬度显著高于粒径大者。2 物料含水量 一般要求压片物料所需的含水量在3%5%，颗粒中的水分受挤压到粒子表面溶解可溶性成分，待压力撤除，其重新析晶后使相邻粒子间产生“固体桥”；或者挤压到粒子表面的水分增强粒子表面粘合剂的架桥作用，使粒子的牢固结合，适当的水分是增大粒子间结合力，保证片剂成型的关键。适当的水分在压片时还会产生一种黏聚力11，能提高片剂的硬度，混合物粉体的黏聚力是范德华力、库仑力、固体桥联力、液体桥联力或其中的几种力的合力12，利于压片过程中的物料的塑性形变。另一方面，颗粒中水分在颗粒受压的过程中被挤压到颗粒的表面形成薄膜，可起润滑作用,促进粒子在压缩过程中的的重排，促使粒子流趋向于发生最大变形的位置移动，改善压力的传递，从而增加粒子间的结合力，增加片剂的硬度。朱蕾等13应用多元逐步回归分析法考察中药提取物与微晶纤维素混合物后的黏聚力、堆密度、含水量与片剂抗张强度的相关性，发现混合物料的含水量、粉体间的黏聚力与片剂的抗张强度呈正相关；但若物料含水量高，物料的粘聚度增大，流动性降低，增大了片重差异和造成粘冲现象。物料水分太少，颗粒弹性大或机械强度大，塑性小，压片易发生頂裂或腰裂，成型性差。所以控制压片物料的水分是保证片剂质量的关键因素之一。3 压片物料的粉体学性质评价方法 无论是粉末压片还是颗粒压片，理想的压片物料需要具有极好的流动性和可压性，目前评价物料流动性的方法主要有3种: 基于测量颗粒质量流量的方法：霍尔流量计测量14，低速转鼓中的颗粒物质的坍塌规模或质量流率测量等15; 基于测量颗粒摩擦的方法，如静力学休止角、剪切流变力、压缩度测量等16; 颗粒形状的分形维数法，如观察、比较例子的圆整度、球形度等17。粉体摩擦的方法是实际应用较多的方法，被美国药典和欧洲药典普遍采用。测量指标主要有：休止角、流出速度、堆密度、压缩度等；通过粉体综合物性测定仪测定上述指标，操作简单、重现性好，对于粉体流动性的评测更加科学化。评价物料可压性的常规方法主要通过测量粉体压缩成型后的径向破碎力、但物料的水分、粒子的结晶形态、润滑剂的种类都对物料的可压性产生影响，为更科学的预测粉体的可压性，研究者通过大量的实验，观察、分析压缩过程，引入数学模型来评价粉体的可压性，如川北方程、Heckel方程、指数方程、Leunberger方程等18。3.1 流动性评测3.1.1 休止角粒子自由堆积形成的斜面与水平面的夹角，其大小主要决定于粒子重力和摩擦力的关系，主要方法有注入法、排出法、倾斜角法等。休止角越小，表明物料的流动性越好，一般认为，休止角小于30时，流动性好，小于40时可以满足压片对流动性的要求，休止角的测量方便、简单，因此被广泛应用。但测量结果受物料的水分、操作方式、读数误差等因素的影响，所以，不能单从休止角判断物料的流动性好坏，特别是颗粒中粒径分布不均，细粉造成粒子间摩擦增大，形成结拱和鼠孔时，休止角大于40，颗粒流动性任然可以满足压片的要求。3.1.2 松密度、振实密度、压缩度 物料在振动条件下均匀流出，物料的重量除以自由通过小孔流出堆积的最松体积即为松密度0，以一定的频率轻敲使其自由堆积的物料振实到最小体积后得到的密度即为振实密度f , 压缩度C=(f0)f , 松密度越小，物料的填充性越差；压缩度越小、粒子自由堆积时的摩擦力和空隙小，物料的流动性越好，一般认为，当压缩度小于20%，物料的流动性较好。