热熔挤出法制备吲哚美辛共晶及其溶出度研究

陈佳慧，平其能，孙敏捷

(中国药科大学药剂学教研室，南京 211198)

药物共晶(drug cocrystal)是指药物活性成分(active pharmaceutical ingredients，API)与共晶配体按照一定的化学计量比，通过氢键、π-π堆积或范德华力等非共价键结合而成的晶体，是一种不同于盐、多晶型和溶剂化物的新固体形态[1]，可有效提高药物的溶解度、溶出度[2]、生物利用度[3-4]和稳定性[5]。对于难溶性药物而言，药物共晶是提高其溶解性的一个极具潜力的方法。

吲哚美辛(indomethacin，IND，图1)是一种临床上主要用于治疗急性风湿性和类风湿性关节炎的非甾体抗炎药，油水分配系数(lgP)4.10，在水中几乎不溶，属于BCSⅡ类药物[6]，常用的γ晶型(稳定型)的熔点为158～162 ℃。近年来，陆续有研究者采用共晶手段提高吲哚美辛的溶解度，已发现的共晶配体有糖精、扁桃酸、乳酰胺和苯甲酰胺[7]等，以及一些小分子药物如烟酰胺、咖啡因[8]和卡马西平[9]等。吲哚美辛的羧酸基团烟酰胺中的酰胺基团存在氢键的相互作用[10]，形成的共晶被收录于剑桥晶体数据库(Cambridge crystal database，CSD)，CCDC号为926162。烟酰胺(nicotinamide，NA，图1)的熔点为128～131 ℃，在水中易溶，并且有研究发现烟酰胺能明显减轻吲哚美辛引起的胃部损伤[11]，因此本研究选择烟酰胺作为吲哚美辛的共晶配体。

目前，共晶技术面临的重要难题是如何将制备规模放大。热熔挤出法(hot melt extrusion，HME)是近年来在制药工业领域兴起的新型无溶剂制备方法。该方法具有无粉尘、可连续生产、易于放大和绿色环保等优点[12]，与传统的共晶制备方法如溶剂法、研磨法和熔融法相比，实验及生产设备配套成熟，工业化连续生产的潜力更加突出。此方法在制备共晶方面还处在前期的工艺摸索和优化阶段，文献报道的案例较少[13-15]。由于热熔挤出是一个高温高剪切的过程，温度的设置和配体的选择都会影响药物的热稳定性[16]，因此对于不同的药物或药物与配体的组合，需单独考察工艺的可行性。

制备吲哚美辛-烟酰胺共晶的方法有溶剂法、微波加热法[17]和熔融冷却法[18]，未见热熔挤出法的报道。因此本研究的目的是以溶剂法为对照考察热熔挤出法制备吲哚美辛-烟酰胺共晶的可行性，评价共晶在溶解度和溶出度方面的优势。

Figure1 Structures of indomethacin (IND) and nicotinamide

1 材 料

1.1 药品与试剂

吲哚美辛(晶型γ，纯度99%，武汉远成共创科技有限公司)；烟酰胺(纯度99%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)；甲醇(色谱纯，上海星可高纯溶剂有限公司)；磷酸(纯度85%，南京化学试剂股份有限公司)；其他试剂均为市售分析纯。

1.2 仪 器

ZE-16双螺杆热熔挤出机(ATS工业系统有限公司)；Q500热重分析仪(美国TA Instrument公司)；BX53热台偏振光显微镜(日本Olympus公司)；Netzsch DSC 204 F1 Phoenix差示扫描热分析仪(德国Netzsch公司)；Nicolet Impact 410型红外光谱仪(美国Thermo Fisher Scientific公司)；D8 Advance X射线衍射仪(德国Bruker公司)；TDP型单冲压片机(上海天祥健台制药机械有限公司)；ZRS-8G溶出仪(天津市天大天发科技有限公司)；紫外分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司)；高效液相色谱仪(日本岛津仪器公司)。

