头孢克肟溶析结晶过程球形生长机理探究

宋晓鹏，屠民海，龚俊波*

(1.天津大学化工学院 化学工程联合国家重点实验室，天津 300072； 2.天津化学化工协同创新中心，天津 300072；3.浙江新安化工集团股份有限公司，杭州 311699)

头孢克肟，又名世福素、名氨噻肟烯头孢菌素，是口服的第3代头孢菌素类抗生素，最早由日本藤泽株式会社研发成功，由于其抗菌谱广，对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌都具有较强的抗菌作用，且具有用药量小、成本低等优点，至今已在20多个国家先后上市，并被我国列为十五“计划”推荐研发的重要抗生素类药物品种[1]。

“球形结晶”最早是由日本的Kawashima于1982年提出，他在实验中通过一步完成了水杨酸的结晶和整粒过程，该方法大大简化了传统操作工艺，得到了国内外的广泛关注[2]。随后，越来越多的药物通过“球形结晶”技术得到了自己的球形产品。“球形结晶”技术也形成了自己的体系，如球形聚结[3]、(准)乳液扩散[4]、氨扩散[5]和晶体共聚技术[6]等。但某些情况下，人们发现，得到的产品虽为球形，但并不具有传统球形聚结体的特征，产品外观呈规则的放射状，而非由细晶杂乱无章的堆积而成；而某些无机物在纯溶剂中仍然可以得到规则的球形产品。基于这种现象，越来越多的学者尝试用新的“球形生长”机理来解释这一现象，以区别于传统聚结而成的球形晶体。

本研究从头孢克肟的结晶过程入手，利用过程分析技术研究了头孢克肟在溶析结晶过程中的球形生长机理。

1　实验部分

1.1　试剂与仪器

头孢克肟原料：粗品精制后产品，质量分数99.0%；丙酮：分析纯，天津市江天化工技术有限公司；蒸馏水：来自高纯水发生器；浓盐酸：质量分数36%，天津市化学试剂五厂：浓氨水：质量分数26%，天津市江天化工技术有限公司。

超级恒温水浴：CH1015，上海舜宇恒平仪器有限公司；数显搅拌：JHS-2/90，杭州仪表电机有限公司；电子天平，AL204-IC，瑞士梅特勒-托利多公司：夹套结晶器，容量200 mL，天津市易普佳科技有限公司；偏光显微镜，BX51，日本奥林巴斯公司；X射线粉末衍射仪，D/Max2500，日本理学公司；激光粒度分布仪，Mastersizer 3000，英国马尔文公司；扫描电子显微镜，TM3000，日本日立公司；热重分析仪，TGA/DSC 1/500，瑞士梅特勒-托利多公司。

1.2　实验过程

低温(0～5 ℃)下将一定量的头孢克肟原料分散于水(85 mL)和丙酮(15 mL)的混合溶液中，在不断搅拌下(过程中搅拌转速300～500 r/min)缓慢滴加稀氨水(质量分数4%)使其溶解；之后升温并加入活性炭脱色，过滤，取滤液；向滤液中恒速滴加稀盐酸(质量分数4%)，直至溶液过饱和开始浑浊为止，养晶2 h；继续滴加盐酸至头孢克肟等电点[7](约pH=2.1处)，养晶15 min后抽滤并用蒸馏水洗涤滤饼2次，将样品在30 ℃下真空干燥2 h后保存。

1.3　分析方法

溶析结晶过程实时取样，采用偏光显微镜进行分析。

实验过程和最终产品晶型测定：采用X射线粉末衍射仪分析，管流100 mA，管压40 kV，扫描步长0.02°，扫描速率8(°)/min，扫描范围2°～50°，Cu靶Kα射线入射，发射波长0.15306 nm。

产品形态分析：采用扫描电子显微镜(操作电压15 kV)进行分析。

产品热分析：采用热重分析仪进行分析，测试温度25～250 ℃，升温速率5 ℃/min，氮气气氛。

2　结果与讨论

2.1　过程参数对球形晶体的影响

2.1.1结晶温度

实验考察了5、15和25 ℃条件下头孢克肟球形晶体的粒度分布，结果如图1所示。

图1　不同温度下头孢克肟产品的粒度分布Fig.1　The size distribution diagram of cefixime products under different crystallization temperature

从图1中可以看出，在结晶过程中，较高的温度下，产品的粒度分布更加均匀，而低温下会导致产品中小粒子较多，产品粒度呈现双峰分布，影响了产品的流动性和堆密度。但另一方面，温度达到30 ℃以上时会导致头孢克肟分子在溶液中不稳定，发生降解而影响产品质量。