压缩度的测量重现性好，是比较物料流动性的较好的办法。3.1.3 流出速度属于质量流量法，指一定量粉体自由通过小孔的速度，一般选用下端去除孔径为10mm的漏斗。粉末流速越大，流动性越好。若粉末聚集性强，流动性差，不易自由流过小孔，可向粉末中加入100m的玻璃球或小钢珠，比较加入玻璃球或小钢珠的量（w%）可以比较流动性大小。流速法不能区分流动性很接近的两种粉体的流动性大小。3.1.4 川北方程川北方程为粉体流动性考察的经验方程，具体操作是将待测粉体用漏斗匀速、缓慢注入已称重的100mL量筒中,至松体积为70100mL。将装有粉末的量筒离水平桌面约2cm高度向桌面自由落下,计录落下的次数n及相应的体积数Vn，用如下公式进行数据处理。川北方程： 式中C为粉体的相对体积减小分数，C=（V0-Vn)/V0；n为落下的次数；a是轻敲次数为无穷大时相对体积减小分数 (最终体积减少数), a越小，表明粉体的流动性越好；b为充填速度常数，b越大，则表明粉体充填性越好。以n/C 对n作图, 根据直线斜率、截距，计算a、b。3.1.5 其他评价方法粉体的流动性受粉体粒子的粒径大小、结晶形态、水分等因素的影响，对于粉体流动性评测指标还有内聚力、内摩擦角、平板角、表示压缩度的豪斯纳比率19，日本细川粉体工学研究所曾将测定粉体特性的装置集合在一起，组成粉体综合特性测定仪，由该仪器可同时测定多种粉体特性，并根据这些特性所对应的经验指数求得Carr流动性指数20，Carr流动性指数的范围是0100，Carr指数越大，粉体的流动性越好。3.2 可压性评价3.2.1粒子的结晶形态一般认为立方晶系的结晶对称性好，易压缩成形；鳞片状和针状结晶压缩时易成层状排列，机械粘合作用力弱，压缩成形性差，树枝状结晶压缩时机械结合力大。例如普通淀粉结晶形态完整，表面光滑，压缩结合力小，弹性复原率大；可压性淀粉的结晶表面粗糙，有裂隙和空洞，增加了压缩时颗粒间啮合力，受压时表现为塑性变形，压缩成型性高21。王洪光等22对不同晶态的对乙酰氨基酚原料的弹、塑性比值( ER/PC)、压缩能比和脆性破碎指数( BFI )的测定，发现对乙酰氨基酚的三种不同晶型粉末：块状结晶、鳞片状结晶、针状结晶中，块状结晶ER/PC值小，弹性能小，BFI 值小，塑性较大，可压性好；鳞片状结晶、针状结晶压缩是的压缩能大，但弹性能也大，直接压片松片、裂片严重。3.2.2 物料的松密度、压缩度颗粒或粉末的松密度和压缩度是粒子间摩擦力的体现，反映粉体的凝聚性和松软状态，一般二者结合起来表征压片物料的流动性和填充性。压片物料的松密度越小, 粒子表面粗糙，比表面积和孔隙率大，粒子流动性差，物料堆积时产生“结拱”现象或形成鼠孔，不利于压片时物料的填充，增大了片重差异。李超等23考察了不同湿度下的愈创木酚甘油醚缓释片颗粒的压缩度、休止角与片剂片重差异、脆碎度的关系，发现颗粒压缩度与片重差异极值、脆碎度呈负相关(P0.05），所以物料压缩度越小，说明物料内部孔隙率小,粒子之间摩擦力小，流动性、填充性好；另一方面压缩度还反映物料的可压性，物料压缩度越大，孔隙率越大，压缩时粒子的变形空间大，易朝着塑性变形的方向发生重排，且粒子之间的结合点越多，机械嵌合作用增大，片剂的抗张强度增大。