1、中 试研究的经验总结之药物晶型研究 王建耀 20160520 1.晶体的概念 2.多晶型研究对药物开发的意义 3.如何选择药物晶型 4.晶型的主要分析手段 5.实例分享 固体分类 晶体 非晶体 准晶体 准晶是一种介于晶体和非晶体之间的固体。准晶具有完全有序的结构，然而又不具有晶体所应有的平移对称性。 2011年诺贝尔化学奖 以色列 达尼埃尔 谢赫特曼 非晶体又称无定形体内部原子或分子的排列呈现杂乱无章的分布状态的固体称为非晶体。 如 玻璃 、沥青、石蜡等 什么是晶体？ 1.晶体是由原子、分子或离子在空间 周期地排列 构成的固体物质。 2.晶型 (crystalline forms, polym
2、orphs)是指结晶物质晶格内分子的排列形式。 3.晶癖 (或称晶形 )是指结晶的外观形状。在不同的结晶条件下，由于晶胞在生长过程中优先生长面不相同，同一晶型的物质可以有多种不同形状的结晶。 多晶 型现象 多晶型化合物 ROY 该分子目前报道了 10种不同的晶型，其中 7种单晶结构已经被解析 药物多晶型现象 晶型药物 盐型 游离酸 /碱 中性化合物 共晶 多晶型现象 水合物晶型 无水合物晶 型 溶剂合物晶 型 水合物晶型 一些 化学药物在形成固体物质状态时，由于分子中的某个极性原子易与水分子中 的 氧 原子产生氢键作用 ，使形成的固体物质中除含有化学药物分子外，尚可含有 数量 不等的 水分子
3、而造成固体物质的多晶型 现象 。 需要说明 ，结晶水 不同于吸附水 。结晶水 与药物分子间产生的相互作用力可长期存在 ，其 结合牢固而不易被除掉；吸附水与药物分子间不存在作用力关系，易于被去除。 结晶水含量变化形成的不同晶型溶剂化固体物质示意图 溶剂 合物晶型 有机溶剂 是药物纯化的重要介质， 利用溶液 法，通过重结晶技术实现对药物物质的 纯化是 一种工业普遍应用的 方法。 由不同种类的溶剂介入可形成不同类型的溶剂化固体物质。在一 种化学药物的溶剂化固体物质中，当溶剂种类改变时就产生了药物的不同晶型固体 物质。 化学药物的溶剂化固体物质中含有溶剂种类可以是单一的，也可同时含有两种或 两种 以上
4、的类型，其含有溶剂种类的变化就产生不同晶型固体物质 。 与不同酸性物质成盐：当化学药物自身呈碱性时，可分别与不同的有机或无机酸成盐 ，这 就使一种化学药物存在有多种晶型的盐类固体物质形式 。 化学 药物中经常使用与之成 盐的 酸类物质包括： 盐酸、酒石酸、草酸、拘橡酸、抗坏血酸、水杨酸、苹果酸、苯甲酸、甲磺酸、 富马酸 、马来酸、咖啡酸 等 盐型多晶型 无 定型晶型多态现象 一般来讲，固体物质的无定型状态是物质分子完全无序的排列方式，而无序的存在 状态 应该 只有唯一的一种 形式。 但 事实上，物质的元定型状态也可以存在 不同的 形式 。 无定型态药物的 特点： 1. 高分散性 。 定型状态的
5、物质具有高度分散性，这种无定型态在制成固体制剂后 ，经过 崩解可使药物粒子的分散程度更好，分散速度更快，有利于药物的 吸收。 2. 高能状态 。由于无定型药物属于热力学不稳定状态，理论上，元定型状态的物质容易释放铺， 转变为 稳定的 晶态。 3. 相对低熔点 。无定型与晶态比较 ，一般具有较低的熔点值（ 小 于 100 ），所以非常容易发生 转晶现象 。一般认为 ，当使用药物的无定型态作为原料制备 固体药物 时，与其 他晶型物质 比较在稳定性方面 可能存在明显的缺陷和 不足 。 什么种类的化学药物可能存在多晶型问题？ 1.药物分子对于各种常用有机溶剂溶解度较差时； 2.药物分子骨架柔性较大而易
6、于形成多构象时； 3.药物分子存在长侧链柔性较大的取代基时； 4.药物分子骨架构象稳定且含有较小或较多的极性基团时； 5.药物分子中不存在手性碳原子或多个手性碳原子时； 6.药物是以盐类或配位形成药物基本组成单位时； 7.药物样品易吸湿时； 什么因素可能会导致化学药物的多晶型 现象 ？ 多晶型现象 结晶溶剂 析晶温度 搅拌速率 干燥 研磨 压力 超声 湿度 原料药晶型与制剂工艺 辅料种类 ：保证使用的辅料不会促使原料转晶。例如，在甲氟喹的研究中发现，加入微晶纤维素辅料可对固相多晶型的转变有促进作用，可加速型向型的转变。 辅料稳定 ：有无引 湿性 ，有没有水合晶型？ 湿法制粒 ：溶剂或水均可能使