2 方 法

2.1 制备方法

2.1.1 溶剂法 称取化学计量比为1∶1的吲哚美辛(1.465 g)和烟酰胺(0.500 g)，将吲哚美辛均匀分散于烟酰胺饱和的乙腈溶液中，室温下避光搅拌4 d，抽滤得到固体，45 ℃下真空干燥12 h，过80目筛后避光保存[7]。

2.1.2 热熔挤出法 称取化学计量比为1∶1的吲哚美辛(11.183 g)与烟酰胺(3.817 g)，过筛混合均匀，作为物理混合物。热熔挤出机的螺杆示意图及其模块分布如图2所示，模块1～6(Zone 1～6)代表6个可设置的温度区域，依次执行喂料、传输、熔融混合、输出的过程，各个模块的温度数值根据过程需要设置。本研究中模块1～6的温度设置如表1所示，转速为10 r/min，待温度稳定10 min后将物理混合物缓慢加入到挤出机中，将挤出物研磨粉碎过80目筛，避光保存。以最佳温度组为温度条件，提高转速至30 r/min，其余制备条件与温度组相同。

Figure2 Illustration of screw configuration

Table1 Temperature profiles across the different zones of the extruder barrel

CodeZone 1Zone 2Zone 3Zone 4Zone 5Zone 6T 97909797979085T 11090100110110110100T 11590105115115110105T 12090110120120110100T 12590110125125110100T 14090110140140140140

2.2 热稳定性研究

2.2.1 热重分析法(TGA) 取适量样品置于托盘中，用热重分析仪进行检测，升温速率20 ℃/min，温度测定范围为30～200 ℃，氮气流速率50 mL/min。数据用OriginPro 2017处理。

2.2.2 热熔挤出前后吲哚美辛的含量测定 精密称定适量物理混合物和挤出物，稀释到适宜浓度后用HPLC测定含量。各组实验平行3次。

液相条件 色谱柱C18(Inertsil ODS-SP，5 μm，4.6 mm×150 mm)，流动相0.2%磷酸-甲醇(3∶7)，流速1 mL/min，进样体积50 μL，检测波长265 nm，柱温30 ℃。在此条件下吲哚美辛的保留时间约8.3 min，烟酰胺的保留时间约1.9 min，两者能完全分离。配制一系列质量浓度为0.04，0.2，1，5，25，125 μg/mL的吲哚美辛溶液，测定标准曲线为A=150 147c+10 312，r=1，表明吲哚美辛在0.04～125 μg/mL之间的线性关系良好。

2.2.3 热熔挤出物有关物质的测定 精密称定50 mg热熔挤出物置100 mL量瓶中，用甲醇溶解并稀释至刻度作为储备液，精密量取储备液5 mL，用50%甲醇稀释至25 mL，作为供试品溶液，精密量取供试品溶液1 mL，用50%甲醇稀释至 200 mL，作为对照品溶液。照《中华人民共和国药典》(2015年版二部)吲哚美辛有关物质项下的方法测定，比较供试品溶液杂质峰和对照品溶液主峰的峰面积。

2.3 固态表征

2.3.1 差示扫描量热分析(DSC) 将3～5 mg样品置于铝坩埚中，用差示扫描量热仪进行检测，升温速率为10 ℃ /min，温度测定范围为30～180 ℃。数据用OriginPro 2017处理。

2.3.2 热台偏振光显微镜观察(HSPM) 取适量物理混合物置于两片干净的圆形载玻片之间，置于显微镜下观察，升温速率为10 ℃/min，温度测定范围为25～170 ℃。

2.3.3 傅里叶红外变换分析(FTIR) 采用KBr压片法对样品进行处理，用傅里叶变换红外光谱进行检测，扫描范围为4 000～400 cm-1，扫描分辨率为4 cm-1。数据用Omnic 8.0处理。

2.3.4 粉末X射线衍射(PXRD) 采用Cu靶，波长为1.540 6 Å，管压40 kV，管流40 mA，步长0.02°，扫描速度为2°/min，扫描范围为2θ3°～40°。

