1引言
新藥項目早期研發階段需要對化合物分子進行篩選，并應對其物理性質、生物性質、生產可行性等進行全面評估。化合物性質認知的缺失將給后期研發帶來巨大挑戰，甚至存在變更候選化合物的風險。API不同的固態形式(Solidform)，如晶型、無定形、溶劑化物、鹽型與共晶，在理化性質、機械性能、化學穩定性、生物利用度與工藝可行性等方面存在差異。因此API固態形式的篩選與臨床用藥化合物分子的鎖定是新藥研發的重要一環。
API可形成兩類固態形式，即結晶態與無定形。結晶態包括多晶型、溶劑化物、鹽型與共晶。其中多晶型晶胞中僅包含API分子。溶劑化物、鹽型與共晶晶胞中除API分子外均引入外來分子。API固態形式分類如圖1所示。無定形比結晶態具有更高的自由能與更強的分子活性，因此具有較好的溶解性。但較高的自由能使無定形穩定性差，高溫或長時間保存有轉變為結晶態的趨勢。因此API分子常選擇結晶態進行開發。
圖1 API固態形式分類[1]
化合物內部分子或原子在晶格空間的排列方式和填充形式的不同形成多晶型。有機物普遍存在多晶型現象。多晶型在熔點、密度、晶體形貌(晶習或晶癖)、吸濕性、穩定性、溶解性、溶出度等方面存在差異，進而體現不同的生物利用度。因此高效的篩選化合物的潛在晶型對臨床供藥分子的選擇具有戰略性意義。
若結晶過程中溶劑分子進入晶胞與化合物分子鍵合，則形成溶劑化物。晶胞中存在的溶劑分子影響分子間作用力，從而改變溶劑化物的理化性質。溶劑化物穩定性較差，在干燥或儲存過程中易失去溶劑分子轉變為無定形或其他晶型，從而理化性質發生變化。
可電離的API分子(陽離子與陰離子)與反離子通過離子鍵結合形成藥物鹽型。鹽型是API改性的常用手段，據統計約50%藥物的申報晶型均是鹽型。然而不可電離的化合物分子無法成鹽，需與配體分子形成共晶。EMA對共晶的定義為兩種或多種組分在晶胞中以一定的化學計量比通過非離子鍵結合而成的均相晶體。API與配體可為酸、堿或中性化合物。對于離子化合物，API與配體以非離子鍵結合則可形成共晶。FDA運用API與配體的解離常數的差值ΔpKa對鹽型與共晶進行區分。即當ΔpKa<1時，形成共晶。若ΔpKa>2.7至3，形成鹽型的可能性更高。可采用單晶衍射、拉曼光譜與核磁共振等有效的檢測方法對鹽型與共晶進行區分。需指出鹽型與共晶同樣存在多晶型與溶劑化物現象。但相比于API分子本身更為少見。一般共晶的溶解性高于API多晶型而具有較好的溶出與生物利用度。因此共晶是提高BSC Ⅱ類與Ⅳ類化合物溶解性的有效方法。下面從共晶制備技術、共晶篩選方法以及共晶生產工藝三個方面進行詳細介紹。
2共晶制備技術
共晶制備方法直接影響成品含量、晶型、粒度分布與晶體形貌等理化性質。應充分了解API、配體與共晶的溶解性與熱穩定性，綜合考慮制備方法的能耗、單位產量、工藝放大可行性與調控性等，選擇最優方法進行開發。按照方法中是否有溶劑參與，將共晶制備技術分為溶劑依賴型與無溶劑型。溶劑依賴型為傳統共晶制備方法，廣泛應于共晶篩選與不同規模的批生產。無溶劑共晶制備技術秉承綠色化工的原則，制備過程中不需要溶劑的參與，減小溶劑化物生成的可能性。下面對共晶制備技術進行逐一介紹。
2.1 溶劑依賴型共晶制備技術
2.1.1 蒸發結晶
該方法是將API與配體按照一定比例溶解于溶劑中。減壓升溫蒸發溶劑使共晶析出。蒸發結晶簡單高效，是共晶篩選的常用方法。投料配比與結晶溫度影響析出組分。因此需要構建API-配體-溶劑三元體系相圖，在共晶結晶區等溫蒸發獲得共晶。若在API或配體結晶區蒸發，存在析出單組分的風險。此外，蒸發結晶可能獲得共晶的溶劑化物。
