关键词:差示扫描量热法、DSC、药物材料、多晶型现象
在上一期《新政解读|创新药晶型研究新规落地!热分析与微量热技术成关键抓手》中我们提到,药物多晶型是贯穿创新药研发、生产、质控全周期的核心命题。晶型的细微差异,会直接影响药品的溶出度、稳定性与生物利用度,不仅关系到临床治疗效果,更牵扯到药物专利布局、市场合规的核心权益。在制药行业发展历程中,因晶型管控疏漏引发药品失效、专利纠纷的案例并不少见,这也让活性药物成分多晶型筛选与精准表征,成为现代药物研发必须攻克的基础课题。差示扫描量热法(DSC)是检测并定量分析材料不同晶型的一种有效手段。
引言
许多分子晶体能够凝固成多种晶体形态,活性药物成分的晶型会影响其物理性质及后续的治疗效果。制药行业中已有相关实例表明,新晶型的出现会显著改变药品性能,部分情况下还会引发严重的临床反应。这一现象还涉及专利相关的重要法律问题,因为新晶体结构的相关技术通常未被纳入原有专利保护范围[1]。基于上述原因,需对新型药物活性成分开展多晶型筛选,以确定其是否存在多种晶相[2]。
醋酸地塞米松是一种常用抗炎药物,无水醋酸地塞米松存在多晶型现象,是验证不同升温速率对晶型影响的理想研究对象。
图1:醋酸地塞米松的化学结构式
实验部分
差示扫描量热法通过测量材料在转变过程中的温度与焓(热量)变化,可对材料发生的吸热、放热过程或热容变化等相关的物理、化学变化进行定量与定性分析[3]。
本实验采用配备机械制冷系统(RCS)的TA仪器差示扫描量热仪,对无水醋酸地塞米松进行DSC测试。实验过程中,以50mL/min的流速向仪器内通入99.999%高纯氮气持续吹扫;称取约1mg待测药物样品,置于带盖的铝制标准样品盘中压封,且每次测试均重新制备样品。首次升温测试的升温速率设置为10~150℃/min。
结果与讨论
(注:图2和图3中的热分析曲线采用德国通用表示方式,即放热峰向下;在TA仪器DSC分析软件中,可自主选择放热峰向上或向下的显示形式。)
图2为无水醋酸地塞米松在 10、50、100、150℃/min 四种升温速率下的首次升温 DSC 曲线对比图。样品在 210~240℃范围内出现两个对应不同晶型熔融的吸热转变峰,不同升温速率下该材料的多晶型现象主要体现在两方面:
1.
两种晶型的熔融峰温均随升温速率变化,其中低熔点晶型(熔融峰温约210℃)的峰温随升温速率降低而下降,高熔点晶型的峰温随升温速率升高而上升;
2.
从峰面积可知,高熔点晶型的含量随升温速率降低而增加。
图2:不同升温速率下
无水醋酸地塞米松的DSC曲线
在常用的10℃/min升温速率下,样品在首次升温熔融初期(约210℃)出现微弱的熔融起始信号,随后出现重结晶放热峰,高熔点晶型是由低熔点晶型在升温过程中重结晶形成的。
样品在235℃以上开始发生热分解,因此该熔融过程为不可逆过程。当升温速率为1℃/min时,样品在熔融前即发生分解(无相关图谱),而提高升温速率可使分解过程向高温区偏移。升温速率为 50℃/min 时,样品在升温过程中仅检测到微弱的结晶信号,两种晶型均发生熔融;当升温速率进一步提高至100℃/min和150℃/min时,高熔点晶型的含量进一步降低。
本实验所用的TA仪器DSC具备高灵敏度、高分辨率和平直基线的特性,即便在升温速率超过100℃/min的条件下,仍可对两种晶型的熔融焓进行精确的定量分析(见图3)。
图3:150℃/min和100℃/min升温速率下
无水醋酸地塞米松的DSC曲线
结论
差示扫描量热法是表征药物材料多晶型现象的有效技术手段。检测微量多晶型并实现不同晶型的信号分离,需使用具备高灵敏度、高分辨率且基线高度平直和稳定的表征仪器;而要清晰呈现材料的不同结晶状态,则需采用较高的升温速率。本实验所用的TA仪器差示扫描量热仪兼具上述特性,可实现对药物材料多晶型现象的精准检测与分析。
本次以无水醋酸地塞米松为模型的实验验证,再次夯实了TA仪器DSC在药物多晶型表征领域的技术优势。作为全球热分析技术的领军者,TA仪器依托数十年技术深耕,针对药物研发全流程的晶型研究需求。设备搭载机械制冷系统、超宽升温速率调控范围、超高灵敏度传感器,搭配极致平直稳定的基线,即便面对微量药物样品、超高速升温测试场景,也能精准捕捉微弱晶型转变信号,实现晶型定性、熔融焓定量、转晶过程的全方位解析。
TA仪器药物晶型研究解决方案