7、原料药晶型转晶。例如，无水卡马西平在湿法制粒压片生产工艺中，分别采用水 、 50 乙醇、乙醇为润湿剂制粒，发现用水和乙醇制粒不影响晶型变化，但是 以 50 乙醇制得颗粒中，无水卡马西平转变为含有两个结晶水的水合物 。 压片 ：应考察原料原料接受压力的转晶条件。亚稳定型结晶在机械压力下可能出现晶型转换而改变制剂的溶出性质，从而影响制剂质量的均一性。 干燥 ：应考察晶型原料转晶温度条件。例如，扎来普隆晶型 和 加热 至 80 时 转变为晶型 多晶型药物的理化性质 1） 晶格能 的差异 使同质多晶药物具有不同的 熔点 、 溶解度 及 溶出速率 、 稳定性 、 生物利用度 等 。 根据晶型物质的稳定性
8、不同，可以将药物多晶型分为 不稳定型、亚稳型和 稳定型 。 一般说来，药物晶型状态的溶解度与晶型的稳定性有密切关系， 不稳定状态物质晶型 的溶解度 较 高 ，溶解 速率 快 ，物质的熵值 高，熔点 低 。但是，对于不稳定状态的晶型物质， 由于 易于 发生晶型的变化 ，不利于药物的保存 。 临床应用的药物需要具备一定的稳定性，当不同晶型物质间熔点值差异较大时， 亚稳定型可以向稳定型转变。早期 鉴定出药物的晶型并 评价其 稳定性 ，可以避免因晶型物质不稳定而导致的研发失败，提高药物研发的成功率，降低新药 研发的风险。 2) 表面 自由能的差异 造成结晶颗粒之间的结合力的不同，影响药物的 流动性 以
9、及片剂的 硬度 ，影响制剂的物理稳定性。 多晶型药物的理化性质 稳定型 结晶颗粒比亚稳定型结晶颗粒有 较大的晶格能 和较小的表面自由能 ， 所以在相同的压力下压片和保留原有晶格结构的情况下 ， 前者的片剂往往有 相对较小的硬度 。 另外 ， 亚稳定型结晶在机械压力下可能出现晶型转换而改变制剂的溶出性质 。 多晶型药物的理化性质 3) 由于晶格内分子在晶胞各个方向的分布不一， 导致机械力的传递差异进而 影响片剂的机械性质 。 有人对多晶型药物磺胺苯酰进行直接压片并分析片剂上下表面和边缘等各部分的晶型变化，结果证实在各个方向晶型的转换率互不相同， 以上表面为最高，下表面其次，边缘的变化 最小。 多
10、晶型药物的理化性质 4) 溶剂化晶型对药物溶解度的影响比较复杂。因为结合的溶剂及结合的方式不同也就可能产生不同的作用。 在多数情况下，药物的溶解度和溶出速率以有机溶剂化物最高，无水物次之，而以水合物为最低。 一般 认为水合导致结晶性药物溶解度较低的原因是因为在多数情况下 ， 水分子与药物分子之间形成较强氢键而增加结晶的晶格能 ， 晶格中已存在的水分子阻碍了结晶的再水合 ， 减少了溶剂化能 。 环境温度越 高 ，溶剂 分子挣脱分子作用力的倾向性越大，药物 的溶剂合物 就越不稳定 。 晶 型药物的 稳定性 有时可以用肉眼或显微镜观察到， 随着溶剂合物中溶剂 从晶格中挣脱，原本 晶莹剔透 的晶体 可
11、能变得 污浊而不透明 。 多晶型药物的理化性质 区分晶型 和溶剂合物晶 型的简单方法是 用 显微镜 观察分散 在硅油中的粉末的熔融过程 。 溶剂合物晶 型物质在受热时将因溶剂的气化而使油中 出现气泡 ，溶剂气化温度接近于该重结晶溶剂的沸点，而晶型物质仅在熔融时成为油滴。利用热分析手段检查溶剂峰的存在亦可作出同样 判断。 多晶 型研究对药物开发的意义 非预期的晶型出现和消失可能导致严重后果 ,使产品研发迟滞 , 商业生产中断。 在制药工业中 ,一种疗效好的新晶型可以作为一个附加专利 ,延长原有药物的专利 寿命。 找到优势性的新晶型，可以申请晶型专利保护，打破原研药公司的专利保护，提早将仿制药推向
12、 市场。 公司 ：美国雅培 药名：利托那韦（ Ritonavir) HIV蛋白酶抑制剂 剂型：胶囊 教训： Abbott制药公司于 1992年发现的抗艾滋病药利托那韦以 型形式存在，并于 1996年开发成功上市，但 1998年发现上市产品中出现了更稳定的 型，严重影响了其有效性，导致该药从市场撤出。 Abbott为此不得不重新开发工艺以及制剂，后得以重新上市。这一产品退市和重新上市，直接经济损失至少在 2.5亿美金以上。 公司：英国葛兰素 药名：雷 尼替 丁 Ranitidine(抗溃疡药 ) 商品名 :zantac 晶 型 专利到期后又发现了目前作为药物使用的晶型 , 通过申请新晶型的专利保