2.1.2 冷卻結晶
冷卻結晶通過降低溫度，使溶液獲得過飽和度，從而析出共晶。因此冷卻結晶同樣需要三元體系相圖作為指導。選擇的系統點在高溫時處于不飽和區，在此溫度下按照系統點各組分配比加料，等溫平衡攪拌，API與配體可完全溶解。隨后冷卻，在低溫三元相圖中系統點位于共晶結晶區，在此溫度下等溫攪拌即可獲得共晶。
2.1.3溶析結晶
通過添加反溶劑(不良溶劑)降低溶質在溶液中的溶解度，使溶液過飽和度增加推動晶體成核，該方法為溶析結晶。對于溶析結晶，溶劑與反溶劑的選擇至關重要。兩者應互溶，并且共晶在混合溶劑中應具有較小的溶解性。因此需優化溶劑與反溶劑的比例，在沒有溶劑化物生成的前提下保證收率。當共晶在混合溶劑中的溶解度顯著低于純溶劑時，可優先考慮溶析結晶。溶析結晶可在環境溫度下進行，與蒸發結晶和冷卻結晶相比能耗降低。
2.1.4平衡攪拌轉晶
在一定溫度下，將API、配體與共晶加入溶液中等溫攪拌。若在該溫度條件下共晶為穩定的平衡固相，則在打漿過程中API與配體不斷溶解，使溶液過飽和度增加，析出共晶。即共晶的成核與生長消耗溶液過飽和度，與此同時API與配體溶解補償溶液過飽和度。最終平衡固相只有共晶。打漿法操作簡單，產品為純共晶，有效避免API或配體的析出。通常打漿法需要較長的平衡攪拌時間，存在獲得溶劑化物的風險。常運用打漿法進行共晶篩選。
2.1.5超聲輔助
超聲可降低成核誘導期，縮短介穩區，使溶液在低過飽和度自發成核。因此常將超聲作為輔助手段運用于溶液結晶過程中，促進晶體成核。超聲溶液結晶法可用于獲得特定配比的共晶，也可應用于共晶篩選。
2.1.6超臨界流體技術[2]
超臨界流體技術是在超臨界狀態下，降低壓力產生過飽和度，使固體從超臨界溶液中結晶。超臨界流體兼有液體與氣體的性質，擴散系數大、黏度小、滲透性好、可更快地完成傳質，達到平衡，促進高效分離。被用作超臨界流體的物質有很多，CO2臨界溫度接近室溫，臨界壓力易于實現，無色、無毒、無味、不易燃、化學惰性、價格便宜，易制成高純度氣體，在實驗用有較多應用。目前已提出多種超臨界技術，其中超臨界快速膨脹(RESS)與反溶劑結晶(SAS)過程的研究較為深入，并在藥物制備中擁有廣泛的應用前景。
RESS法利用溶質的溶解度隨超臨界流體密度變化的特點，從超臨界流體狀態迅速膨脹到低溫低壓的氣體狀態，溶質溶解度急劇下降。即將API與配體溶解于超臨界流體，并通過特制噴嘴快速膨脹，由于極短的時間內溶液過飽和度突然升高，使溶質大量成核。成品理化性質可由溫度、壓力、噴嘴口徑、流體噴出速度等調節。目前RESS法以實驗室規模的研究為主，主要集中于試驗條件的摸索，對于機理性研究還不夠完善，工業應用十分欠缺，過程放大設備還不成熟。
SAS法可以解決藥物在超臨界流體溶解性差的問題。并且該方法可連續生產，提高單位時間產率。其過程原理為：有些化合物可溶于有機溶劑，但不溶于超臨界流體。高壓下CO2等氣體在大多數有機溶劑中溶解度高，當含藥溶液和超臨界流體同時噴入沉淀器時，兩液體相互混合后溶劑體積迅速膨脹，溶液達到高過飽和狀態，析出藥物晶核。該方法的不足之處在于兩溶液在極短的時間內很難達到均勻混合，溶液中局部過飽和度不一致使產品粒度不均一，并且容易造成團聚。SAS過程的文獻報道仍以實驗室與中試規模為主。由于固體物料的收集難以實現連續化，因此只出現過少量半連續生產的報道。
RESS與SAS過程在共晶制備中的應用舉例如下。Padrela等[3]運用RESS法與SAS法制備吲哚美辛-糖精共晶。RESS法：在高壓密閉容器中將API與配體溶解于超臨界CO2中。將含藥溶液由噴嘴減壓噴出，超臨界流體快速膨脹獲得成品。SAS法將超臨界CO2與含藥溶液同時噴入沉淀室，溶液混合后快速膨脹獲得晶體顆粒。試驗結果表明RESS法未能獲得共晶，SAS法成功制備吲哚美辛-糖精共晶。