2.4 溶解度的测定

称取适量的吲哚美辛、物理混合物和挤出物分别加入去离子水、pH 5.5和pH 6.8磷酸盐缓冲液10 mL，置于37 ℃恒温震荡器中，转速50 r/min，48 h 后取样并趁热过滤，取续滤液稀释到适当浓度，用紫外分光光度计在320 nm波长处测定吸收度，用外标法计算溶解度。各组实验平行3次。

2.5 特性溶出速率的测定

将吲哚美辛、物理混合物和共晶分别过80目筛，称取相同质量的粉末在相同的压力下压制成致密规整的药片，用融化的蜂蜡包裹药片四周和底部，照《中华人民共和国药典》(2015年版四部通则0931)第二法(浆法)装置，以pH 6.8磷酸盐缓冲液300 mL为溶出介质，温度为37 ℃，转速为50 r/min，控制未包裹蜂蜡的面朝上。吲哚美辛和物理混合物组于15，30，45，60，90，120，180，240 min取样5 mL，共晶组于45，60，90，120，150，180，210，240 min取样5 mL，并补充相同体积的介质。用紫外分光光度计在320 nm波长处测定吸收度，计算溶出度。各组实验平行3次。

2.6 溶出度的测定

照特性溶出速率测定装置，分别以去离子水、pH 5.5和pH 6.8磷酸盐缓冲液900 mL为溶出介质，温度为37 ℃，转速为50 r/min。称取吲哚美辛25 mg和相当于吲哚美辛25 mg的物理混合物和挤出物分别加入各溶出介质中。于5，10，15，20，30，45和60 min取样5 mL，用0.22 μm微孔滤膜过滤，并补充相同体积的介质。续滤液采用高效液相法(HPLC)测定。精密称定吲哚美辛对照品适量，加少量乙醇溶解并用溶出介质稀释制成每毫升中含50 μg吲哚美辛的溶液，同法测定，计算溶出度。各组实验平行3次。

3 结果与讨论

3.1 制备工艺

热熔挤出工艺的影响因素主要有温度、螺杆组成、螺杆数量、转速和给料速率等，其中温度是关键因素，影响工艺的可操作性和目标产物的质量[13，19]。为防止喂料口(模块1)堵塞，此处的温度应低于物料的最低熔点，将其设为90 ℃能顺利喂料。扭矩反映了机筒内螺杆转动力矩的大小，扭矩过大容易导致螺杆断裂，升高温度可降低扭矩。本研究采用以温度和转速为自变量，扭矩和产物熔点为考察指标，摸索最佳制备条件。不同温度组的扭矩、挤出物外观和熔点如表2所示。

Table2 Torque,outcome and melting point of different temperature profiles

CodeTorque/(N·m)OutcomeMelting point/℃T97Near the limitYellow fragile powder126-128T110Near the limitYellow fragile rods126-128T1152-10Yellow fragile rods126-128T1202-3Yellow sticky liquid123-125T1252-3Yellow sticky liquid123-125T1402-5Yellow sticky liquidTg 43

T97和T110两组的扭矩均接近限定值30，其中T97组全程没有熔融段，挤出物是黄色粉末；T110组在最高温度110 ℃处有熔融软化现象，物料呈半固体状，挤出物为黄色脆性颗粒，两组挤出物的熔点均为126～128 ℃，表明得到了新物质，但由于扭矩过大而不宜采用。T120和T125组挤出物均是黄色黏性液体，接触常温空气后迅速硬化，粉末熔点为123～125 ℃，与溶剂法共晶熔点(126～128 ℃)相差较大，可能是由于晶型或结晶度不同。T140组温度高于共晶熔点，且后段没有降温，物料以液体形式被挤出，遇空气后迅速硬化成固体，粉碎后在偏振光显微镜下观察没有双折射现象，表明产物呈无定形态(Tg 43 ℃)。T115组在最高温度115 ℃处物料完全熔融呈液体状，挤出物是熔点为126～128 ℃的黄色脆性颗粒，与溶剂法产物相似，且扭矩远低于限定值，因此选择T115组作为最优温度条件。由实验结果可知，最高温度应介于物理混合物和共晶熔点之间，整体温度设置呈“低-高-低”走势，使物理混合物熔融后再结晶成固体得到共晶。

