微环境pH对吲哚美辛固体分散体溶出行为的影响及评价

曹 杰，朱志凌，袁 梦，柯 学*

(1中国药科大学药学院药剂系，南京 210009；2江苏省科学技术情报研究所，南京 210018)

近年来，越来越多的候选药物存在溶解度低等问题，其中药物分子晶格能过高是造成这一现象的原因之一。研究表明将药物制备成无定型状态可以改善这一问题，因为无定型药物分子之间没有晶格能的束缚，较易溶解，从而有效提高药物溶出[1-4]。同时，共晶也是可以在不破坏药物共价结构的同时修饰药物的理化性质的有效方式，包括提高溶解度和溶出速率、提高化学稳定性、改善生物利用度等，Shi等[5]采用溶液结晶法制备了法莫替丁-酒石酸共晶和法莫替丁-马来酸共晶，证明了共晶的溶出度有明显提高。

一般情况下，无定型药物的自由能要高于其晶型，所以无定型药物分子具有一定的结晶倾向，可以将无定型药物均匀分散在相容性材料形成固体分散体，以抑制无定型药物的结晶[6-9]。制备固体分散体的方法很多，常见的有热熔挤出法、溶剂法、喷雾干燥法等。其中热熔挤出法因能耗小、成本低、污染小、生产连续性好等优点被广泛使用[10-13]。热熔挤出法使用加热的方式将药物与载体材料融化，均匀混合后，降温形成热力学上均一的无定型单相体系。

热熔挤出中常用的载体有PVA、VA64、Soluplus、HPMC等，多为高分子材料，其水溶液黏度较高，经常出现热熔挤出固体分散体在溶出时药物粉末结块的现象，导致溶出度不能有效提高[14-15]，常需要采取诸如加入二氧化硅等方式避免该现象的产生[16]。

在固体分散体溶出中另外一个常见问题是已经溶解的药物重新析晶，这种现象在药物溶解度较低的溶出介质中尤为明显[17]，导致药物溶出显著下降，因此应尽力避免这种情况。对于溶解度具有pH依赖性的药物，调节制剂的pH是防止这一现象的有效手段[18-19]。有文献报道，在固体分散体中添加磷酸二氢钠或柠檬酸等辅料，可以调节制剂在溶出过程中的微环境pH，抑制药物析出，提高药物的溶出[20-21]。然而大多数报道仅关注于微环境pH对药物溶出的宏观结果，而缺乏对系统中各因素之间动态相互作用的分析，缺乏对这一现象微观过程的理解。

本文以吲哚美辛IND(图1)作为模型药物，VA64作为载体，使用热熔挤出法制备IND固体分散体(SD)，并通过DSC和PXRD进行表征。IND分子结构中含有羧基，溶解度表现出明显的pH依赖性。本文选择易溶于水的碱性辅料葡甲胺(MEG)作为pH调节剂模型，用于调节IND固体分散体溶出过程中的微环境。研究中对比了加入MEG前后SD的溶出曲线和溶出状态，测定了溶出过程中制剂局部pH的变化，考察了药物粉末在各介质中的浸润速率。综合以上各种因素，评价了在不同溶出介质中，MEG如何通过调节微环境影响IND的溶出行为，分析了微环境中抑制和引起IND再结晶的各种因素。

Figure 1 Chemical structure of indomethacin (IND)

1 材 料

1.1 药品与试剂

吲哚美辛(大连美仑生物技术有限公司)；共聚维酮(Kollidon VA64，德国巴斯夫公司)；葡甲胺(Aladdin，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)；磷酸氢二钾(上海凌峰化学试剂有限公司)；盐酸、冰醋酸(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