2.1.7 噴霧干燥
噴霧干燥是將含藥溶液由噴嘴快速噴出，形成的霧滴經過高溫干燥氣流被快速蒸干得到固體粉末。對于冷卻結晶法難以制備共晶的物系，可考慮采用噴霧干燥技術。與超臨界流體技術相比，噴霧干燥成本低，在實驗室規模至生產規模均有應用。實驗人員可用小試設備摸索參數，再評估放大可行性，降低生產風險。一般噴霧干燥溶媒為水溶液，若運用有機溶劑需做防爆處理，增加設備造價。此外噴霧干燥不適用于熱敏性物系。
2.1.8 冷凍干燥
冷凍干燥是將一定濃度的含藥溶液快速冷凍后減壓，溶劑升華，析出共晶。由于溶劑升華過程產生極高的過飽和度，往往獲得藥物共晶的無定形。無定形通過保存或加熱可重結晶為結晶態。凍干法工藝穩定性好，易于放大，收率高。但不適用于溶解性較差的物系。
2.1.9蒸氣擴散
蒸氣擴散通常用于單晶培養，也是一種較為罕見的共晶制備技術。一般藥物在水中溶解度差，高濕條件下，水蒸氣擴散進入藥物溶液，使溶解度降低，產生過飽和度析出晶體。蒸氣擴散的特點為溶液表面局部過飽和度緩慢升高，促進穩定晶型成核。該方法的關鍵在于良性溶劑與不良溶劑蒸氣的選擇，二者應可混溶，共晶在混合溶劑中溶解度應明顯低于良性溶劑。制備不良溶劑蒸氣能耗高、收率低，幾乎無法應用于工業生產，適用于實驗室規模共晶篩選。
2.1.10 高壓均質
高壓均質常被應用于食品工程，在制藥領域是一項較為新穎的技術方法。過程包括機械能的注入與混懸液中顆粒的粉碎兩個步驟。機械能可加速API與配體的相互作用生成共晶。在高壓釜中將混懸液在一定溫度下攪拌后由高壓泵噴至均質機。減壓與高速流動使混懸液顆粒充分混合形成共晶。為防止溶劑化物生成，可運用液態CO2作為混懸溶劑。液態CO2無毒、不易燃以及價格適中的特點使其作為綠色溶劑在減壓過程中與成品顆粒分離。高壓均質將共晶制備與粒度調控合二為一，無需對產品再次粉碎，減少能耗，提高收率。
2.2無溶劑型共晶制備技術
2.2.1 研磨
2.2.1.1干法研磨
研磨產生的機械能增強API與配體分子之間的相互作用形成共晶。研磨方式分為人工研磨與機械研磨。人工研磨重現性差，常用于實驗室共晶制備。球磨機為機械研磨常用設備，在筒體內加入不銹鋼、碳化鎢或氧化鋯小球使物料均勻混合，并增加機械能的輸入，促進共晶的形成。目前研磨法制備共晶的機理尚不明確，但大體可分為三種：分子擴散、形成共融體與無定型重結晶。三種機理均存在各自的介穩態，分別為氣態(分子擴散)、液態(共融體)與固態(無定型重結晶)。(1)分子擴散機理：當API或配體存在較高蒸氣壓時，反應物通過分子擴散的方式形成共晶，有時甚至不需要研磨。該過程類似于空氣環境中亞穩晶型向穩定晶型轉變機制。(2)共融體機理：研磨使兩組分表面形成低熔點共融體，并進一步擴散形成液態介穩共融體。隨后共融體重結晶形成共晶。(3)無定型重結晶：大多數藥物分子間作用力強。在玻璃態轉變溫度以下研磨可獲得無定型。室溫放置或加熱條件下無定型重結晶為結晶態化合物。
2.2.1.2濕法研磨
濕法研磨是在干法研磨的基礎上加入少量的溶劑，誘導共晶成核。溶劑的加入增加體系的構象自由度與分子碰撞，從而更易成核。除此之外，濕法研磨在收率、結晶度以及共晶晶型可控性等方面存在優勢。對于溶解性差的API，濕法研磨尤為適用。可可堿-丙二酸即為一典型案例。可可堿溶解性差，并易于析出單一組分，因此較難運用溶液結晶的方式制備共晶。然而將化學計量比的組分進行濕法研磨可獲得可可堿-丙二酸共晶。濕法研磨運用少量溶劑，與溶液結晶法相比更為環保，并成本適中。但即使運用少量溶劑，也可能生成溶劑化物。
