Box-Behnken中心组合设计原理优化氯化钾环戊噻嗪缓释片处方

王梦楠，李 妍，李 研，吴晶晶，石 凯



Box-Behnken中心组合设计原理优化氯化钾环戊噻嗪缓释片处方

王梦楠，李 妍，李 研，吴晶晶，石 凯*

（沈阳药科大学 药学院，辽宁 沈阳，110016）

采用骨架材料与膜控相结合的方式对氯化钾环戊噻嗪复方药物的释放行为进行控制，并应用中心组合设计原理筛选出最优处方。采用Eudragit RS PO作为骨架材料制备片芯，Eudragit RS100与Eudragit RL100按照一定比例混合配制成包衣液对片芯进行包衣，制得氯化钾环戊噻嗪缓释片。采用效应面优化法，利用Design expert 软件进行数据处理，最终确定最优处方。最终优化后的处方骨架材料Eudragit RS PO用量的质量分数为6.78%，包衣液中聚合物Eudragit RS100与Eudragit RL100的质量比为52∶48，包衣增重为3%。采用骨架材料与膜控相结合的方式可以有效地控制氯化钾环戊噻嗪缓释片的释放速率，应用Box-Behnken中心组合设计原理筛选出最优处方可以达到预期的效果。

药剂学；缓释制剂；Box-Benhnken响应面法；氯化钾环戊噻嗪；处方优化；骨架材料

近年来，随着人们生活水平的提高，高血压患者日益增多。高血压及其相关疾病的负担巨大，因此有效控制血压是减少心血管疾病发病和减少疾病负担的有效途径。而目前，药物降压是高血压治疗中的一项重要措施。查阅相关文献及药代动力学研究发现，环戊噻嗪片口服可完全吸收，用药后1.0～2.0 h利尿开始，约12 h作用达峰值，作用可持续24～36 h，口服比较耐受，不良反应主要为低血钾。而氯化钾对胃肠道有刺激，可引起恶心、呕吐及食欲不振，并可造成胃和十二指肠溃疡，故本研究中将环戊噻嗪制成速释片，氯化钾制成缓释片复方使用，既可克服环戊噻嗪在利尿降压作用中导致低血钾的不良反应，又可以在补钾的同时减轻患者由于服用氯化钾引起的胃肠道不良反应，减轻患者的用药负担，提高患者顺应性。

在氯化钾环戊噻嗪缓释片中氯化钾极易溶于水，单纯采用膜控的方式控制释放速率对包衣要求比较严格，不利于大规模生产[1]。本文作者采用骨架材料与膜控相结合的方式对模型药物中缓释部分即氯化钾的释放行为进行控制[2-3]，计算自制样品与市售制剂的溶出曲线相似因子（2），并依据效应面设计法中Box-Behnken的设计原理[4-7]筛选出最优处方。

1 仪器与材料

高效液相色谱仪（岛津国际贸易有限公司），RC-6溶出度测定仪（天津光学仪器厂），BSA224S-CW电子分析天平(北京赛多利斯仪器系统有限公司)，ZDY重型单冲压片机（上海制药机修三厂），YD-2片剂硬度测试仪（天津国铭医药设备有限公司），GZXGF-9640A 电热恒温鼓风干燥箱（上海天恒医疗器械有限公司），小型包衣机（上海黄海药检仪器厂）。

氯化钾（药用级，河北华辰药业有限公司），环戊噻嗪（药用级，郑州泰丰制药有限公司），尤特奇系列辅料(药用级，上海昌为医药辅料技术有限公司)，PEG6000（药用级，湖南尔康制药股份有限公司），柠檬酸三乙酯TEC（药用级，蚌埠丰原涂山制药有限公司），硬脂酸镁（药用级，安徽山河药用辅料股份有限公司），乙醇（药用级，湖南九典制药），滑石粉（药用级，广西龙胜华美滑石粉开发有限公司），乙腈（色谱纯，国药集团化学试剂有限公司），其余试剂（分析纯，市售）。

2 方法与结果

2.1 制备工艺

2.1.1 基本处方

片芯：氯化钾450 g，Eudragit RS/RL PO 30 g及不同量，PEG6000（不同浓度）30 g，硬脂酸镁3 g，乙醇适量，水适量。

包衣液：环戊噻嗪125 mg，Eudragit RS100 15 g及不同量，Eudragit RL100 15 g及不同量，柠檬酸三乙酯（TEC）/PEG6000 6 g，滑石粉15 g及不同量，体积分数95%乙醇适量。

2.1.2 片芯的制备

将氯化钾粉碎，原辅料过150 μm筛。称取处方量的氯化钾与Eudragit系列辅料，混合均匀，加入黏合剂再次混合均匀，以700 μm不锈钢筛网制粒，于40 ℃烘箱干燥，830 μm筛网整粒后加入质量分数为1%硬脂酸镁为润滑剂，混匀，压片，备用。

