基于原位冷冻干燥——在胶囊内直接形成无定形固体：对一种难溶性药物溶出度增强的研究
作者及发表信息 本研究由Abdulmalik Alqurshi（泰巴大学药学院药剂学与制药技术系）、K. L. Andrew Chan及Paul G. Royall（伦敦国王学院制药科学研究所）共同完成，通讯作者为Paul G. Royall。该研究发表于《Scientific Reports》期刊，文章编号为7: 2910，数字对象唯一标识符（DOI）为10.1038/s41598-017-02676-2。
学术背景与研究目的 在药物研发领域，生物药剂学分类系统（Biopharmaceutical Classification System, BCS）用于依据溶解性和渗透性对药物进行排序。其中，第二类（Class II）药物具有高渗透性但低溶解度的特点，这严重限制了其口服生物利用度与成药性。将药物转化为无定形（amorphous）形态是增强这类难溶性药物溶解度和溶出速率（dissolution rate）的有效策略。其原理在于，通过将药物分子分散于载体中，抑制其结晶，维持其无序结构，从而提升动力学溶解度。然而，无定形药物在制药工业中应用受限，主要障碍在于其稳定性差，且大多数制备方法（如热熔挤出法）会使药物暴露于热或机械应力下，导致化学降解和重结晶。因此，需要一种温和的方法来生产无定形药物。
本研究旨在开发一种全新的“胶囊内原位冷冻干燥技术”（in-situ freeze-drying forming amorphous solids directly within capsules），在无需热或机械应力的情况下，于胶囊内部直接制备难溶性药物的无定形固体剂型，从而实现增强药物溶出度和稳定性的目标。研究选用了模型药物硝苯地平（nifedipine, NIF），一种BCS II类钙通道阻滞剂，以及载体聚合物聚乙烯吡咯烷酮（polyvinylpyrrolidone, PVP）。为推进这一目的，研究还深入探索了药物与聚合物之间的相互作用机制。
研究的详细工作流程 本研究的工作流程可大致分为方法开发、质量控制、无定形状态的检测与确认、药物-聚合物相互作用分析、溶出度研究及稳定性评估等几个核心环节。
方法开发与制备 研究首先面临溶剂选择的挑战。水是冷冻干燥的主要溶剂，但难溶性药物无法在水中达到理想浓度。因此，研究者选用了叔丁醇（tert-butanol, TBA）作为有机溶剂。TBA的凝固点为24°C，在-20°C时蒸气压高达35.72毫巴，这些物理化学性质使其成为一种理想的冻干溶剂。为确保冻干过程不破坏样品结构，研究者首先通过差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry, DSC）测定了不同硝苯地平与PVP比例溶液在TBA中的冷冻浓缩液的玻璃化转变温度（Tg‘），范围在−9.6至−7.7°C之间，并据此预测了塌陷温度（collapse temperature, Tc）。通过在整个初级干燥阶段将产品温度维持在Tc以下至少5°C，成功避免了胶囊内冻干饼的塌陷。
随后，在胶囊填充环节，研究者将预先配制好的含不同药物/聚合物比例（硝苯地平浓度恒定为2% w/v）的TBA溶液，用移液器精确注入0.5毫升到硬明胶胶囊壳中，放入冻干瓶中。胶囊在−80°C超低温冰箱中预冻后，迅速转移至冻干机内，在低温和高真空下进行为期5天的冷冻干燥。完成初次干燥后，样品被转移至含有五氧化二磷的真空干燥器中进行24小时的二次干燥，以彻底去除残余溶剂。最终在氮气保护下完成胶囊的套合与封装。
质量控制与无定形状态表征 为确保方法的可行性和产品的质量，研究者进行了一系列检测。首先是对胶囊壳本身的质量评估。通过目视检查、扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）检测，证实整个冻干过程未对硬明胶胶囊壳造成物理或化学损伤，且胶囊的崩解时限符合国际药典规定。在以10% w/w NIF/PVP为代表的最优制剂中，重量差异和药物含量均符合英国药典标准。
检测并确认制剂中药物处于无定形态是研究的核心。研究者联合运用了多种互补技术，建立了一个全面的表征体系。差示扫描量热法（DSC）显示，随着PVP比例增加，硝苯地平的熔融峰逐渐变小变宽，当PVP含量超过50% w/w时，熔融峰完全消失，表明晶体完全消失。研究者还通过建立物理混合物中硝苯地平晶体熔融焓与含量的标准曲线，计算出DSC法对晶体含量的检测限为5.1% w/w。