2.2.1.3添加聚合物研磨
研磨過程中添加固態或液態聚合物，可誘導共晶結晶。該方法與濕法研磨相比可避免溶劑化物的形成，并且聚合物可作為表面活性劑增加藥物的溶出速率與生物利用度。選擇的聚合物應與共晶具有生物相容性，否則需對混合物進行提純。試驗過程中應考察聚合物的添加量。若過多的添加聚合物，易造成結塊、混合不均，并減少化合物之間的相互作用，導致API與配體的不完全鍵合。
2.2.2熱熔擠出技術
熱熔擠出是將API與配體加入擠出設備，在擠出機的機械作用與機筒外熱量的作用下，使兩物料熔融，隨后對熔融態進行混合與分散，再由螺桿將物料擠出，經過冷卻后形成共晶。熱熔擠出設備如圖2所示。
圖2.熱熔擠出設備制備共晶示意圖[4]
擠出設備分為單螺旋與雙螺旋兩種。雙螺旋擠出系統混合效果優于單螺旋系統，因此更適合共晶制備。Moradiya等[4]在135oC運用熱熔擠出技術制備卡巴西平與肉桂酸共晶。單螺旋系統可提供足夠的扭矩制備共晶，但由于攪拌不充分，成品結晶度較低。而雙螺旋設備可成功制備共晶。應指出擠出溫度影響共融體粘度與流動性。低溫使共融體粘度降低，導致混合效果差，影響共晶結晶度。當選用高溫混合時需適當控制溫度以防止化合物降解。擠出溫度對成品的影響如圖3所示。
圖3.熱熔擠出過程溫度影響的共晶質量以及選擇最優擠壓溫度的重要性[4]
2.2.3 添加基質共結晶
基于熱熔擠出法，在喂料前加入固態基質進行混合。在擠出過程中只有基質轉變為液態，減少物料之間的剪切力，達到充分混合與粉碎的效果。在熱能與機械能的作用下形成共晶與基質的混合物。基質可在一定程度上改善共晶的溶出速率、流動性與壓實特性。
2.2.4 熔融結晶
熔融結晶不需要加入溶劑，將API與配體加熱至熔融，隨后緩慢冷卻至室溫獲得共晶。該方法不會獲得單一組分與溶劑化物。但熔融結晶過程缺少剪切力，混合效果不佳。通常需要對成品進行研磨，加強混合效果。研磨過程也可能出現無定形。
2.2.5 熔融噴霧
熔融噴霧技術是噴霧干燥與熱熔擠出的結合。試驗過程中將API與配體加熱至熔融，噴霧獲得小霧滴。霧滴經冷卻氣流降溫形成共晶顆粒而得到分離。該方法無需溶劑，節約成本并避免溶劑化物的生成。與其他無溶劑共晶制備方法相比，熔融噴霧法可直接獲得目標粒度分布與晶體形貌的成品，節省試驗步驟，提高收率。該方法不適用于高溫易降解物系。
2.2.6 微波誘導的結晶技術
微波誘導與旋轉分子偶極矩增強分子活性與激發能。微波誘導的共晶結晶技術原理如圖4所示。微波輻射誘導的介電能使API與配體分子達到飽和狀態，在API與配體飽和區交界面處為共晶結晶區。介電能依賴于物料的介電性質，即將微波能轉變為熱能的能力。
圖4. 微波誘導的共晶飽和區示意圖[5]
3共晶篩選
共晶篩選應對配體種類、API與配體的配比以及結晶溶劑三個方面進行選擇。篩選方法應簡單高效。通常共晶篩選階段只需獲得少量成品，足夠檢測量即可。常用方法為平衡攪拌轉晶、熱方法以及研磨法。
平衡攪拌轉晶是共晶篩選常用方法。該方法將過量物料加入溶液形成混懸液，打漿過程不穩定相溶解，提供過飽和度使穩定相成核與生長。可在攪拌過程中加入超聲，促進亞穩相溶解與穩定相成核。平衡攪拌轉晶法可通過改變配體種類與結晶溶劑，對API共晶進行廣泛篩選。