转速的大小影响物料在机筒中的停留时间，在保证反应顺利进行的前提下，提高转速有利于提高生产效率，节约工业化生产成本。选择最佳温度组T115为温度条件，考察低转速(10 r/min)和高转速(30 r/min)对共晶的形成以及工艺条件的影响，实验结果如表3所示。

Table3 Torque,retention time and melting point of different rotate speed profiles

Rotate speed/(r/min)Torque/(N·m)Retention time/minMelting point/℃102-107126-128302-53125-127

两种转速下的产物熔点相似，说明高转速也能得到共晶。两组的扭矩均符合要求，但低转速的扭矩反而比较大，这可能是由于两组给药速率一致，低转速的物料在螺杆空隙中填充得更加紧实而导致的。转速越高，物料在机筒中的停留时间越短，效率越高。实验过程中发现，当转速提高到40 r/min时，螺杆剪切物料时会产生响声，但扭矩没有明显增大，这表明确定最高转速除了要考虑扭矩不能超标外，还需要考虑螺杆与物料之间的摩擦情况。综合以上结果，温度为90，105，115，115，110，105 ℃、转速为30 r/min是效率最高的制备条件。

3.2 热稳定性研究

3.2.1 TGA 对吲哚美辛、烟酰胺、物理混合物、溶剂法共晶和挤出物进行TGA表征，结果如图3所示。

吲哚美辛在200 ℃内稳定，烟酰胺、物理混合物和共晶分别在167 ℃、158 ℃和172 ℃开始分解，各物质的分解温度远高于热熔挤出的最高温度115 ℃，表明挤出过程的温度设定不影响各物质的稳定性。

Figure3 Thermogravimetric analysis thermograms for IND (a),NA (b),physical mixture (c) and IND-NA cocrystal prepared by HME (d)

3.2.2 挤出前后吲哚美辛的含量和挤出物有关物质的测定 为进一步考察挤出过程中吲哚美辛的热稳定性，测定了挤出前后吲哚美辛的含量和挤出物的有关物质。挤出前物理混合物中吲哚美辛的含量为(100.68±2.26)%，挤出后共晶中吲哚美辛的含量为(100±0.55)%，吲哚美辛在挤出前后含量未发生明显变化。有关物质实验表明供试品各杂质峰面积总和(15 465)小于对照品主峰面积(72 524)，符合吲哚美辛有关物质的要求，说明挤出过程未产生明显有关物质。

TGA、含量测定和有关物质测定结果均表明吲哚美辛在热熔挤出过程中热稳定性符合要求，热熔挤出技术适合制备吲哚美辛-烟酰胺共晶。

3.3 固态表征

3.3.1 DSC 对吲哚美辛、烟酰胺、物理混合物、溶剂法共晶和挤出物进行DSC表征，结果如图4所示。

吲哚美辛晶体在160.2 ℃处有唯一的熔融吸热峰，表明吲哚美辛是稳定的γ型。烟酰胺在128.6 ℃有1个熔融吸热峰。两者的物理混合物在104.2 ℃有1个宽熔融吸热峰，表明吲哚美辛与烟酰胺存在相互作用形成了低共熔物。溶剂法共晶128.0 ℃有尖锐吸收，挤出物在126.5 ℃有1个单一的熔融吸热峰，峰形尖锐明显，两者峰位与吲哚美辛、烟酰胺和物理混合物的熔融峰相比均不同。挤出物与溶剂法共晶相比，熔点相差1.5 ℃，这可能与两种方法得到的晶型或结晶度不完全一致有关。挤出物的熔点与文献报道的一致[17]。以上结果表明热熔挤出法制备得到了吲哚美辛-烟酰胺共晶。