BSA124S-CW电子天平(北京赛多利斯科学仪器有限公司)；BPB-10型pH计(北京赛多利斯科学仪器有限公司)；SHZ-82A型气浴恒温振荡箱(金坛市城西峥嵘实验仪器厂)；UV-1800紫外-分光光度仪、全自动溶出仪(日本岛津公司)；DSC-204型差示扫描热量分析仪(德国Netzsch公司)；X射线衍射仪(D8 Advance,德国布鲁克公司)；TDL80-2B台式离心机(上海安亭科学仪器制造厂)；Process 11双螺杆挤出机(美国Thermo Scientific公司)。

2 方 法

2.1 制剂制备

IND和VA64以质量比1∶4混合，混合物被送入配有直径11 mm和筒体(长度直径比40∶1)的同向双螺杆挤出机，设置螺杆转速100 r/min，加料速度0.5 g/min，4个区域的温度分别为150、150、150、110 ℃，所得到的挤出物冷却至室温，粉碎，收集100～140目之间的固体分散体(SD)，密闭贮存备用。将上述SD与MEG以质量比5∶1的比例混合均匀，得到混合物，将其命名为MSD(即吲哚美辛和共聚维酮利用热熔挤出法制备的粉末与葡甲胺的物理混合物)。

2.2 固体分散体表征

采用DSC考察IND、VA64和SD的热行为。将各样品分别置于铝坩埚中，升温速率为10 ℃/min，温度范围从50 ℃到300 ℃，氮气流速为50 mL/min。

采用PXRD考察IND、VA64和SD的晶态。采用Cu-Kα靶，波长为1.540 6 A°，管压30 kV，管流40 mA，步长0.02°，扫描范围3～40°。

2.3 IND在不同介质中的溶解度

将过量IND原料分别加入pH 0.5、1.0、3.0、5.0、7.0、9.0和10.0的缓冲液中，在37 ℃摇床中平衡48 h，以10 000 r/min离心10 min后，小心移取上清液，根据实际情况确定是否稀释，然后在UV320 nm处测量药物浓度，计算溶解度。

2.4 体外溶出度测定

采用桨法测定药物溶出，溶出介质分别为900 mL 的pH 1.2、pH 4.5和pH 6.8缓冲液，转速50 r/min，介质温度(37.5±0.5)℃，溶出开始后分别于15，30，60，90，120和180 min取样5 mL，过滤后使用紫外分光光度计于320 nm波长处测定药物含量。溶出实验时，首先将IND、SD和MSD分别灌装于1号胶囊中，装入沉降篮，按上述条件测定溶出，投药量以IND计为20 mg。

2.5 溶出横截面实验

分别将SD 100 mg 和MSD粉末100 mg 填充于夹层厚度约为2 mm的两块玻璃板之间，压实成长约2 cm、宽约1 cm的长方形状(图2A)。将装有250 mL溶出介质(pH 1.2、pH 4.5或pH 6.8)的烧杯置于37 ℃水浴中加热，待温度平衡后打开水泵开关，让水流以1 mL/s的速度从玻璃夹层的右方流向左方再流回烧杯中，实验装置示意图如图2B所示。实验过程中观察玻璃夹层中粉末被溶出介质浸润后的状态变化。

2.6 浸润速度实验

取直径4.5 mm的塑料管，在其末端5和10 mm处做标记，分别将SD、MSD样品粉末填充在塑料管中并振实，确保振实后粉末高度在10 mm左右。将塑料管轻轻放入玻璃瓶中保持直立，在玻璃瓶中加入适量溶出介质(pH 1.2、pH 4.5和pH 6.8)，使液面刚好到达10 mm刻度处。将玻璃瓶放入37 ℃陶瓷加热台上，让溶出介质无外力下自动浸润粉末。记录各组样品被介质浸润5 mm处所需要的时间(T5 mm)，并观察实验开始后2 h时各组样品的状态。

Figure 2 Filling state of powder in the test of dissolution cross-section (A) and the schematic of apparatus (B)

2.7 微环境pH(pHM)测定

取样品粉末约500 mg，加入溶出介质50 μL，用称量勺搅拌混均，将得到的粘性团块均匀地涂抹在具有H+响应能力的玻璃膜电极上。将该玻璃电极放入预先于37 ℃水浴保温好的溶出介质中，每隔5分钟记录一次pH，得到从实验开始到30 min内pH的变化趋势。

