药物多晶型转变因素的研究进展

陈 建

(天津市药品检验研究院，天津 300070)

最早发现的多晶现象是1798年克拉普罗特发现的方解石和文石的组成都是碳酸钙，从此多晶型开始走进人们的视线。物质在结晶的过程中，各种外界以及内部因素的影响使得分子内或分子间键合方式改变，造成了分子或原子在晶格空间上排列不同，从而形成不同分子结构，即同一种物质具有两种或两种以上的晶格空间排列方式或晶胞参数，形成多晶型的现象被称为多晶型现象[1]。药物多晶型在18世纪20年代进入人们的视线，到上世纪60年代后对其研究才迅猛地开展。Mc Crone在1965年提出了关于多晶型最知名的定义：“A型多晶型物是由固体状态的该化合物分子的至少两种不同排列可能性所导致的给定化合物的固体结晶相”[2]，即指具有两种以上分子排列方式的固体结晶相。制剂中药物存在包括多晶型和无定型状态，以及溶剂化物和水合物(假多晶型)4种物理状态。晶体状态时，分子在晶格中具有不同的排列和构象，可细分为稳定态和亚稳态;无定形态分子无规则排列，晶格不能确定。化合物不同晶型会有着不同的物理化学特性，会影响药物制剂的安全性、有效性。所以多晶型药物研制时，必须进行合理科学的选择。药物的晶型不同，其在体内的溶出和吸收情况也会有一定差异，进而影响药物的生物利用度、疗效以及稳定性、有效性和安全性。药物多晶型中亚稳定型大多比稳定型具有更好的溶解度、溶出速率及生物利用度，但亚稳定型自由能大、不稳定，因此生产中需要设法控制固体制剂中的亚稳定型。在将多晶型药物研制成固体口服制剂时，考虑药物晶型的影响，选择一种在临床上有治疗价值且稳定可控的药物晶型是十分重要的。目前，国内对药物多晶型的研究越来越重视，在新药申报中也早有体现。本文就多晶型研究的意义，影响多晶型转变因素的研究进展进行概述总结，并简单提及了目前多晶型制备方法、表征分析方法的研究情况。

1 药物多晶型研究的意义

1.1多晶型对药物表观溶解度和溶解速率的影响 不同晶型药物的分子晶格空间排列不同，故溶解度和溶出速率也可能存在相应差异。由于溶解作为药物吸收进入人体发挥作用的第一步，因此目前对不同晶型与药物溶解度关系的研究引起了广泛的关注。林青等[3]对比了埃索美拉唑镁盐4种晶型的溶解度，结果发现在水体系中溶解度依次为晶型Ⅱ>晶型Ⅲ>晶型Ⅰ>晶型Ⅳ，4种晶型表现出了明显的溶出速度差异。胡帆等[4]检测甲磺酸多沙唑嗪的两种晶型样品在6种溶媒系统中(0.1 mol/L盐酸溶液、pH为4.5的醋酸缓冲液、pH 为6.5的磷酸缓冲液、水、0.2%SDS溶液和0.5%SDS溶液)溶解度，发现晶H型溶解含量百分比均高于晶A型。张燕等[5]筛查制备出阿达帕林4种晶型样品(晶型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)，并在6种不同pH值的溶媒系统中(0.1 mol/L盐酸溶液、pH为4.5的醋酸缓冲液、pH 为6.5的磷酸缓冲液、水、0.2%SDS溶液及0.5%SDS溶液)进行溶解性试验，最终发现晶型Ⅳ溶解速率和溶解度最高。张燕等[5]利用不同的晶型筛查方法，筛查并制备出药物阿达帕林(用于寻常型痤疮的皮肤治疗)4种不同的晶型样品，并在6种不同pH的溶出介质中进行了溶解度的比较。研究发现，晶型Ⅳ(无定形)表现出最佳的溶解性，并与Ⅰ、Ⅱ晶型存在很大的差异。此结果也同时证明药物的无定型态可以较大程度提高药物的溶解性，说明在固体制剂中固体分散体技术是能够显著改善难溶性药物的溶解性和溶解速率的有效策略。Zhou等[6]通过缓慢蒸发甲醇法发现了琥珀酸美托洛尔的新型多晶型(Ⅱ型)，热稳定性试验证明了其是亚稳态晶体形式，经过长时间的高温和高湿度处理后，将会逐渐转变为Ⅰ型。虽然Ⅱ型是亚稳态晶体形式，但与Ⅰ型相比，显示出更好的溶解性，使其成为用于药物生产的潜在药物活性成分。陈菲菲等[7]对盐酸厄洛替尼A 晶型、B 晶型所制备的片剂在4种不同的溶出介质中的溶解度和溶出速率进行对比后，结果发现A晶型相对于B晶型有更好的溶解度，尤其是在枸橼酸-磷酸氢二钠缓冲液中，两种晶型表现出显著溶出速度差异。