王晋等24以阿司匹林为模型药物对颗粒的松密度和颗粒强度与片剂的抗张强度的关系进行研究，对12批颗粒在4个压片力下所得片剂的抗张强度与其颗粒强度、颗粒的松密度作散点图，发现在中低压力下松密度小的颗粒压片的抗张强度大。李洁等25在不同中药浸膏粉的干法制粒工艺研究中，利用多元线性回归方程对各浸膏粉的物性指标进行线性回归，结果浸膏粉的压缩度和含水量与颗粒得率呈正相关，浸膏粉的压缩度是物料性质中对干法制粒的颗粒得率影响较大的因素之一：压缩度越大，浸膏粉的可压性越好，压制成胚片越容易，颗粒得率越高; 因此在保证物料流动性较好的前提下，适当增加粉末的压缩度，可以提高浸膏粉的压缩成形性，降低压片的脆碎度。3.2.3 抗张强度片剂抗张强度是指单位面积上的破碎力，是片剂成型性好坏最直接的评价指标，广泛用于片剂质量评价和处方设计中。计算公式为： F:片剂径向破碎力；D：片剂的直径；L：片剂的厚度。片剂的抗张强度是将颗粒或粉末压平片，消除厚度和面积的影响，避免因所压片剂大小不同造成的的误差。一般认为，普通片剂的抗张强度要求在1.53.0之间为好，抗张强度过大，易造成崩解困难，抗张强度太小易在包衣中破碎。抗张强度随压力和物料的含水量而变化，根据一定压力和水分下的抗张强度大小可以比较物料的压缩成型性，也可以根据片剂的抗张强度的大小在压片机可以承受的范围内选择合适的压力和物料的含水量，避免压力过大造成的仪器损害和水分过高造成的粘冲现象，保证压片生产的顺利进行。3.2.4 Hecekel方程Hecekel方程是基于孔隙率与压力的关系提出的研究粉体压缩形变的数学模型，是将一级反应动力学中孔隙率和压力分别替换浓度和时间后所得的公式26： 同一冲模中压缩的片剂面积、质量不变，将密度换算成片剂的厚度h得公式二：式中h0为最大压力下片剂的厚度，即最大压力是上冲与下冲的最短距离。h为压力P下片剂弹性复原后片剂的厚度。Py为屈服压力，可比较物料的塑形变形能力，Py越小，塑形变形能力越好，可压性越好。在压片过程中，粉末的压缩变形行为分为3种：塑性变形、脆性变形和弹性变形。塑性和脆性形变有利于片剂的压缩成型，弹性形变往往易造成片剂的顶裂、腰裂等问题。在实际应用过程中还发现，很多辅料的形变机制往往不是单一的，而是上述多种形变机制的结合，或者以其中的一种形变机制为主，且h0测定的误差对结果的影响较大，因此实验中最好采用平冲，多次测量减小误差。3.2.5 Kawakita方程是研究粉体压缩时压力与体积的关系的经验方程，由川北方程轻敲法中震动次数换成压力得到，公式为：换算得： 式中C代表体积减小度，V0代表压缩粉体的最初表观体积，V是粉体在一定压力P下的体积；a为一定压力下粉体体积减小的最大量，1/b为压缩粉体体积减小一半所需要的力，在颗粒压片中也有认为是粒子开始破碎时的力27，通过P/C对P作图可以求得压缩物料的a,b，比较粉体的压缩特性。方程中对V0的测量要根据填料的方式和重量准确测量，以减小误差。Kawakita方程是将粉末看成理想粉末（内聚力为零，致密时孔隙率为零），因此，该方程比较适合高空隙率的粉体的压缩特性研究。陈盛君等28运用Kawakita方程评价不同孔体积微丸的压缩特性计算高孔体积微丸易发生塑形，低孔体积微丸塑形变形差，与扫面电镜观察断面结果一致：高孔体积微丸受压缓冲、变形，破碎少；低孔体积抵抗外力强，不易塑形变形，破碎多。