基于星点设计－效应面法优化清宁胶囊填充工艺

李俊江,詹文强,李季文∗

(1.甘肃省中医院 科研制剂中心,甘肃 兰州730050；2.甘肃省中医药研究院 中心实验室,甘肃 兰州730050)

清宁胶囊(批准文号：甘药制字Z04000838)是甘肃省中医院研发使用的院内中药制剂,由大黄等药物组成,具有泻实热、下积滞、利胆、健胃、止血、降血脂之功效,临床主要用于便秘、肛裂、术后通便、消化不良、上消化道出血等症的治疗[1]。在生产过程中,由于清宁胶囊灌装药粉具有流动性差和易粘连的特性,造成清宁胶囊装量过程较难控制,成品的质量稳定性不够理想。本研究旨在更好地控制清宁胶囊的填充工艺,确保制剂装量均一稳定,提高清宁胶囊质量的稳定性。本试验对影响清宁胶囊装量差异的药粉粒径、料斗加料量、环境相对湿度等因素进行了考察,优化了清宁胶囊的填充工艺,有效地控制了清宁胶囊装量,提高了制剂的质量控制水平,以期为该制剂批量化生产奠定工艺基础。

1 材料

半自动胶囊填充机(DTJ-C型,浙江华联制药机械股份有限公司)；电子天平(METTLER AE240型；德国Sartorius赛多利斯)；清宁胶囊药粉(批号：20160122；由甘肃省中医院科研制剂中心制备)；0＃药用空胶囊(批号：20150126,青岛益青药用胶囊有限公司)。

2 方法与结果

2.1 清宁胶囊的制备与装量测定

2.1.1 胶囊制备 按处方比例领取大黄等组方饮片经净选和炮制加工后粉碎,药粉经干燥灭菌后用混合机充分混匀,制得供填充用清宁胶囊药粉[2]。按照试验时确定的工艺参数通过半自动胶囊填充机制备清宁胶囊,胶囊备用。

2.1.2 装量测定 按2015年版药典四部制剂通则(0100)胶囊剂(0103)项下装量差异测定方法进行测定[2-5]。

2.2 实验设计

根据前期生产实际,对影响胶囊灌装填充的单个因素进行了实验筛选,确定了影响胶囊填充的主要影响因素。本实验主要研究药粉粒径、料斗加料量、相对湿度3个因素对响应值胶囊装量的影响,并预先进行了单因素影响实验[6]。单因素实验只考察多个因素对响应值的影响,不能反映出多个因素之间相互作用的影响。星点设计(central composite design,CCD)是多因素五水平的实验设计,是在二水平析因设计的基础上加上极值点和中心点构成的。星点设计形成的实验表以代码形式编排,实验时再转化为实际操作值,水平取值用0、±1、±α代码表示[7-8]。对于3因素的星点设计实验α＝1.732,因素水平设计见表1。实验使用Design-Expert Software 8.0数据统计软件,采用星点设计分析方法,优化胶囊填充工艺条件,并进行预测实验分析[9]。

表1 星点设计因素水平

2.3 方法学考察

2.3.1 多元二次回归模型的建立 综合考虑单因素实验分析结果,以清宁胶囊装量为考察评分指标,选用星点设计试验考察优选胶囊填充工艺,采用效应面法(response surface methodology,RSM)拟合建立模拟函数,并根据模型描绘效应面。星点设计原理效应面分析结果见表2。对表2中的实验结果进行多元线性回归和二项式拟合[7],胶囊装量提取的数学拟合：R1＝0.34－3.763×10－3A－0.012B＋3.048×10－3C－6.875×10－4AB＋0.011AC－2.537×10－3BC＋1.093×10－3A2－0.021B2＋2.610×10－3C2,式中R1为胶囊装量(g),A为药粉目数(目),B为料斗加料量(V),C为环境相对湿度(%)。

表2 胶囊装量试验分析结果

表3 回归方程的方差分析

多元线性回归以F检验判断模型优劣,当P值小于0.05时影响因素对响应值影响有显著性差异,小于0.01时有高度显著性差异。通过对所得回归方程进行方差分析(见表3),结果显示模型的P＜0.05,说明该模型得到的回归方程具有显著性,试验设计可靠,模型相关系数r＝0.837 1,理论预测值与实测值偏差较小,模型具有良好的预测性,进一步说明该模型与实验数据拟合度好,试验误差小,具有较好的可信度[7]。在所选取的各因素水平范围内,按照对胶囊装量结果影响因素的主次排序：料斗加料量(B)＞药粉粒径(A)＞相对湿度(C),其中B因素影响显著。