1.2多晶型对药物稳定性的影响 药物多晶型可分为低能态的稳定型、高能态的亚稳定型以及无定型。不同晶型中内部分子间作用力不同，晶格排列和晶格能都有差异，因此药物的稳定性也有着较大差异，因此药物宏观表现出来的稳定性也存在很大差异。刘松等[8]对盐酸绿卡色林进行测试分析研究其稳定性，实验发现晶型稳定性排序为晶型Ⅲ>晶型Ⅰ>晶型Ⅱ，晶型Ⅲ在一些恶劣条件下依然能保持晶型。利托那韦临床上用于治疗HIV-1感染，据研究表明，其在水和乙醇的混合物中，亚稳态形式比稳态形式Ⅱ多5倍以上。迄今分离出的5种多态性形式，Ⅱ型是其中稳定的形式[6]。达鲁那韦(DAR)是一种在全球广泛使用的合成抗逆转录病毒药物，是HIV治疗的重要组成部分，但商品形式的DAR乙醇化晶体在不同的环境条件下会出现不同的伪多晶型并相互转化。Correa J等[9]研究发现，未经包装的DAR片剂晶体结构发生了变化，而保存在初级包装内的片剂保持完整的晶体结构。因此，DAR产品包装材料的选择以及与外界环境的隔离效果对于其晶型的稳定型保持有很大的意义。AO Surov等[10]研究了环丙沙星与马来酸药物盐的多晶型。发现马来酸环丙沙星存在3种多晶型和一种水合物，并且利用单晶X-射线衍射鉴定各种晶型结构时发现，晶型Ⅰ和晶型Ⅱ的晶体结构存在显著差异；同时，稳定性试验结果表明，晶型Ⅰ是热力学最稳定的，其次是晶型Ⅱ，而晶型Ⅲ是最不稳定的结构。

1.3多晶型对生物利用度的影响

1.3.1同一药物不同晶型对生物利用度有显著影响 多晶型会影响药物在体内的溶出、扩散、吸收，药物体内代谢过程会受到影响，进而会对药物的生物利用度产生一定影响。刘传荣[11]通过研究5种瑞巴派特晶型药物，包括(HReb)(CH3NH2CH3)[(CH3)2CHOH]、Na2(H2O)4(Reb)、H2Reb·CH3OH、HReb-CH3和H2Reb·(DMSO)2。之后进行体外溶出度试验,发现Na2(H2O)4(Reb)、H2Reb·CH3OH和HReb-CH3溶解度有明显提高,同时大鼠体内的H2Reb·CH3OH和HReb-CH3生物利用度提高至1.39和1.90倍。尼莫地平(nimodipine)是一种多晶型化合物，又已知多晶型物会引起药物化合物溶解性和生物利用度的显著差异。例如，Wang等[12]通过X-射线粉末衍射(XRPD)和示差扫描量热分析法(DSC)分析Nim-Ms、Nim-Ns、Nim-MBT和Nim-NBT中Nim的晶型，研究Nim多晶型转化过程，并探索了Nim-MBT和Nim-NBT在5种不同培养基中的体外溶出及其在兔中的口服吸收能力。结果发现，在所有的溶媒中，Nim-NBT的药物释放速度都高于Nim-MBT，且家兔口服Nim-NBT的生物利用度为口服Nim-MBT的约1.41倍。Rosa Pireddu等[13]发现两种不同双氯芬酸晶体的溶解和吸收存在很大差异，表观生物利用度也有所不同，Rosa Pireddu将两种不同的晶体形式制成纳米晶体制剂，并研究其改善皮肤药物生物利用度的能力，结果显示晶体尺寸和类型都会对药物溶解度有极大影响，通过改变这两者可以显著提高药物的皮肤沉积和渗透作用。