13、护延长了药品的生命周期。目前，雷尼替丁每年的销售额高达 24亿英镑。 BMS达沙替尼药品中使用 的是 一水合物晶型 H1-7,而正大天晴达沙替尼药品中使用的是无水晶型 N-6,且未检出 BMS专利（ CN1980909）保护的一水合物晶型 H1-7。如果此次分析的正大天晴上市药品具有 代表性 ，则可以说明正大天晴的达沙替尼没有侵犯 BMS在中国已经授权保护的晶型 H1-7专利 (CN1980909)。 如果和在美国一样， BMS的无 水晶型 N-6在中国也获得保护，那么BMS留给正大天晴的机会可能就会更 少。 如何选择药物晶 型？ 晶型的主要分析手段 常用的检测方法 固相 核磁共振（ ssNM
14、R） 光谱法 拉曼光谱 (RM) 热分析 X-射线衍射 粉末 X-射线 衍射 (PXRD) 单晶 X-射线 衍射 (SXRD) 差示扫描量 热 (DSC) 热重分析 (TGA) 差热分析（ DTA） 红外光谱 (IR) 单晶 X-射线 衍射分析（ single crystal X-ray diffraction, SXRD) 单晶 X射线 衍射 分析 技术是一种直接、准确、独立、定量的确定药物晶型的分析方法，也是目前国际上公认 研究固体 化学药物多晶型问题的 权威 方法 。 I. 通过 对不同晶型药物的 单晶 X 射线衍射 分析可 获得不 同晶型物质的定量 晶体学数据。 II. 利用单晶结构分
15、析获得的晶型物质定量数据，通过理论计算方法获得每种晶型物质 纯品的专属性粉末 X射线衍射图谱 和数据，作为各种晶型药物的 100% 晶型纯度 的对照粉末衍射图谱。 III. 以 理论计算的晶型纯品粉末衍射图谱为晶型检测依据，通过对不同实验 条件 筛查或制备的晶型样品进行分析，以确定晶型物质的种类和 晶型纯度 。 粉末 X-射线 衍射分析（ Powder X-ray diffraction, PXRD) Braggs law: n=2dsin 粉末 X 射线衍射分析技术是对众多微小颗粒样品的共同检测 分析 ,具有良好的晶型物质代表特性。 粉末 X 射线衍射技术不仅是固体化学原料药的 晶型检测分析
16、 的主要技术手段，还 可以应用 于由混合物质组成的固体化学药物制剂中 晶型种类及晶型含量定量分析 。 鉴于 多晶 型固体 化学药物制剂是由化学 药物（原料药）和多种辅料 组成，而且原料药在制剂成分总量 中所 占 比例较低 。当使用 3kW 封闭管产生的 X 射线强度时，可以完成占总成分 大于 1. 0% 固体 晶型物质的识别及含量测定；当使用 18kW 旋转阳极靶产生的 X 射线强度时，可以 完成占 总成分大于 0.1% 固体晶型物质识别及含量测定。 晶态物质呈现的衍射峰为锐锋，而无定型态的衍射峰比较弥散，有时则呈现 馒头 状 热重分析法（ thermo gravimetric analysi
17、s, TGA) 热重分析法是在程序控温条件下 ，测定 物质的质量随温度变化的一种分析技术。 当 被测物质在加热过程中有 升华或 汽化现象时，其 分解出了气体或失去了结晶水时 ，引起被测物质量发生变化。这时，热 重曲线 就不是直线而是有所下降。通过分析热重曲线，就可以知道被测物质在什么温度下 产生 变化，并且根据所失重量，可以计算失去了多少物质 量。 热重分析 法可以获得样品热 变化产生 的热量，适用于检查晶型物质中的结晶溶剂或结晶水分子的丧失或样品升华、分解的 过程 和量值，也可 有效区分物质是否含有结晶溶剂或结晶水成分 。 差示扫描量热法 (differential scanning cal
18、orimeter ， DSC) 差示扫描量热法是 采用程序控制 升温或降温，测量样品与惰性参比物（常用 -Al203） 之间的热量差随温度变化 的技术。 DSC 检测 适用于分析 样品的熔融分解状态、混晶物质状态、转晶物质状态等。 红外光谱技术（ infra-red spectrometry, IR) 由于固体晶型药物的晶胞内部的分子之间存在着较弱的相互作用 力 ，造成 了不同晶型物质的分子内共价键强度存在差异 。 不同晶型固体药物的红外吸收光谱差异，主要表现 在峰 形变化、峰位偏移、峰强度改变等。由于各种晶型物质的 分子内作用力较弱 ，故造成 红外吸收光谱 的 指纹特征性变化较小 ，有时不同晶型物质的红外吸收光谱则无法区分 。 红外吸收光谱样品制备方法主要有：石蜡糊法、漫反射法、 KBr 压片法及 衰减全反射法 。样品在研磨过程中产生的热量更易为液状的石蜡油所分散，所以 石蜡糊法 较为常用。而 KBr 压片法 因其在压片过程中可能导致晶型物质转变，也应慎 用。