2.1.3 包衣

取Eudragit RL100与Eudragit RS100共30 g，按比例混合溶于适量乙醇溶液中配制成包衣液，在包衣液中加入处方量的环戊噻嗪，并加入柠檬酸三乙酯（TEC）6 g，将滑石粉15 g溶于适量乙醇中，加入到上述包衣液中，对片芯进行包衣，即得。

2.2 释放度测定方法

2.2.1 释放介质的选择

氯化钾环戊噻嗪缓释片中环戊噻嗪为速释部分、氯化钾为缓释部分，所以在测定释放度时需要分别测定两种药物的释放度。由于氯化钾水中易溶且水溶液的稳定性较好，经查阅参考文献，选择水为溶出介质来考察其释放度；环戊噻嗪在水中几乎不溶，能溶于丙酮、乙醚等有机溶剂，显碱性，查阅参考文献，选择0.1 mol∙L-1盐酸模拟胃液环境pH值作为释放介质来考察其释放度。

2.2.2 释放度测定方法

氯化钾：取本品6片，参照《中华人民共和国药典》2010版附录中释放度测定法进行测定。选用药典附录中溶出度测定的装置，以900 mL的水作为溶剂，转速定为50 r∙min-1，在0、45、60、90 min和2、3、4、5、6、7、8 h分别取25 mL溶液，过滤备用，与此同时补充同温、同体积的水（30 s之内完成操作）。精密量取上述续滤液20 mL，在续滤液中加4滴铬酸钾指示剂，选择硝酸银配制成10 mmol∙L-1的滴定液，滴定终点为溶液显橙黄色。同时用空白实验对滴定结果进行校正，每消耗1 mL的滴定液就相当于氯化钾0.745 5 mg，计算每片在不同时间的释放量[8]。

环戊噻嗪：取本品6片，参照《中华人民共和国药典》2010版附录中释放度测定法进行测定。选用药典附录中溶出度测定的装置，以0.1 mol∙L-1盐酸500 mL为溶剂，转速定为50 r∙min-1，在45 min时取25 mL溶液，过滤备用，与此同时补充同温、同体积的水（30 s之内完成操作）。精密量取上述续滤液10 mL置于20 mL量瓶中，加甲醇稀释至刻度，摇匀，取20 μL溶液，将其注入到高效液相色谱仪中，并记录图谱；精密称取适量环戊噻嗪对照品，用甲醇溶解后稀释成12.5 mg∙L-1的溶液，按上述方法测定，用外标法以峰面积定量计算。

本实验中，由于复方药物中氯化钾为缓释部分，骨架材料的用量、包衣液的比例以及包衣增重对其溶出影响较大，而环戊噻嗪作为速释部分，且添加于包衣液中，上述三种因素对其溶出影响较小，在实验设计中，以氯化钾的释放量为考察点，进行对比及模型拟合。

2.3 处方优化

2.3.1 实验设计与结果

本实验首先对“2.1.1”条中的基本处方进行了单因素考察，考察后发现，对缓释部分释放曲线影响较大的有三个因素，分别为：骨架材料的用量、包衣液中聚合物的比例及包衣增重。根据以上三个因素，选取了适当的优化范围，确定初步优化处方，即：片芯为氯化钾450 g、Eudragit RS PO 30 g及不同量、体积分数为50%的PEG6000 30 g、硬脂酸镁3 g、乙醇适量、水适量。包衣液为环戊噻嗪125 mg、Eudragit RS100 15 g及不同量、Eudragit RL100 15 g及不同量、柠檬酸三乙酯（TEC） 6 g、滑石粉15 g、体积分数95%乙醇适量，初步确定包衣增重为2.0%～3.0%。

选择对药物释放度影响较大的骨架材料Eudragit RS PO的用量（1）、包衣液中EudragitRS100与Eudragit RL100 质量比（2）以及包衣增重(3)三个因素对处方进一步优化，选择1、2、3三个因素作为自变量，采用效应面设计法中Box-Benhnken的中心组合设计原理，以1、2、3三个因素为自变量，因素水平见表1，测定每个试验条件下所制备缓释片的释放度，计算自制与市售制剂的溶出曲线相似因子（2），以相似因子为响应值，试验结果见表2。

Table 1 Standardized code and levels

To be continue

Table 2 The experimental design of central composite design

Continue table 2

No.XBB1BBXBB2BBXBB3BBfBB2BB 611060.31 701163.46 80-1-151.01 9-1-1047.21 10-10155.84 1110-156.86 1200062.34 1310165.58 1401-153.69 151-1055.96 1600062.34 1700062.34