1.3.2同一药物不同晶型对生物利用度无显著性影响 一般晶型对难溶性药物比易溶性药物生物利用度的影响大，而多晶型药物不同晶型的生物利用度也未必存在很显著的差异，如法莫替丁和西咪替丁。例如法莫替丁的药物制备工艺条件的不同导致产生Ⅰ、Ⅱ两种晶型，Ⅰ晶型较为稳定，熔点略高于Ⅱ晶型，但溶出度较Ⅱ晶型差。经王长虹等[14]研究发现，虽然法莫替丁两种晶型的性质差别很大，但其生物利用度及疗效差别并不明显。原因在于法莫替丁分子结构中带有碱性极强的胍基，两种晶型在酸性胃液中都能够迅速溶解成为溶液状态，故晶型所带来差异几乎无法体现出来，故法莫替丁的Ⅰ、Ⅱ两种晶型对其生物利用度无显著性影响。

1.4多晶型对药理活性的影响 多晶型药物之间各种理化性质上存在的差异可能会导致药物药理活性上的不同。例如，Bai等[15]研究对比了甲苯咪唑(MBZ)3种不同的多晶型物(A型、B型和C型)的脑渗透性和疗效。通过研究对比3种晶型药物在GL261和D425模型中的脑部药物浓度、作用毒性以及存活率，发现晶型A没有活性，晶型B虽然有一定的活性，但是表现出较强的毒性；而在MBZ多晶型物中，晶型C可以达到脑组织中治疗的有效浓度，且副作用较小，是治疗中更好的选择。

2 影响多晶型转变因素

药物多晶型会影响到药物的稳定性、溶出速度、生物活性与有效性等性质，而其本身会受到自身及外界因素影响，会发生晶型的转型，因此需要细致考虑处方中各成分、溶剂以及制剂过程会对其产生的影响，以此控制好转型条件。

2.1溶剂 溶剂的种类和浓度等都会对于转晶过程产生不可忽视的影响。于红琴[16]以卡马西平(CBZ)为研究对象,对CBZ的结晶工艺和多晶型现象进行了深入的研究,实验过程中得到两种晶型：晶型Ⅱ(亚稳型)和晶型Ⅲ(稳定型)，结果在乙醇中较低的初始浓度和较快的降温速率有利于亚稳晶型Ⅱ的生成，溶剂通过氢键作用影响CBZ晶型。Maher等[17]研究了在7种不同溶剂条件下，吡拉西坦晶型Ⅱ向晶型Ⅲ转变的过程，发现溶剂的选择对吡醋胺介导的从晶型Ⅱ(FⅡ)(6.403)到FⅢ(6.525)转化速率有很大的影响，其可以改变诱导和转化时间。从总体趋势观察，吡拉西坦在溶剂中的溶解度越高，在该溶液中的转化速率越快，而2-丙醇不符合这一趋势，吡拉西坦在2-丙醇中的溶解度高于丙酮，但转化速度较慢，因为在溶质和溶剂分子之间存在较强的相互作用，从而延迟FⅢ(6.525)的成核和生长过程来降低该溶剂中的转化速率；1-丙醇的数据符合所概述的趋势，表明醇基在溶剂分子碳链上的定位导致不同的溶质-溶剂相互作用。

2.2研磨 研磨是通过物理因素增大药物粒子比表面积和溶出度，改变多晶型为非定型或亚稳定型。Tao等[18]选择难溶性药物盐酸非那吡啶PAP作为模型药物，采用液体研磨法研究两种无水晶型的PAP晶体之间的转化。晶型Ⅱ是由正己烷加入后10 Hz频率磨10 min制得。当球磨时间和球磨频率增加时，Ⅱ型晶体将转变为Ⅰ型晶体。替米沙坦是治疗高血压的药物。陈佳星[19]研究了替米沙坦两种晶型在不同研磨时间下的变化。同样得到无定型态，晶型A需要研磨120 min，晶型C则只需要磨30 min。同时晶型C在165 ℃研磨30 min，干燥12 h可得到晶型A。