3 结 果

3.1 固体分散体的表征

DSC及PXRD测定结果见图3。在DSC图中，原料药在162 ℃左右有一个尖锐的吸热峰，为IND的熔点；VA64在119 ℃有一吸热峰，为其玻璃化转变温度；热熔挤出后，上述两个吸热峰消失，仅在95 ℃显示玻璃化转变吸热峰，提示该体系为无定型固体分散体。

PXRD的结果显示原料药在11.6°,16.7°,19.6°,21.8°,26.7°和29.4°存在晶体衍射峰，VA64无衍射峰。热熔挤出后IND的衍射峰消失，同样说明IND与VA64在热熔挤出后成为无定型体系。

Figure 3 DSC thermograms(A) and PXRD patterns(B) of samples (IND,VA64,SD)

SD：Solid dispersion

3.2 原料药的饱和溶解度和溶出度

IND的饱和溶解度测定结果见图4-A。在pH小于5的介质中，IND溶解度极低(<1 mg/100 mL)，但当介质pH大于5以后，IND的溶解度迅速增加。

IND原料在各介质中的溶出曲线如图4B所示。在pH 6.8介质中，180 min内约有80%的药物溶出；而在pH 1.2和pH 4.5介质中，药物几乎没有溶出，180 min的溶出度低于10%。

Figure 4 Results of saturation solubility (A) and dissolution (B) of indomethacin

3.3 SD和MSD的溶出度测定

SD胶囊的溶出曲线见图5-A。在pH 1.2盐酸介质中药物的溶出度仍然很低；当溶出介质的pH升高到4.5时，溶出度提高到了15%左右；而在pH 6.8介质中，溶出度迅速增加，90 min内已有超过95%药物完全溶出。

MSD胶囊的溶出结果如图5-B所示。在pH 1.2介质中，溶出曲线呈现前期释放较快后期释放缓慢的趋势，最终溶出度达到36%左右；MSD胶囊在pH 4.5中溶出曲线与pH 1.2介质中具有相同的趋势，但最终溶出度高于前者，180 min达到了71%；在pH 6.8介质中溶出度则进一步提高，30 min已有97%的药物完全溶出。

3.4 溶出横截面实验

本实验主要观察粉末被溶出介质浸润后在横截面上发生的变化，反映粉末溶出过程中内部的变化情况。在本次设计的实验中，粉末被填充于透明的玻璃板之间，同时溶出介质循环流动，使得介质浸润粉末的全过程被持续且清楚地观察到。实验结果如图6所示(仅提供浸润过程中的代表性图谱)。

SD粉末被pH 1.2介质浸润后，浸润部分仍然为白色的粉末；被pH 4.5介质浸润后，在靠近内部粉末的位置出现了黄色透明的结构(将此结构称为透明层)，透明层成圆圈状包裹内部未被润湿的粉末，同时在其外部包裹着厚厚的白色块状结构(将此结构称为外衣层)；pH 6.8中无明显透明层和外衣层的存在，甚至看不到介质浸润粉末的部分。

MSD粉末被pH 1.2介质润湿后，可以同时看到透明层和外衣层，但是厚度很薄，且透明层的透明程度超过SD中的情况；在pH 4.5中，透明层加厚，外衣层为随着水流方向延伸的线状结构；到了pH 6.8介质中，外衣层消失，粉末快速润湿后整体形成了透明层。

Figure 5 Dissolution profiles of SD(A) and MSD (B)capsules

MSD:Physical mixture of MEG and SD

Figure 6 States of the cross-section in dissolution

A-C：Infiltration of SD powder as the pH of the medium increases;D-F :Infiltration of MSD powder as the pH of the medium increases