Figure4 Differential scanning calorimetry thermograms for IND (a),NA(b),IND-NA physical mixture (c),IND-NA cocrystal prepared by solution crystallization (d) and IND-NA cocrystal prepared by HME (e)

如果两种物质之间存在相互作用(如氢键作用)，物质的晶格能会降低，表现为混合物的熔点低于两组成物的熔点，这样的混合物叫做低共熔物[20]。研究发现，对于热熔挤出工艺，熔点差异较大的不同组分在挤出过程中可能会出现相分离，导致产物收率低或得不到目标产物，形成低共熔物后可有效避免这种情况。因此，热熔挤出法适用于熔点差异较小或易于形成低共熔物的组分。DSC结果表明吲哚美辛和烟酰胺形成了低共熔物，其熔程为104～109 ℃。同时，不同温度组的物料状态也验证了低共熔物的形成，在T 97组中全程没有熔融段，而在T110以及更高温度组中均有熔融段。共熔状态虽不是形成共晶的必要条件，但共熔段的存在可显著降低扭矩以提高操作的可行性。

3.3.2 热台偏振光显微镜观察 物理混合物在加热过程中的状态变化如图5所示。

物理混合物在90 ℃仍为固体状态，在108 ℃有少量熔融，并在110～120 ℃之间迅速熔融，说明吲哚美辛和烟酰胺在加热条件下能快速而完全地形成低共熔物，由此推测形成共晶的实际反应时间可能低于目前挤出条件下的7 min，增加转速以减少反应时间可进一步提高生产效率。

3.3.3 FTIR 对吲哚美辛、烟酰胺、物理混合物、溶剂法共晶和挤出物进行FTIR表征，结果如图6所示。吲哚美辛和烟酰胺共晶的特征吸收峰主要集中于3 500～3 000 cm-1(O-H、N-H)和1 800～1 600 cm-1(C=O和 N-H)区域。

Figure5 Hot stage polarized optical microscope images of physical mixture phase transition during heating processes

Figure6 Fourier transform infrared spectra diagrams of IND (a),NA (b),physical mixture (c),IND-NA cocrystal prepared by solution crystallization (d),IND-NA cocrystal prepared by HME (e)

吲哚美辛的O-H振动峰在3 371 cm-1处，1 715 cm-1处是脂肪族二聚羧酸C=O伸缩，由于与氢键共轭吸收峰向低频移动，1 691 cm-1处有明显的C=O强吸收峰。烟酰胺晶体在3 364和3 153 cm-1处分别是酰胺N-H反对称和对称收缩，在1 680 cm-1处是伯酰胺C=O伸缩(酰胺Ⅰ带)，1 617 cm-1处是伯酰胺N-H变角振动(酰胺Ⅱ带)。物理混合物的振动峰是两单组分峰的简单叠加，符合红外吸收度光谱加和性的特征。溶剂法共晶和挤出物的图谱基本相似：在3 500～3 200 cm-1之间有4个明显的吸收峰，分别是酰胺的N-H收缩峰和新形成的两个氢键振动峰；在1 800～1 600 cm-1之间，与两种单组分谱图相比，两种共晶的峰位明显有红移趋势，两单组分的1 715、1 691 和1 680 cm-1分别移至1 710、1 678和1 662 cm-1处，1 710 cm-1是C=O向低频移动的吸收峰，1 678 和1 662 cm-1是C=O或N-H振动。峰位红移是由于氢键的形成使C=O和N-H键的力常数减弱，伸缩振动向低波数方向移动。与两个单组分谱图相比，溶剂法共晶和挤出物都出现了新的特征峰1 662 cm-1，且与文献报道一致[19]。以上结果表明吲哚美辛与烟酰胺经过热熔挤出处理后形成了分子间氢键。