2.3.2 效应面分析 效应面优化法是将实验得出的数据结果进行效应面分析,得到的预测模型一般是个曲面,即所获得的预测模型是连续的[8]。该方法的优势是在实验条件寻优过程中,可以连续地对实验的各个因素的不同水平进行分析,优选出较优工艺条件[10-13]。试验中因素间交互作用对胶囊装量的影响见图1-3,由所绘制的效应面和等高线图及表3可知,AB、AC、BC间交互作用对胶囊装量的影响不显著(P＞0.05)。

图1 A、B因素对清宁胶囊装量影响等高线及3D图

图2 A、C因素对清宁胶囊装量影响等高线及3D图

图3 B、C因素对清宁胶囊装量影响等高线及3D图

2.3.3 条件优化、预测与验证 由图1、图2、图3效应面可知该模型有稳定点,且稳定点是最大值。利用Point Prediction进行预测分析,获得一组胶囊填充的较优条件：药粉粒径A为120目药粉,加料量B为1/3～1/2之间,相对湿度C为65%,在此优化的工艺条件下,胶囊装量为0.354 7。根据得到的较优条件,考虑到制剂填充实际操作的可行性,将清宁胶囊生产工艺参数在回归方程得到的理论值基础上修正为：药粉粒径A为120目药粉,料斗加料量B为0.4,相对湿度C为65%,胶囊的装量规格定为0.35 g/粒[14]。在此条件下生产清宁胶囊,依法测定清宁胶囊装量,对预测结果进行验证,结果清宁胶囊装量为0.352 1g(n＝10),预测值与实际值之间偏差较小,说明二次多项式数学模型所得到的优化条件符合设计目标,实验设计和数学模型具有可靠性和重现性[15]。

3 讨论

胶囊的填充是胶囊剂制备的关键技术环节,直接影响着装量差异的可控性,对成品的质量至关重要。半自动胶囊填充机采用的是螺旋加压灌装方式,对填充物料的流动性适应范围较宽,对于一些流动性较差的药料,通过控制灌装时的相关工艺参数可以直接进行填充,可避免制粒过程的费时费力及对药物质量的影响[5]。清宁胶囊主要成分含有大黄,大黄的酚性成分对热不稳定,采用混合后的药粉不经制粒的过程直接填充,可有效减少药物有效成分损失,提高制备效率。本研究对清宁胶囊采用药粉直接填充,为了降低原药粉的黏附性,提高药粉填充的可控性,对实际操作中影响胶囊填充效率和质量的药粉粒径、药斗加料量、环境相对湿度3个控制参数进行优化考察,探索对易黏附、易吸湿、热稳定性较差的药物不经制粒,直接采用原药粉填充胶囊工艺的可行性,并确保胶囊的装量准确,重量差异范围较小,符合所制定药品质量标准的要求。

星点设计(CCD)是一种新型的试验设计方法,其具有试验次数少、试验精度高等特点,在药学应用上成效显著。效应面优化法(RSM)最早用于普通剂型处方的筛选,近年来在新型给药系统处方筛选和工艺优化方面应用较多,根据模型可采用解方程求极值或限定效应范围求解因素水平区间的方法获得较佳工艺条件。但最为简单直观的方法为描绘效应面,从效应面上直接读取较佳工艺条件[16]。

本研究以药粉粒径、料斗加料量和相对湿度为评价指标,对清宁胶囊填充的主要影响因素进行了最优筛选,用星点设计分析建立多元二次回归模型,通过响应面法对得出的数据结果进行效应面分析,利用Point Prediction进行预测分析,综合优选得到清宁胶囊较优的填充工艺参数为药粉粒径A为120目药粉,料斗加料量B为0.4,相对湿度C为65%,即为清宁胶囊填充主要影响因素的最优值。通过验证试验结果可知,预测值有可靠性,预测性良好,能够指导实际生产,优选的参数实际生产过程也能实现。本研究所得实验结果不仅能作为清宁胶囊实际生产的质控参数,同时可为其他胶囊制剂填充工艺的制定提供方法学借鉴。