3.5 浸润速度实验

本实验测定溶出过程中，溶出介质浸润样品粉末的速度。图7显示了浸润实验2 h后各组样品的状态，整体上看MSD各组样品浸润速度明显快于SD各组样品。各组样品浸润5 mm所用的具体时间测试结果显示：在各组不同pH介质中SD组的T5mm均明显高于MSD组。MSD组在pH 1.2介质下的浸润时间最长，也仅为5 min左右，而在pH 4.5和pH 6.8两个介质中，T5 mm仅为1 min。SD组在各介质中的浸润时间都超过200 min，其中在pH 1.2和pH 6.8两介质中浸润时间分别为210和240 min，而在pH 4.5介质下浸润耗时最长，达到480 min。

3.6 微环境pHM测定

本实验测定样品粉末被溶出介质浸润形成团块后内部微环境的pH。在实验初期，固体分散体粉末内部含水量很少，pHM反映的是粉末刚被介质浸润时的情况，特别是团块最内部的pH；随实验进行，水分逐渐渗入，粉末内含水量上升，并伴随着团块内与介质间的物质交换，此时的pHM是粉末被介质浸润一段时间后的情况，或者说是团块中靠近介质处的pH。

Figure 7 Powder state of each sample when the infiltration test was carried out for two hours

A-C:State of the samples of the SD group powder;D-F State of the samples of the MSD group powder

pHM的测定结果如图8所示。比较意外的是，在pH 1.2介质中，SD内部呈现出较强的酸性，初始为1.1，逐渐下降并稳定于pH 0.65左右；在pH 4.5和pH 6.8介质中，SD内部微环境的pH基本在pH 3.8左右波动，不同的是，在pH 4.5介质中，微环境pH基本保持稳定，而在pH 6.8介质中，微环境pH先降低至2.4后，然后逐渐升高至pH 4.7。

Figure 8 pH value of the internal microenvironment of the SD (A) and MSD (B) samples as they are infiltrated by the dissolution medium to form agglomerates

在各溶出介质中，MSD内部微环境pH都呈现出随时间逐渐降低的趋势，从起初的pH 10.2左右，逐渐降低至pH 1.2介质中的pH 3.8，pH 4.5介质中的pH 5.2和pH 6.8介质中的pH 6.8。

4 讨 论

SD胶囊在pH 1.2介质中溶出时，粉末被溶出介质润湿后，溶解的高分子材料VA64产生了较高的黏度，从而将粉末粘连成团。由于VA64形成的高黏度层阻止了水分的渗入(浸润速度T5 mm为210 min)，可以在溶出横截面试验中看到明显的未润湿粉末。无定型的IND在初期遇到溶出介质后快速溶解，产生过饱和溶液，而溶解的高黏度VA64隔绝了过饱和溶液中IND向外扩散，含有羧基的IND分子在此局部环境中表现出极低的酸性，故30 min时pHM仅为0.65，甚至低于介质本身的pH。随着水分不断浸润VA64高黏度层，IND分子向外扩散，丧失了VA64高黏性产生的抑晶饱和作用，加上IND本身在pH 1.2介质中饱和溶解度极低，因此IND很容易通过异相成核析出(试验过程中可以看到被浸润的粉末由原来的微黄色变成了白色，图6-A)，这样进一步降低了水分向内的浸润和药物向外的扩散，所以最终溶出度极低，180 min仅有3%。

SD胶囊在pH 4.5介质中的情况总体类似于pH 1.2介质。无定型IND在VA64高黏度局部微环境中形成过饱和溶液(图6-B，黄色透明层)，初期pHM仅为3.2。随着水分的不断浸润，IND分子向外扩散，丧失了VA64高黏性产生的抑晶保护作用，在pH 4.5介质中溶解度较低的IND逐渐析出，形成了溶出横截面图上厚厚的包衣层(图6-B，白色外衣层)，从而严重地减缓了介质的浸润(T5 mm为480 min)，最终溶出结果要略高于后者，180 min大约为10%，应该是IND在pH 4.5介质中溶解度高于pH 1.2的缘故。此外，由于IND的扩散和VA64高黏度层的溶蚀，此组中pHM逐渐升高至3.9。