4 润滑敏感度和出片力 压片物料的润滑敏感度是物料与润滑剂混合后抗张强度变化的敏感程度的定量测定指标，通常用LSR（lubricant sensitivity ratio）表示。出片力是片剂压缩成型后被下冲推出冲模的力，润滑剂的加入增加压片物料的流动性，同时还能减小物料与冲头、冲模的摩擦，减小出片力。但润滑剂大多为疏水性物质，粘附于粒子表面形成隔离膜，阻断粒子之间“固体桥”的形成，降低了粒子机械咬合力的强度，片剂的抗张强度减小，且塑性变形的颗粒和粒径小的粉末对疏水性润滑剂的这种作用更加敏感29。因为脆性变形辅料和大颗粒压缩破碎变形后产生新的结合面，受润滑剂的这种作用影响较小。高春生等30将塑性变形特征的直压辅料Cellactose?80与1%的硬脂酸镁混合40min后，片剂抗张强度从2.60Mpa减小到1.66Mpa。同时，脆性变形辅料粒子强度高，压缩时“固体桥”作用强，出片力大。物料的润滑敏感度和出片力的大小是预测压片物料能否顺利压片的主要指标，也是润滑剂优选的主要依据，许多新式的压片机都具有显示出片力的功能。 润滑剂粒径小、比表面积大、粘附性强，能附着于颗粒的表面，改善颗粒的粗糙程度，减少摩擦，增大物料的流动性，保证物料更好的填充及压片和推片过程中压力的均匀传递，减少粘冲现象，是片剂制备中必不可少的辅料。目前制药工业中主要使用的润滑剂有硬脂酸镁、滑石粉、微粉硅胶、十二烷基硫酸钠、氢化植物油等。润滑剂减小摩擦，增大物料流动性的同时也会带来片剂的抗张强度减小，药物溶出度减小，影响药物含量的测量等问题，如硬脂酸镁是润滑、抗粘效果较好的润滑剂，被广泛应用，用量一般在0.5%3%，但很多药物和辅料对硬脂酸镁的敏感度高，实际中起到作用的量很少，为平衡润滑敏感度和压片过程中的摩擦，人们研究出具有自润滑作用的辅料和压片机。如美国FMC公司将润滑敏感度低的脆性变形辅料乳糖与润滑剂复合成可压性好、具有自润滑作用LubriTose SD， LubriTose AN31。OYSTAR Manesty公司研制了一个压片润滑系统：将10%的硬脂酸镁乙醇溶液喷涂在中模内壁及冲头表面，出片力小，硬脂酸镁的用量少；德国Fette公司将一种硬脂酸镁的雾化装置PKB整合在压片机中，硬脂酸镁的用量降到0.02%0.04%，润滑效果极好32。这种仪器的自润滑系统减少了润滑剂的用量，同时减少混合的步骤、提高了生产效率，也避免了润滑剂对含量测定、药物疗效的干扰。 综上所述，压片物料压缩成型性的好坏是物料粉体学性质的综合反映，对压片物料粉体学性质深入的研究并作出合理的评测是能更好的探索物料的粉体学性质与片剂质量的关系，对影响片剂压缩成型性的粉体学指标进行量化，有助于解决压片过程中的松片、裂片、片重差异超标和脆碎度大的问题。从物料的粉体学性质出发，对可能影响压片成型性的物性指标进行归纳、总结，有助于解决处方设计、产品研发、工艺放大和大规模生产中可能存在的问题，改变依靠经验直观判断和处理问题的盲目性、对提高片剂生产的制备工艺有重要的指导意义。随着新型辅料和设备的引进，带动了新的制粒技术和压片技术的开发，将对物料的粉体学性质研究运用于现代超微粉碎技术、喷雾干燥技术、流化制粒技术、粉末直接压片技术等先进工艺对于提高片剂质量、充分发挥药物疗效有重要意义。