熱方法是一種高通量的共晶篩選方法，具有高效與物料消耗量少的特點。差式量熱掃描法(DSC)為典型的熱力學篩選方法。將少量API與配體混合后加入坩堝，升溫至共融點，DSC曲線表現為出現吸熱峰。繼續加熱出現放熱峰，表明共晶重結晶，即完成共晶制備。若升溫過程中出現單一組分的熔融峰與降解峰，不出現共融體吸熱峰，意味選用的物料無法形成共晶。
研磨法操作簡單，結晶效率高，為共晶篩選的普遍方法。可采用干法與濕法兩種方式，通過改變配體與配比對藥物共晶進行廣泛篩選。
4共晶生產工藝
放大生產常用的共晶制備方法有溶液結晶、噴霧干燥與熱熔擠出。生產設備的類型與規模影響小試工藝的放大可行性。因此需根據小試數據對放大試驗進行指導，對成品進行質量控制。在ICH質量體系框圖中明確理想質量控制狀態的實現，必須從質量源于設計(QbD)、質量風險管理以及藥物質量體系三方面入手，即Q8、Q9與Q10的結合。其中Q8明確指出質量不是通過檢驗注入產品中，而是通過設計賦予。QbD理念貫穿于藥品整個生命周期，對藥品的研發、生產、工程、質量管理、上市、退市等進行系統與規范化的管理。實施QbD可分為產品理解、過程理解與過程控制三個步驟。FDA與EMA認為過程分析技術(PAT)可提高生產過程和藥品的理解，提高對于藥品生產過程的控制，在設計階段就考慮產品質量的問題。[6]PAT技術是通過運用一系列工具結合生產中的周期性檢測、關鍵質量參數的控制、原材料與中間體的質量控制以及生產過程確保最終產品達到標準的方式。即可認為PAT是完成QbD的工具。
目前在國際上使用的PAT技術包括過程分析儀器、過程控制工具、信息改善系統、知識管理系統等。可運用于檢測結晶過程的PAT技術有傅立葉紅外光譜(FTIR)、拉曼光譜、聚焦光束反射測量儀(FBRM)、粒子圖像測量儀(PVM)等。以上PAT技術適用于溶液結晶過程，使用時將設備探頭插入液面以下實現過程參數(如溶液濃度、晶型、晶體形貌、顆粒數與粒度分布)的在線監測，增強對共晶結晶過程的認識與理解，有利于過程參數的優化與工藝的放大。此外，PAT技術可替代共晶體系三元相圖，為結晶工藝的開發節省時間與能耗。
藥物共晶生產通過間歇、半連續以及連續結晶等手段實現。通常間歇結晶不同批次產品間在有關物質、溶劑殘留、晶型、結晶度、粒度分布、晶體形貌等存在差異，從而影響后續制劑工藝。連續結晶與間歇結晶相比在產量、能耗、放大可行性、產品質量均一性等方面存在優勢。Moradiya等[7]運用連續熱熔擠壓技術制備共晶，運用PAT技術監測過程，實現質量控制。工藝流程如圖5所示。該套連續工藝生產能力為3000膠囊/小時。溫度曲線、喂料速率與螺桿轉速是影響共晶成品的主要參數。目前藥物生產車間還是以間歇生產為主。連續生產在藥物結晶尤其是在共晶領域的應用還較為少見。需繼續尋求間歇生產向連續生產的轉變。
圖5 PAT技術監測的連續共晶生產工藝[7]
5結語
共晶使API分子在溶解度、溶出速率與生物利用度等性質得到改進而引起廣泛關注。一般共晶存在較少的多晶型與溶劑化物，從而易于放大生產，并在運輸與保存過程中保持較好的穩定性。目前對共晶的研究大多集中在兩方面：共晶篩選與生產工藝開發。此外計算機分子模擬技術也可用于共晶篩選，并減少實驗過程帶來的損耗，節約成本。但出于結晶過程的復雜性，分子模擬不可能將結晶過程所有的參數考慮在內，因此具有一定的局限性。
本文介紹了多種共晶制備方法，每一種方法都存在其優缺點。需根據物系特性對制備方法進行選擇。溶液結晶工藝簡單，常被應用于共晶制備。但API、配體與共晶在溶劑中的溶解性與溶劑毒性約束該方法的使用。蒸發結晶適用于組分在溶劑中的溶解性無顯著差別的物系。常用該方法進行共晶篩選。冷卻結晶與溶析結晶適用于共晶的批生產。若物系的溶解度較低，可考慮打漿法與反應結晶法。凍干與噴霧干燥可運用于實驗室與生產規模，直接制備共晶，不出現單一組分。非溶劑依賴型共晶制備方法，可有效避免溶劑化物的生成。研磨為常用方法，當加入少量溶劑作為傳質溶媒時可加速共晶生成。熱熔擠出可作為連續生產方法使用，但不適用于熱敏性物料。