2.3.2 模型拟合

应用Design-Expert 8.0.6软件对表2中的试验数据进行多元回归拟合，得到溶出曲线相似因子(2)对骨架材料Eudragit RS PO的用量（1）、包衣液中EudragitRS100与Eudragit RL100 比例（2）以及包衣增重(3)的多元回归方程模型：

2=62.34+3.781+2.792+3.23-0.4512+1.2313+1.6223-3.0912-5.0422-1.6832。

其中，1、2、3分别为以标准代码表示的因素水平。

对回归模型进行方差分析，结果见表3。

Table 3 Analysis of variance

2.3.3 优化分析

效应模型的效应面及等高线可直观反映各试验因素间的两两交互作用对溶出曲线相似因子的影响。根据回归模型方程，将骨架材料Eudragit RS PO的用量（1）、包衣液中EudragitRS100与Eudragit RL100 比例（2）以及包衣增重(3)对溶出曲线相似因子(2)的影响绘制成等高线图及三维效应面图（图1）。

A—The effect of the quantity of the coating ratio and skeleton material;—The effect of the quantity of coating weight and skeleton material; C—The effect of the quantity of coatingweight and the coating ratio

由图1可知，各个因素中对溶出曲线相似因子影响的大小顺序为：包衣增重>骨架材料用量>包衣材料的比例。骨架材料的用量与包衣材料的比例之间以及包衣材料的比例与包衣增重之间的交互作用较为显著，表现为曲面较为突出，而骨架材料用量与包衣增重的比例之间的交互作用不明显，表现为曲面较平缓。

2.3.4 最优化处方的确定

通过Design-Expert 8.0.6软件对数据的分析，得到最优化处方为骨架材料Eudragit RS PO用量的质量分数为6.78%、包衣液中EudragitRS100与Eudragit RL100 质量比为52∶48，包衣增重为3%，按最优处方预测响应值2为66.707 6。结合实际放大生产考虑，衣膜太薄在生产过程中容易导致包衣不均匀或者衣膜破损导致突释，综合软件数据分析及实际生产考虑最终确定最优处方为骨架材料用量6.78%，包衣液中聚合物的质量比52∶48，包衣增重3%。

2.4 最优处方的考察

2.4.1 批内释放均一性试验

按最佳处方制备三批氯化钾环戊噻嗪缓释片B1、B2、B3，分别取同一批的缓释片6片，平行测定其释放度，进行释放度均一性考察，结果见图2～4及表4。

●—T1; ●—T2; ●—T3; ●—T4;●—T5; ●—T6

●—T1; ●—T2; ●—T3; ●—T4; ●—T5; ●—T6

●—T1; ●—T2; ●—T3; ●—T4; ●—T5; ●—T6

Table 4 Release rate of the Extended-release tablets of cyclopenthiazide in B1,B2 and B3

结果表明，三批缓释片中的批内释放均一性良好，且环戊噻嗪45 min的释放度均在85%以上，达到速释效果。

2.4.2 工艺重现性试验

按最佳处方制备三批氯化钾环戊噻嗪缓释片B1、B2、B3，依照释放度测定法分别测定其体外释放度，其释药曲线见表5及图5。

Table 5 Release rates of the extended-release tablets of cyclopenthiazide in B1, B2 and B3

结果表明，三批缓释片的批间释放均一性良好，环戊噻嗪环戊噻嗪45 min的释放度均在85%以上工艺可以稳定重现。

●—B1; ●—B2; ●—B3

2.4.3 自制样品与市售制剂的释药行为对比

将自制样品（缓释部分）与市售制剂补达秀依照释放度测定法分别测定其体外释放度，其结果见图6。

结果表明，自制样品（缓释部分）与市售制剂补达秀的释放曲线相似，缓释片的释药行为较好。

●—Self-made; ●—Marketed

表6 自制缓释片与市售缓释片的释放度

3 讨论

a. Eudragit RS与Eudragit RL系列辅料在水中不溶，但能溶胀，在包衣中形成孔道。Eudragit RS的孔道直径为0.1～0.6 μm，渗透性和溶胀性较小；而Eudragit RL的孔道直径为1～5 μm孔，渗透性和溶胀性较大。Eudragit RS与Eudragit RL配合使用，通过调节两者的比例，能够调节包衣制剂的释药速率，从而可达到理想的释药效果。