2.1.2盐酸滴加速率

在结晶后期，晶体的生长依赖于反溶剂盐酸的加入，因此盐酸的滴加速率也是控制产品质量的重要因素之一。实验中发现，在一定范围内提高盐酸滴加速率，头孢克肟球形晶体的粒度分布变化不大，但是其堆密度会受影响，具体见图2。

图2　不同盐酸滴加速率下产品的堆密度Fig.2　The bulk density of the products under different adding rate of HCl

图2表明，在较慢的滴加速率下，产品的堆密度较高；而随着滴加速率的增大，产品堆密度下降很明显。这主要是因为较快的滴加速率下，溶液过饱和度较大，导致晶体生长速率较快，因此产品堆积不紧实导致堆密度的下降。

2.1.3溶液初始浓度

图3展示了不同初始浓度下头孢克肟球形晶体的粒度分布曲线，表1则是与之相对应的质量分析结果。

图3　不同初始浓度的头孢克肟粒度分布Fig.3　The size distribution diagram of cefixime products under different initial solute concentration

实验序号初始物料量/g收率/%样品质量分数/%色泽115830999达标230916998达标360948991偏黄4120966980偏黄

可以看出，随着初始浓度的提高，头孢克肟球形晶体的粒度分布变化不是很明显，但其质量分数随初始浓度的提高则有所下降，且在高浓度下得到的产品色泽也不达标。这是由于，在较高的初始浓度下，实验初期溶解原料需要更多的氨水，导致产品溶解时溶液的pH值偏大，而头孢克肟在偏碱性环境中易发生降解，因此最终样品会发黄，且质量分数有所下降。但初始浓度过低则会导致最终收率过低，从而导致生产成本的提高。综合考虑，我们选择表1中实验2的初始浓度配比。

2.2　过程分析

为研究自发成核过程中头孢克肟球形结晶的机理，本工作在头孢克肟自发成核导致溶液混浊之后不同时间节点进行取样分析，图4为不同时间取样的偏光显微镜结果。其中图4a)和图4b)为溶液刚混浊时所取样品；图4c)和图4d)为养晶15 min左右后所取样品；图4e)和图4f)为养晶1 h以上所取样品；图4g)和图4h)为抽滤之前取样所得样品。

图4　头孢克肟溶析结晶过程不同时刻取样的显微镜照片Fig.4　Polarized light microscope images obtained from different time during the anti-solvent crystallization process of cefixime

由显微镜结果可知，最终得到的头孢克肟在偏光条件下具有较强的折光性，说明最终样品确为晶态；但是在溶液中最初成核的粒子不是晶体，因其在偏光下没有任何折光性，而更像是无定形；由于小粒子具有较大的表面能，在成核之后的粒子有聚集的趋势[图4中a)和b)]；经过10 min左右的养晶，可以看出，最初成核的粒子已基本全部聚结，产生的聚集体也逐渐开始有折光性[图4中c)和d)]，但折光性仍比较弱；养晶1 h左右则可以看到溶液中析出的溶质逐渐增多，且样品折光性已经较强，说明此时样品已基本全为晶态[图4中e)和f)]；而最终得到的样品在显微镜下为粒度均一的球形晶态粒子。

为进一步证明无定形粒子及其转晶过程的存在，我们选择在结晶过程中实时取样，图5为样品的X射线粉末衍射图谱。

图5　溶析结晶过程不同时刻取样的XRD图谱Fig.5　XRPD patterns obtained from different time during the anti-solvent crystallization process

从图5中可明显看出，在自发成核时，溶液中存在的是无定形粒子(X射线粉末衍射无晶体峰)；养晶10 min之后则开始出现晶体的特征峰，但强度很小；而养晶1 h以后以及最终产品则具有明显的晶体特征。因此可以得出：在水-丙酮混合体系中进行溶析结晶时，头孢克肟首先形成的是无定形粒子；而后，粒子会迅速聚结而不是进行生长，随后粒子和其聚结体会在较短时间内发生转晶，可看出无定形相对于其晶态来说是介稳状态。

2.3　球形生长机理

晶态一旦形成，其粒度会随着盐酸的继续滴加而变大。但后续过程中的粒度变大是由于球形聚结还是生长所导致是至关重要的，生长机理的不同会导致后续采取的控制变量有截然不同的差别。从图4的显微镜照片中可以看出，后期生长过程中[图4中e)、f)、g)和h)]没有在实时取样过程中看到细晶，因此我们推测：虽然无定形成核之后会产生聚结，但是转晶之后晶体粒度的增大可能是由于晶体增长导致，而非小粒子的聚结。