3.3.4 PXRD 对吲哚美辛、烟酰胺、物理混合物、溶剂法共晶和挤出物进行PXRD表征，结果如图7所示。

Figure7 Powder X-ray diffraction patterms for IND (a),NA (b),physical mixture (c),IND-NA cocrystal prepared by solution crystallization (d),IND-NA cocrystal prepared by HME(e)

吲哚美辛的特征峰在11.62°、16.68°、17.00°、19.63°、21.84°、26.64°，与文献报道的谱图一致[18]。烟酰胺的特征峰在14.84°、25.42°、25.881°、27.36°。物理混合物图谱为两单组分图谱的简单叠加。溶剂法共晶和挤出物的图谱上两单组分的最强特征峰11.623°和14.846°均消失，并都出现了新衍射峰，分别为12.97°、13.39°、15.57°、20.83°和12.96°、13.36°、15.52°、20.53°、20.89°，它们之间有两处不同，一是12°～14°的两个峰强度不同；二是溶剂法共晶在20°～21°是1个单峰，而挤出物分裂成2个峰。以上结果表明，吲哚美辛与烟酰胺经过物理混合没有形成新的物质，但热熔挤出处理后形成了新的晶体，且新晶体的晶型与溶剂法共晶基本相同，两者之间的微小差异可能是导致熔点差异的原因。挤出物的特征峰与文献报道的共晶特征峰完全一致[21]，表明吲哚美辛和烟酰胺经过热熔挤出过程后形成了共晶。

3.4 溶解度

吲哚美辛、物理混合物和挤出物在去离子水、pH 5.5和pH 6.8磷酸盐缓冲液中的溶解度如图8所示。

挤出物在各个介质中的溶解度均优于原料药，特别是在pH 6.8磷酸盐缓冲液中，挤出物的溶解度提高到了1500 μg/mL，是原料药的3倍。在去离子水中，挤出物的溶解度略高于物理混合物，可能是由于去离子水没有缓冲能力，烟酰胺的溶解改变了溶液pH，提高了吲哚美辛的溶解度。

3.5 特性溶出速率

吲哚美辛、物理混合物和挤出物在pH 6.8磷酸盐缓冲液中的特性溶出曲线如图9所示。

结果表明，吲哚美辛和烟酰胺的的特性溶出速率几乎一致，分别为0.016 1和0.016 6 mg/(cm2·min)，而挤出物的速率为0.043 9 mg/(cm2·min)，约为吲哚美辛的2.7倍，明显提高了吲哚美辛的溶出速率，表明通过简单的物理混合形成的混合物和经过热熔挤出后形成的共晶对吲哚美辛溶出速率的提高效果明显有区别。以上结果与溶解度试验结果一致。

3.6 溶出度

吲哚美辛、物理混合物和挤出物在去离子水、pH 5.5和pH 6.8磷酸盐缓冲液中的溶出曲线如图10所示。

溶出曲线表明挤出物在各介质中的溶出速率和最终溶出度均明显大于原料药。在pH 6.8磷酸盐缓冲液中，挤出物在5 min溶出度就已达到80%，20 min溶出完全，而原料药5 min溶出仅为2%，60 min溶出才达68%。各介质中物理混合物的溶出曲线与原料药相似，表明简单的物理混合不能提高吲哚美辛的溶出，体现了共晶技术在提高难溶性药物溶出方面的积极意义。

4 总 结

本研究以溶剂法为对照，采用热熔挤出法及适宜的挤出条件成功制备了吲哚美辛-烟酰胺共晶，挤出过程不影响吲哚美辛的稳定性，明显提高了吲哚美辛的溶出度。研究发现，挤出过程中存在的低共熔现象有助于共晶的形成，并可降低熔融温度及扭矩。共晶在60 ℃中放置30 d未发现其晶型变化，临界相对湿度与吲哚美辛相同(>84%)，表明基本性质稳定。热熔挤出是一个连续生产的过程，且该过程本身具有易于放大的优势，可以预期，热熔挤出法能够应用于共晶的放大生产，推动共晶技术的发展。