但是由于本实验的模型药物之一的氯化钾极易溶于水，一旦在包衣过程中出现包衣不均匀或者衣膜不完整现象便会导致药物的突释，单纯的依靠包衣材料达到缓释效果对包衣操作要求比较严格，不利于工艺的控制。曾有文献报道可以采用水溶性包衣工艺来制备氯化钾缓释片[9-10]，但是查阅文献后发现，水溶性包衣材料黏性较大，容易发生衣膜粘连，从而导致衣膜不完整或者包衣不均匀，导致药物突释，药物的释放速率得不到良好的控制。经查阅相关文献，发现有文献中表示可以采用骨架和膜控相结合的方式对药物的释药行为进行控制，起到双保险的作用，虽然应用成本较单纯的膜控技术高一些，但从长远的大规模生产角度及药物质量的稳定性考虑，采用这种方式仍是比较理想的选择。

b. 本实验处方中氯化钾为缓释部分，环戊噻嗪为速释部分，所以在处方优化实验设计中选择的三个因素，即骨架材料的用量、包衣液的比例、包衣增重对缓释部分有较为显著的影响，因此在实验设计模型拟合中以缓释部分氯化钾的释放度作为考察基准，来对处方进行进行优化设计。作为速释部分的环戊噻嗪几乎不受骨架材料、包衣材料及包衣增重的影响，结合其临床研究，考察其45 min时的释放度即可。

c. 本实验采用响应面设计法（RSM）中优化法对缓释片处方进一步优化。在响应面优化法中目前最常用的为星点设计（CCD）和Box-Behnken（BBD）优化法，Box-Behnken优化法是一种基于三水平的二阶实验设计方法，采用多元回归方程拟合因素和响应值之间的函数关系，通过回归方程的分析获得最优处方。该方法适用于3～7个因素内的试验，与CCD优化法相比试验次数少，不需要多次的连续试验，且不出现所有因素水平都处于极值的实验条件，因此在实验操作时不会超出预期的范围。而以往试验中采用的正交试验设计，仅限于各因素的均匀水平点进行实验组合，无法建立数学模型，也无法看出因素对结果的直接影响。而在响应面设计法的三维图形中，等高线图的形状为椭圆形是交互作用显著，而为圆形时交互作用不显著。在图1A中，包衣液的比例与骨架材料的比例交互作用显著，从三维立体图中可以看出，2值最大时，包衣液比例（2）介于0～0.5水平，骨架材料的用量（1）介于较低水平-0.5～0，对比表1中，即当包衣液质量分数在50%~52.5%较高水平内波动时，骨架材料用量的质量分数在5.5%~6%较低水平内变化。在图1B中，包衣增重与骨架材料的比例交互作用不显著，从三维立体图中可以看出，当2值最大时，骨架材料的用量（1）从0.5增至1水平，包衣增重（3）仍处于0.5左右。在图1C中，包衣液的比例与包衣增重交互作用显著，从三维立体图中可以看出，当2值最大时，包衣液比例（2）介于-0.5～0水平，包衣增重（3）介于较高水平0～0.5，对比表1中，即当包衣液质量分数在45%~47.5%较低水平内波动时，骨架材料用量的质量分数在2.5%~2.75%较高水平内变化。

Box-Behnken优化过程中，通过软件对拟合度、信噪比、回归方程的分析对实验进行分析，得到最优方案。通常使用的软件有Minitab、SPSS、SAS、Design-Expert 等，本实验中采用Design-Expert软件对数据进行处理，该软件操作简单、结果直观，是数据分析处理中的首选。

以氯化钾与环戊噻嗪复方为模型药物，采用Box Behnken响应面法优化后，制得的缓释片释放行为控制的较好，收率较高，片子外观光滑，能够达到预期的缓释效果。

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Optimization of prescription of potassium chloride cyclopentazide sustained-release tablets by the Box-Behnken central composite design

WANG Mengnan, LI Yan, LI Yan, WU Jingjing, SHI Kai*

(of,,110016,)

To control the release behavior of potassium chloride cyclopentazide sustained-release tablets by skeleton materials and coating membrane, and to screen the optimizing prescription by using the Box-Benhnken central composite design principle.Eudragit RS PO was used as the skeleton material to prepare the core, and Eudragit RS100 and Eudragit RL100 were mixed by a certain proportion to prepare the coating material. The optimal prescription is determined by using the design expert software to process data.The dosage of Eudragit RS PO was 6.78%, and the proportion of Eudragit RS100 and Eudragit RL100 was 52∶48, and the coating weight was increased by 3%.The combination of skeleton material and coating membrane can effectively control release rate of the potassium chloride cyclopentazide sustained-release tablets, and the optimal prescription screened by the Box-Behnken central composite design principle can achieve the expected effect.

pharmaceutics; controlled-release preparation; Box-Benhnken; potassium chloride cyclopentazide; optimiza prescription; skeleton material

2018-04-08

王梦楠(1987-), 女(汉族), 辽宁沈阳人, 本科, 学士, 主要从事药剂学研究, Tel. 15940519085, E-mail 261239232@qq.com;

石凯(1977-), 男(汉族), 辽宁沈阳人, 副教授,硕士生导师, 主要从事药剂学研究, Tel. 024-43520557, E-mail 20009596@qq.com。

（2018）04–0059–10

10.14146/j.cnki.cjp.2018.04.001

R94

A

(本篇责任编辑：赵桂芝)