2.3搅拌 Sypek[20]研究了搅拌对在无水乙醇中结晶的卡马西平(CBZ)于冷却结晶期间多晶型转化的影响，发现搅拌是控制CBZ多晶型最重要的控制因素。在静态条件下，最初出现了一些亚稳态三角α形式(晶型Ⅱ)的大晶体，后缓慢转化为稳定的P-单斜晶β型(晶型Ⅲ)。在充分剧烈的搅拌下，溶液浊度慢慢地增加，这是由于形成了大量的Ⅲ型棱形晶体。使用重结晶CBZ制备溶液后，在搅拌条件下观察到较短的结晶诱导时间：最初形成大量Ⅱ型针状晶体，溶液显示最初浊度，然后相对快速地转化为Ⅲ型的小晶体，浊度明显增加。

2.4干燥 干燥是综合湿度及温度双重影响，在特定转变温度下，所有原子转变成高能态，具有能越过转变阻抗能阈的热能，使得晶型转变，而湿度会影响到晶型结构组成。不同湿度或温度会对晶型造成不同程度的影响，所以在干燥时需要综合考虑。

2.4.2温度 严小红等[23]对氟康唑多晶型转变因素进行了研究，实验中将一水合物样品、晶型Ⅱ样品分别置于不同梯度温度烘箱中放置3 h后测定红外和近红外光谱。结果在40 ℃的条件下，两种样品的IR和NIR光谱未发生变化；同样在不同梯度温度条件下晶型Ⅱ样品的光谱未发生变化，而一水合物样品的光谱则存在差异，结果与Ⅱ型样品的IR和NIR光谱相同；180 ℃条件下，两种样品的IR和NIR光谱均发生一致性变化，经测定核磁氢谱，采用XRD、RM、DSC和TGA，经射线粉末衍射图和红外光谱图比对，发现两种样品经高温相变得到了晶型Ⅰ，结果证明，在60～160 ℃的条件下一水合物氟康唑可转化为晶型Ⅱ，180 ℃条件下一水合物和晶型Ⅱ可转化为晶型Ⅰ，实验结果有力证明了温度对于多晶型的影响。

2.5药用辅料 Watanabe等[24]研究了在辅料如脂肪酸或脂肪酸酯的加热下克拉霉素(CAM)亚稳态晶型Ⅰ到稳定晶型Ⅱ的转变过程。差示扫描量热法分析表明，当晶型Ⅰ与添加剂一起加热时，晶型Ⅰ的相变温度降低到添加剂熔点附近；粉末X-射线衍射分析表明，在加入辅料时，在晶型Ⅰ转变成晶型Ⅱ期间存在暂时的非结晶组分。对于硝苯吡啶B型和卡马西平Ⅲ型晶体，也观察到在存在添加剂时转化温度的降低。陈芊茜[25]考查了13 种药用辅料的晶型及对硫酸氢氯吡格雷晶型稳定性的影响，这些结果表明，辅料的使用在晶体变型过程中有很大的影响。

2.6电喷物的影响 Maija等[26]在实验中，将吡罗昔康溶解在氯仿中，并将溶液静电雾化，随后将带电液滴中和并干燥。收集固体药物颗粒后，通过扫描电子显微镜、X-射线衍射、差示扫描量热分析法，以及红外和拉曼光谱法进行分析。发现电喷雾吡罗昔康颗粒的X-射线衍射图与任何已知的吡罗昔康晶体结构不匹配，结果表明，电喷雾产生了吡罗昔康的新型多晶型物质。

2.7固体制剂工艺的影响 晶型易受到温度、压力、相对湿度的影响，因此在制剂工艺的粉碎、制粒、干燥、压片、包衣等操作过程及贮存过程中易发生晶体转变，进而影响药物的溶出度及生物利用度[27]。研磨是粉碎中常用的手段之一，研磨过程中产生的高温易诱导晶型转变。通常在较低的温度下研磨药物使之趋向于生成非晶型，而在高温下研磨易生成亚稳型或是稳定型；制粒过程常用的湿法制粒所引入的溶剂易与药物形成溶剂化物从而改变药物晶型，因此在制粒过程中需要加强监控，避免晶型转变对药物疗效的影响；药物在干燥过程中易发生晶型转变，如溶剂化物在干燥过程中易失去溶剂分子或结晶水；压片过程中，由于外界压力的影响，使得药物发生晶型转变，因此需注意调节适当的压力进行压片；在包衣过程中，薄膜包衣一般不会发生晶型转变。

