云课报名｜用等温微量热法解决制药稳定性与相容性难题

几乎所有的化学、物理和生物过程都会产生热量或消耗热量。量热法是指用于直接测定热量、热量产生速率和热容随温度和时间变化的测量技术。

‌等温微量热法‌(Isothermal Microcalorimetry, IMC)是一种在‌恒温条件下‌，高灵敏度地测量物理、化学或生物过程中‌微小热量变化‌的分析技术，广泛应用于生命科学、药物研发、材料科学和能源领域。等温微量热法具有通用、无标记和非常灵敏的优点，因此能够测量：

TAM(Thermal Activity Monitors)也称热活性监测仪，是一种通用的等温微量热仪，可以加上多种配件研究例如材料稳定性和相容性、水泥固化、溶解热、药物稳定性和微生物生长等不同的材料热流变化过程。

药品等温热流测量是表征药物及其制剂稳定性的一种快速可靠的方法。等温量热法可以检测样品中的化学和物理变化，这两者对药物的性能都至关重要。

等温量热法可用于在数小时或数天内的接近储存条件的环境下获得可靠的稳定性数据。与紫外可见分光光度法等其他技术相比，可以获得更接近环境条件的数据。

传统上通过HPLC来研究化学降解，其缺点是对浓度的微小变化相对不敏感，且通常需要数周或数月才能获得可靠的数据。相比之下，等温量热法可在数小时或数天内以接近储存条件的环境获得可靠的稳定性数据。以沃特世材料科学(TA仪器)的TAM IV微量热仪系统为例，其优异的温度控制和高灵敏度，可以检测到非常慢的反应速率，并且能在典型药物储存条件下或接近典型药物储存条件下进行准确且可重复的稳定性测量。

图1显示了dl-α-生育酚在不同温度(50°C、40°C、30°C和23°C)下的氧化反应。随着温度升高，热流曲线的幅度变大，即反应速率增加。拟合一阶动力学的热流数据，并将速率常数与氧化产物的HPLC数据一起绘制在阿伦尼乌斯关系中。TAM数据(圆形)和HPLC数据(三角形)属于相同的线性阿伦尼乌斯关系，表明它是被检测到的相同反应，但TAM能够在更低的温度下检测反应。

图1A：dl-α-生育酚在50°C、40°C、30°C

和23°C下的氧化反应曲线

图1B：TAM IV与HPLC的阿伦尼乌斯关系的拟合数据

TAM IV也是药物相容性试验的理想筛选工具。与稳定性筛选一样，相容性筛选可以在环境温度和湿度或接近环境温度和湿度的情况下进行，而无需在分析前对样品进行物理更改。图2显示了来自活性药物成分和微晶纤维素赋形剂的稳定热流，每种赋形剂都单独测量。每种材料单独测量的热流可以忽略不计，这表明每种材料在隔离下是稳定的。然而，两种成分的混合会导致由于两种材料的不相容而产生6μW的热流。

图2：活性药物成分和微晶纤维素赋形剂的稳定热流

图3显示了由于不相容性而发生的反应对温度的依赖性。数据显示了不同温度下胺-乳糖相互作用的响应。胺和乳糖在一起非常不相容。在30°C时仅看到很小的响应，随着测量温度增加到40°C和50°C，信号增加。阿伦尼乌斯图证实了所有三个温度点都落在一条直线上，这强烈表明所有三个实验中都发生了相同的过程。

图3：30°C、40°C和50°C下的胺-乳糖互作响应曲线

加工会改变药物的表面特性，通常会形成少量的无定形成分，影响药物加工和生物利用度。TAM IV是表征药物中低水平无定形成分的绝佳工具。有三种方法：微量恒湿法、可控相对湿度灌注法和溶解热法。

微量恒湿法

通过使用带有饱和盐溶液的微湿度恒湿器，提供所需的相对湿度。溶剂将无定形的玻璃化转变温度降低到足以诱导结晶的程度，结晶在微量热仪中作为放热响应进行监测，如图4所示。通过对曲线进行积分，可以将样品中的非晶材料量化到1%左右的水平。

图4：结晶在TAM IV中的放热曲线

可控相对湿度灌注法

这种检测低水平无定形含量的方法是最灵敏的量热方法，可以测定接近0.1%的无定形含量。将少量样品加载到RH灌注安瓿瓶中，然后暴露于相对湿度逐步增加或减少的环境中。图5展示了相对湿度在30%到40%之间变化。信号的增加来自水的吸收和无定形的结晶。当RH设置为30%时，测量到解吸，在增加到40%时，仅测量到吸收。峰值1和峰值3之间的差值可以度量结晶热，从而计算样品中的无定形含量。

图5：30%-40%RH的信号变化

溶解热法

该方法的工作原理是将固体材料溶解在溶剂中，并测量溶解后溶剂中的温度上升或下降。由于无定形和结晶材料具有不同的溶解热，因此可以使用溶液量热法来量化混合物中无定形成分的含量。溶液量热法适用于非晶成分无法结晶的材料。图6显示了含5%非晶成分的乳糖的溶液量热数据。图7是校准曲线，可有效测量较低水平无定形的含量。

图6：含5%非晶成分的乳糖的溶液量热数据

图7：含5%非晶成分的乳糖的溶液量热校准曲线

据估计，80%的药物化合物表现出多态性，可显示为亚稳态结晶形式。筛选多态性很重要，因为多态性转化已被证明会影响化合物的生物利用度。选择合适的晶型需要采用全面和系统的多晶型筛选方法。尽管缺乏化学变化会给许多分析方法带来困难，但TAM IV可用于在典型储存温度或接近典型储存温度的情况下连续监测此类过程。图8说明了α-三棕榈酸在35°C下在50小时内向β-三棕榈酸的等温转变。绿线表示粉末X射线衍射的计算结果，蓝线表示热流。TAM IV数据清楚地模拟了X射线衍射的计算数据，并在整个反应过程中连续进行。

图8：α-三棕榈酸在35°C下50小时内

向β-三棕榈酸的等温转变

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本文由沃特世材料科学事业部的丁纯洁撰写，范洋晶校对。