QbD強調藥品生產過程的控制，在設計階段確保產品質量。PAT技術是實現QbD的工具。提倡在藥物共晶生產過程使用PAT技術在線監測物料性質與狀態，合理并有效調控過程參數制備標準產品。
參考文獻：
[1] R. Marisa et al., InternationalJournal of Pharmaceutics. 547, (2018), 404–420.
[2] 胡婷婷，納微結構抗哮喘藥物顆粒的可控制備及其干粉吸入劑研究. 北京化工大學, 博士研究生學位論文.
[3] Padrela, L., Rodrigues, M.A., Velaga, S.R., Matos, H.A.,de Azevedo, E.G., 2009.
Formation of indomethacin-saccharin cocrystals using supercritical fluidtechnology.
Eur. J. Pharm. Sci. 38, 9–17.
[4] Moradiya, H.G., Islam, M.T., Scoutaris, N., Halsey, S.A.,Chowdhry, B.Z., Douroumis, D., 2016. Continuous Manufacturing of high qualitypharmaceutical cocrystals in- tegrated with process analytical tools forin-line process control. Cryst. Growth Des. 16, 3425–3434.
[5] Pagire, S., Korde, S., Ambardekar, R., Deshmukh, S., Dash,R.C., Dhumal, R., Paradkar, A., 2013. Microwave assisted synthesis ofcaffeine/maleic acid co-crystals: the role of the dielectric andphysicochemical properties of the solvent. Crystengcomm 15, 3705–3710.
[6] FDA, Guidance for industry:PAT-A framework for innovative pharmaceutical development, manufacturing, andquality assurance, Rockville, September, 2004.
[7] Moradiya, H.G., Islam, M.T., Scoutaris, N., Halsey, S.A.,Chowdhry, B.Z., Douroumis, D., 2016. Continuous Manufacturing of high qualitypharmaceutical cocrystals in- tegrated with process analytical tools forin-line process control. Cryst. Growth Des. 16, 3425–3434.