为证明上述推测，我们尝试得到产品的内部结构。图6是实验过程中将得到的头孢克肟球形晶体剖开并做扫描电镜得到的结果。

图6　球形产品内部结构图Fig.6　Interior structure of spherical products

由高倍率的电镜照片可知，在球形晶体表面的二级单元成片状，但并不是传统球形聚结那样杂乱堆积于表面，而是呈规则的放射状；且在球体周围也没有任何细晶。可以看出，在无定形成核及聚结、转晶之后，头孢克肟在溶液中进行的是球形生长而非细晶的聚结。表面能理论可以解释其二级单元的形状：由于不同晶面的表面能并不相同，导致在相同的溶液环境中，某些晶面的生长速率会远远大于其他晶面；该例子中，侧面晶面进行二次生长的能垒远大于顶端晶面，顶端晶面生长速率更快，因此头孢克肟在核心上二次生长最终形成的为长片形表面。

其次，在剖开的晶体中并未发现类似于碳酸钙晶体中那样的“赤道”形状以及“眼”，晶体内部结构非常紧实，因此其生长机理应该遵循的是多方向的生长方式，而非低角度分支状的生长[8]。

晶体在转晶之后进行的是球形生长而非聚结，为验证这一机理，实验采用热分析方法证明其中无定形成分的存在。由头孢克肟相对分子质量可以计算其三水合物的水含量应为10.46%，但从产品的热重分析结果可以看出球形样品的水含量为9.13%(图7中曲线1)，明显小于理论值。以无定形存在的头孢克肟分子不会含有3个结晶水，因此必会导致头孢克肟球形晶体平均水含量的降低。若将无定形看成纯头孢克肟(不含结晶水)，则根据水含量的结果可以得出该球形产品中无定形成分的含量约为12%。

图7　不同产品的热重分析结果Fig.7　Thermogravimetric analysis results of different products

同时，在头孢克肟球形晶体的内部结构扫描电镜照片(图8)中发现，内部核心与外部二级单元的晶习差别很大，更像是未转晶的无定形成分。这一发现进一步证明了无定形形成之后并不一定能够完全转晶，而后期在核心表面上进行的生长过程与聚结机理并不相同，两步之间存在明显的界线。

图8　含有无定形的产品电镜照片Fig.8　The SEM image of the product containing amorphous component

另外，实验中发现，在自发成核之前采用加入晶种的方式得到的产品(图7中曲线2)，其水含量与头孢克肟三水合物的理论水含量非常接近，说明头孢克肟晶态粒子的存在抑制了无定形的产生，有利于最终球形晶体稳定性的提高。

3　结论

研究了头孢克肟球形结晶体形成的原因，得到如下结论：

1)溶析结晶过程中，较高的结晶温度下头孢克肟球形晶体的粒度分布更为均一，而较低的盐酸滴加速率则有利于堆密度的提高；溶质的初始浓度过高则会使球形样品的色泽及纯度存在不达标的风险。

2)采用在线分析技术深入探究了头孢克肟球形结晶的过程，并揭示其生长机理为：无定形成核-聚结、转晶-二次生长，并通过对晶体内部结构的表征证明了这一推测。

3)通过热分析以及扫描电子显微镜的表征结果，证明了球形结晶内部无定形的存在；通过在自发成核之前加入晶种的方式，抑制了过程中无定形的产生，从而提供了一种提高球形晶体稳定性的途径。

参考文献：

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Zhang Mingfa, Ji Min. Evaluation and clinical application of cefixime in China[J]. Anti-Infection Pharmacy, 2010, 7(1): 1-9(in Chinese)

[2]Kawashima Y, Okumura M, Takenaka H. Spherical crystallization: Direct spherical agglomeration of salicylic acid crystals during crystallization[J]. Science, 1982, 216(4 550): 1 127-1 128

[3]Zhang H, Chen Y, Wang J,etal. Investigation on the spherical crystallization process of cefotaxime sodium[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2009, 49(3): 1 402-1 411

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[7]陈芬儿. 药物发现与合成途径[M]. 北京: 人民卫生出版社, 2011

Chen Fener. Pathway for drug discovery and synthesis[M]. Beijing: People′s Medical Publishing House, 2011(in Chinese)

[8]Andreassen J P, Flaten E M, Beck R,etal. Investigations of spherulitic growth in industrial crystallization[J]. Chemical Engineering Research and Design, 2010, 88(9): 1 163-1 168