由于DSC检测过程中的加热循环会引起硝苯地平的热降解（单次升温循环预期损失约5.2%），研究者进一步采用室温下操作的交叉偏振光学显微镜（CPLM）和衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FT-IR）进行验证。CPLM利用晶体各向异性产生的双折射现象来识别晶体，无定形态则呈现暗黑色。通过ImageJ软件分析图像的平均灰度值（Mean Grey Value, MGV）可实现半定量，含50% w/w及以下NIF的制剂样品MGV值为0.00，未见双折射。ATR-FT-IR分析避开受水分和PVP干扰的官能区，聚焦于在800–700 cm⁻¹区域由芳香环C-H面外弯曲振动产生的指纹谱图。纯无定形硝苯地平在754 cm⁻¹处呈现单一的宽不对称峰，而晶体则在762 cm⁻¹和744 cm⁻¹出现双峰。研究者基于此创新性地提出了一种利用754 cm⁻¹峰对称性的测量方法来监测冻干制剂中的结晶度。结果显示，PVP含量≤70% w/w的制剂，其峰不对称因子接近1，而>70% w/w的制剂则出现不对称因子急剧增加，表明出现早期结晶成核。这一方法比以往文献中简单利用峰面积比率的方法更为灵敏。
药物-聚合物相互作用 通过FT-IR分析，研究者捕捉到了药物与聚合物之间分子互动的直接证据。无定形硝苯地平N-H伸缩振动峰从3342 cm⁻¹位移至3288 cm⁻¹，这有力证明了硝苯地平的N-H基团与PVP的C=O基团之间形成了分子间氢键（hydrogen bonding）。这种特定的相互作用被认为是抑制硝苯地平结晶，维持其无定形状态的关键机制。此外，所有比例样品的Tg值均能很好地拟合Gordon-Taylor方程，表明PVP大幅提升了混合体系的Tg值，使其远高于室温，从而降低了分子运动性，进一步在宏观层面稳定了无定形分散体。
溶出度研究 溶出度测试是在非漏槽条件下进行的，以更好地区分不同制剂的溶出行为。结果显示，单纯在溶出介质中加入PVP并不能提高硝苯地平晶体的溶出速率。然而，通过物理混合或原位冷冻干燥技术将药物与PVP紧密接触，则能极大改善溶出。PVP的高亲水性和对药物表面的高效润湿是前提，而将药物转化为无定形态并分子级分散在PVP中，则是实现溶出速率飞跃的根本原因。10% w/w NIF/PVP的冻干制剂表现出最优性能，其溶出速率常数（k）高达0.37 ± 0.05 min⁻¹，达到50%溶出所需时间（t₁/₂）仅为1.88 ± 0.05 min，在不到6分钟内即可实现80%的溶出。与此形成鲜明对比的是，市售的液体填充软胶囊制剂需要超过3倍的时间（约15分钟）才达到80%溶出。这一显著优势归因于无定形固体形态消除了药物从油性基质中缓慢扩散的限速步骤。
稳定性测试 研究的最后一部分评估了该技术平台的实用潜力。稳定性研究将最优制剂（10% w/w NIF/PVP）密封于琥珀色玻璃瓶中，在25°C/57% RH和37°C/74% RH条件下储存3个月。结果显示，该制剂在严苛条件下依然保持无定形态，未检测到晶体和化学降解产物，且溶出性能未发生变化，证明其具有良好的物理和化学稳定性。
结论与价值 本研究成功开发了一种创新的原位冷冻干燥胶囊技术。该技术利用叔丁醇作为溶剂，在不对胶囊壳和药物造成损伤的条件下，成功地在胶囊内部直接制造出难溶性药物的无定形固体分散体。其科学价值在于，系统地揭示了PVP通过形成氢键和提升Tg来双重稳定无定形硝苯地平的内在机制，并开发了一种利用FT-IR峰对称性灵敏检测微量结晶的新的光谱学分析方法。在应用价值上，这项技术为解决BCS II类药物口服递送难题提供了全新方案。制得的无定形胶囊展现出远优于物理混合物乃至市售液体制剂的溶出速率和动力学溶解度，同时具备良好的储存稳定性。这为需要快速起效的难溶性药物提供了理想的剂型选择，尤其是对于那些剂量较低、效价较高的口服类新药，该技术在早期临床试验阶段极具应用前景。
研究亮点 本研究有三大突出亮点。其一，是方法学的创新，即“胶囊内原位冻干”概念，巧妙地将硬明胶胶囊作为冻干容器和最终的剂型外壳，完美保留了冻干品的多孔结构和无定形状态，避免了二次加工带来的风险。其二，在表征技术上，开发了基于ATR-FT-IR的峰对称性分析方法来鉴别和量化痕量晶态物质，提供了一种比传统DSC方法更温和、更灵敏的手段。其三，研究明确了药物-聚合物相互作用的机制，为剂型设计提供了坚实的理论指导，并最终通过对比实验无可辩驳地证明了，其精心设计的无定形固体剂型的溶出性能甚至超越了成分更复杂的市售液体填充软胶囊，这一发现极具启发性。