沃特世-TA仪器作为全球热分析技术的领军品牌,旗下包括Discovery DSC系列差示扫描量热仪、Discovery TGA系列热重分析仪、TAM系列微量热仪等设备均深度契合《指导原则》的技术要求,凭借专利技术与卓越性能,为创新药晶型研究提供从研发到质控的全流程解决方案。
Discovery DSC系列差示扫描量热仪
核心优势
专利Fusion Cell?量热单元:
集成 T4P Tzero? 热流技术,基线平直度≤5μW,无需基线扣除即可直接测定比热,满足《指导原则》中晶型定性鉴别与定量分析的要求。
标配调制DSC?(MDSC?)技术:
可分离可逆热流(如玻璃化转变、熔融)与不可逆热流(如结晶、分解),解决复杂晶型的重叠热转变解析难题。
宽温度范围与灵活的冷却方案:
温度覆盖-180°C~725°C,机械制冷系统无需液氮即可实现-120°C低温运行,配合自动进样器可实现全天候无人值守实验。
高压型号适配特殊需求:
DSC 25P压力范围达1Pa~7MPa,可在高压条件下研究晶型转变,适用于难溶性药物的晶型筛选。
应用场景
筛选优势晶型:
对比不同晶型的熔融峰温度与焓值,判断热力学稳定性。
监测晶型转变:
在加速稳定性试验中,跟踪熔融峰变化,评估晶型稳定性。
合规数据申报:
符合 ICH Q6A与药典要求,数据可直接用于药品注册。
Discovery TGA系列热重分析仪
核心优势
独有Tru-Mass?天平技术:
双量程自动切换,称重分辨率达8ng,基线漂移<10μg,可准确定量微量结晶水或溶剂残留。
专利红外加热炉:
实现0.01~500°C/min线性升温,冲击升温速率>1600°C/min,大幅缩短实验时间;炉体采用石英内衬,易于清洁,适配逸出气体的联用分析。
创新Hi-Res? TGA技术:
智能调节升温速率,分离重叠的重量损失,可精准区分结晶水脱除与溶剂挥发过程。
Smart-Seal?样品盘创新方案:
针对大气敏感样品,可在手套箱内密封样品,并在TGA仪器内升温至55°C时自动打孔,避免样品接触空气导致的晶型变化,完美解决含结晶水药物的干燥工艺研究痛点。
应用场景
优化干燥工艺:
测定不同温度下的质量损失,确定含结晶水药物的最佳干燥参数。
质量控制:
检测原料药中结晶水/溶剂含量,确保批次间晶型一致性。
逸出气体分析:
与FTIR、MS 联用,鉴定热分解产物,阐明晶型转变机理。
TAM IV、TAM 48微量热仪
核心技术优势
超高灵敏度与稳定性:
热流灵敏度达nW级,TAM IV的长期温度稳定性<±100μ°C/24h,可捕捉常温下晶型转变的微弱热效应,无需加速即可预测长期贮藏稳定性。
高通量、高效率:
TAM 48支持48个样品同时测试,大幅缩短多批次晶型稳定性测试周期,适用于高通量筛选需求。
灵活的样品处理方案:
提供固定式安瓿瓶、微反应系统等多种样品池,可模拟不同贮藏湿度条件下的晶型变化。
无损监测优势:
非侵入式测量,不破坏样品结构,可结合PXRD等技术进行晶型表征的多方法验证。
应用场景
亚稳态晶型稳定性评估:
在25°C/60% RH条件下,连续监测数月热流的变化,预判晶型转变风险。
制剂相容性研究:
评估辅料与原料药的相互作用对晶型稳定性的影响。
贮藏条件优化:
通过不同温度、湿度下的热流数据,确定最佳包装与贮藏方案。
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参考资料
1.
N. Hall, “Predicting Polymorphism”, Pharmaceutical Formulation & Quality February/March 2000
2.
M. H. O`Neill and G. G. Sweetapple, “Polymorph Screening, Quantitation, and Identification of the Stable Phase”, 3rd International Symposium on Polymorphism and Crystallization, San Francisco, CA, November 12-13, 2001
3.
TS-54, “Characterization of the Degree of Cure of Thermosetting Resins by DSC”, TA Instruments, New Castle, DE.
致谢
本文由TA仪器团队撰写,郭艳霜校对。
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