SD胶囊在pH 6.8介质中溶出时，与pH 1.2介质相似，高黏度的VA64使浸润速度较低(T5 mm为240 min)；局部微环境中溶解的IND降低了pH 6.8介质的影响，因此初期pHM仅为2.7；但与pH 1.2介质不同的是，IND在pH 6.8条件下具有极高的溶解度(约150 mg/100 mL)，IND向外扩散的过程中不会析出结晶(在图6-C中没有外衣层存在)，而IND向外扩散，留下微孔，进一步加快溶出介质向内的浸润，两者的协同效果促进了IND的溶出，表现出极高的溶出度(90 min溶出度超过95%)，同时局部微环境pH不断上升，30 min时pHM达到4.7，所形成黄色透明层快速消失。

MSD胶囊在pH 1.2介质中进行溶出时，VA64形成的高黏度局部微环境受到高水溶性MEG的影响，形成pHM10.2左右的碱性微环境，显著提高了IND的溶解度，可以在溶出横截面图中观察到黄色透明层(图6-D)的快速形成，随着IND迅速向外扩散，可以观察到溶出介质极快地浸润粉末(T5 mm为5 min)，造成MSD胶囊前期的快速释放(60 min达到35%的溶出，远高于相同条件下的SD)。但是，随着MEG浓度逐渐减低，局部碱性微环境pH不能维持，IND溶解度迅速降低析出沉淀，形成外衣层，溶出度增加的趋势在60 min后明显减缓，30 min时pHM下降到3.8。

MSD胶囊在pH 4.5介质中的情况总体类似于pH 1.2介质。高溶解度MEG形成的初始局部高碱微环境加速了IND的溶解，抑制了IND的沉淀，促进了黄色透明层的快速形成(图6-E)。IND迅速向外扩散，明显加速药物释放(60 min时约50%溶出，在相同条件下比SD和pH 1.2介质中的MSD高很多)，同时观察到溶出介质极快地浸润粉末(T5 mm为1 min)。但是与pH 1.2介质不同的是，外部介质的pH 4.5对IND有一定的溶解度，IND过饱和程度相对较低，其析出量较少进而形成的外衣层结构较疏松。同时，水流的冲刷对上述过程起到了促进作用，所以析出的IND为随着水流方向的线性结构。随着MEG的耗尽，透明层的pHM在30 min降至5.2，IND逐渐开始沉淀。但是，由于大多数IND分子在溶解初期已经进入了溶解介质，pH下降缓慢，因此IND沉淀形成的外衣层疏松，内外交换的屏障受到限制，最终溶解在180 min时达到70%左右。

MSD胶囊在pH 6.8介质中溶出时，MEG产生的局部高碱性环境(pHM10.2)同样加速了IND的溶解并形成透明层。由于IND在pH 6.8介质中本身就具有高溶解度，所以IND在扩散过程中没有析晶现象，进而使得透明层被快速溶解。因此，表现出极快的浸润速度(T5mm为1 min)，没有外衣层(图6-F)以及快速的溶出(30 min溶出度超过95%)。

5 结 论

与IND粉末相比，SD在相同条件下表现出更高的溶出度，说明利用热熔挤出制备的无定型IND更有利于提高溶出。

与SD胶囊相比，MSD胶囊在相同条件下表现出更高的溶出度，说明在固体分散的基础上，添加pH调节剂可以显著增加IND的溶出。这是由于MEG可以对局部微环境的pH产生较为明显的影响，稳定固体分散体在局部的过饱和状态，形成有利于药物扩散和溶出的状态。

对一些具有溶解度pH依赖性的难溶性药物，在固体分散体中使用适合的pH调节剂，创造有利于药物溶解的局部微环境，可以减缓因pH波动而造成药物析晶及溶出度偏低的问题，进一步提高或加快这些药物的溶出。