3 多晶型制备方法

在多晶型的制备过程中，可以利用重结晶法(目前最为常用的制备方法)、喷雾法、深度研磨法和熔融法借助外部能量或条件变化使晶格的排列方式、堆砌方式发生改变，从而引起晶体结构的变化，最终可能获得不同的晶型等[28]。不同的方法对不同的单晶培养合成有着各自的优势，此处主要介绍常用的制备方法-重结晶法[29]。重结晶法主要分为溶剂蒸发法、种晶法和降温法。

3.1溶剂蒸发法 又称为溶剂挥发法，是制备方法中最便捷的方法，适用于对温度、 湿度等环境条件不敏感的药物。主要是选择适宜的溶剂溶解药物制得过饱和溶液，在适宜环境下静置。随着溶液中溶剂蒸发的过程，溶液中的晶核也在不断地生长。最后不同类型的晶型物质可根据溶剂种类、环境温度和溶剂挥发速率等条件的不同而得到。

3.2种晶法 首先制备药物过饱和溶液，在长时间的放置过程中仍然无晶核生成的现象，即可通过向溶液中加入某种特定晶型的晶种(也可是先期获得的)，经过缓慢的晶体生长过程，最后制得特定晶型的物质。

3.3降温法 此法适用于溶解度随着温度显著变化的药物。选择适宜的溶剂将药物溶解，设置合适的起始温度(50～60 ℃为宜，保证样品不会受热变化)，按照一定的梯度严格降低温度，样品的溶解度随温度的降低而降低，从而达到过饱和析出晶体，由于溶剂种类和降温速率等不同， 最终可制备获得不同的晶型物质。

4 多晶型表征分析方法

4.1差示扫描量热分析(DSC) 一种热分析法，需要借助差示扫描量热仪。其是在程序控制温度下，测量输给试样和参比物的功率差(如以热的形式)与温度的关系，通过差示扫描量热仪记录出DSC曲线，以样品吸热或放热的速率即热流率dH/dt为纵坐标，以温度T或时间t为横坐标，而后通过曲线解析可以测定结晶速率、高聚物结晶度等[30]。

4.2X-射线衍射法 此法需要借助于粉末衍射仪来测定相应的晶型数据。目前常用的主要有粉末X-射线衍射(PXRD)、粉末A1射线衍射和单晶X-射线衍射法(SCXRD)以及测定效果优化的双晶衍射法等。

4.3热重分析(TG) 热重分析(TG或TGA)是指在程序控制温度下测量输入样品的质量(m)与温度变化(T)关系的一种热分析技术，可用于测定晶型以及结晶速率等[31]。

4.4显微分析法 此法是将样品置于如VHX 700FC数码显微系统上或借助扫描电子显微镜等设备，通过肉眼观察晶型结构。

4.5光谱分析法 主要有拉曼光谱分析，红外光谱分析等。

4.6软件辅助分析 如今，将各种检测技术同辅助软件结合，利用特定的分析模型如BFDH模型和AE模型，能获得更形象、更准确的数据及图像。常用的模拟分析软件有Materials Studio、MD、VASP、Cerius2等[32]。

5 小结

综上所述，药物多晶型的研究值得人们进一步探索和研究，可以通过探索不同晶型与药物活性、疗效及生物利用度之间的关系，从而挖掘其在药品的生产、储藏和应用中所存在的巨大价值，为新药研发提供方向。但目前国内对于多晶型的研究大多局限于药物新晶型的发现和表征上，并未对晶型带来的药物活性以及理化性质的差异做更多较为深入的研究；而现有的对于多晶型的制备以及相转变条件的控制也需进一步探索和明确。另外，现在还只能依靠软件模拟分析有关多晶型中分子性质，缺乏更准确的测定分析方法和技术。但随着科技的进步以及研究的不断深入，人们对多晶型的认识定会到达更新的层面，而多晶型的研究必定会有力地促进药学和材料学等相关领域创新性发展。