利用拉曼光譜結合動態蒸氣吸附技術研究藥物成分的水分誘導轉化和降解

1. 引言

在藥物開發過程中，確保藥物處方的穩定性和有效性是至關重要的。對于許多材料，化學和物理轉變會受到樣品周圍水蒸氣量的影響。水蒸氣可以以各種方式與固體聯系在一起:吸附或化學吸附到表面上，吸收到整體中，作為增塑劑，或與固體發生化學反應。測量溫度依賴的穩定性是很重要的，因為它影響物理、化學和生物功效。了解藥物化合物中水分和溫度之間的復雜相互作用，對于減輕轉化和降解引起的風險至關重要，這些風險可能使藥物成分失去活性[1]。水蒸氣與藥物成分的多方面相互作用強調了能夠測量這些過程的分析技術的必要性。

本研究使用動態蒸汽吸收技術(DVS)和拉曼光譜相結合的方法來檢測、監測和測量藥物成分中濕度和溫度引起的變化。這種方法使研究人員能夠解釋響應不同的濕度水平，藥物處方中發生的化學變化。這種跨學科的方法不僅增強了我們對變化的基本機制的理解，而且還促進了配方設計，存儲和包裝的穩健策略的發展。

2.方法

以乙酰水楊酸(ASA)和一水檸檬酸(Sigma Aldrich)為模型藥物成分。使用光纖拉曼探針(iRaman Plus, B&W Tek)和動態重量蒸氣吸附技術(DVS，SMS)的組合來監測材料的實時降解和轉化。拉曼活度測量使用TE-冷卻背薄CCD和CleanLaze?激光器進行，激光器激發波長為784.96 nm，最大功率輸出為415 mw，光譜范圍為65-3350 cm-1。在樣品表面上方放置一個長軸實驗室級拉曼探針，在約7毫米的工作距離處，使激光在樣品區域上聚焦為更大的光斑。石英盤用來盛放懸浮樣品以減少拉曼干擾。使用暗減法處理數據，使用SRM2241比率文件進行波形校正，然后使用2的Boxcar平滑窗口進行相對強度校正。將乙酰水楊酸暴露在相對濕度(RH)為90%的25℃環境中，然后將溫度升高到50℃。在60小時的固定時間間隔內獲得完整的拉曼光譜，樣品隨后經歷24小時的干燥期。將一水檸檬酸置于等壓環境中，每720分鐘以5°C的步驟從10°C逐漸升高到50°C，以確定分解點并轉變為無水檸檬酸形式。使用分布式交換機在不同的相對濕度水平(0%、20%、40%、60%和80%)下重復該過程。在整個實驗過程中，拉曼掃描每隔360分鐘進行一次。

3.結果

化學降解研究

ASA在高濕度條件下的降解主要是由于水的存在導致水解，從而分解成水楊酸和乙酸。水分含量是影響近50%藥品降解的主要因素，影響了藥品的穩定性[2]。研究表明，共結晶等方法可以通過降低吸濕性來提高濕敏原料藥的穩定性[2]。使用防潮包裝，如泡罩包裝也可以減少暴露于水分。其他有效的方法包括修改處方，加入更親水的輔料，與ASA競爭與水分子的相互作用[3]。

                                        圖1  乙酰水楊酸在25℃暴露于90%的相對濕度的拉曼光譜

圖1顯示了ASA在25°C、90%相對濕度下的完整拉曼光譜，隨著時間的推移，熒光有所下降，與之前的光譜相比，每個光譜的基線都有所下降。這種基線變化可能是由于在高濕度下進行實驗時，樣品和樣品盤上的靜電減少。然后將樣品加熱到50°C，僅觀察到如圖2所示的細微變化。在1550cm-1 ~ 1750cm -1范圍內的拉曼光譜表明，當樣品被加熱時，光譜在~ 1630cm -1處發生位移。峰值從1627 cm-1左右移至1629 cm-1，峰值分辨率為1634 cm-1。圖3比較了25°C和0%RH下的樣品與50°C和90% RH下的實驗，并在實驗開始和結束時拍攝了光譜。這個比較表明，位移不僅僅是由于與水的相互作用，因為在這些條件下觀察到可以忽略不計的吸水，并且在去除濕度和樣品干燥24小時后，這種光譜位移仍然存在。

                                          圖2 乙酰水楊酸暴露在50℃，90%RH的拉曼光譜

由于樣品的吸濕性，ASA的降解機制主要是水解反應，因此單獨提高溫度不會導致其分解。在90%相對濕度下，水解已經發生，提高反應溫度不會影響水解的程度，但會影響反應的動力學并增加反應發生的速度。這就解釋了為什么當樣品加熱到50°C時只觀察到很小的變化。

圖3. ASA在25°C實驗時的初始光譜(紅色)，25°C實驗時的最終光譜(藍色)和50°C實驗時的最終光譜(綠色)，以及樣品在0% RH下干燥24小時后的最終光譜的比較

脫水研究

接下來的研究探討了一水檸檬酸的脫水行為。檸檬酸及其水合物通常用作各種用途的藥物輔料，包括pH調節劑、防腐劑、抗氧化劑和調味劑[4]。脫水過程導致無水檸檬酸的形成，這可以影響藥物的釋放曲線，溶解度和藥物的保質期。了解一水檸檬酸在特定條件下如何脫水，可以精確設計藥物輸送系統，并改變藥物溶解和被人體吸收的容易程度。在本研究中，一水檸檬酸被放置在等壓環境中，溫度以5°C的步驟升高。一水檸檬酸的分子量為210.14，無水檸檬酸的分子量為192.12。在本實驗中，樣品預計干燥到總質量的91.4%左右，如果完全干燥，則損失8.6%的質量。

                                                          圖4.檸檬酸在0%相對濕度下脫水

圖4顯示，樣品在20℃，0% RH下開始干燥，質量損失8.2%，相當于一個水分子，與理論值一致。如圖5所示的拉曼光譜顯示，在25°C以上，在1142 cm-1處可以看到無水峰的形成。在20%、40%和80% RH條件下重復實驗，分別在25℃、30℃、40℃和45℃條件下脫水。當一水檸檬酸暴露在較高的濕度水平時，它會從周圍環境中吸收水分子。這個水合過程包括在水分子和檸檬酸分子之間形成氫鍵。因此，水分子的存在穩定了水合形式。因此，需要更高的溫度來形成它的無水形態。

圖5.檸檬酸在0%相對濕度下脫水的拉曼光譜

4.結論

采用原位拉曼測量和DVS水吸附實驗相結合的方法監測藥物成分的化學和物理變化。溫度和相對濕度的影響可以直接研究。這消除了將樣品暴露在一組條件下，然后在不同條件下“離線”表征它們的需要。在高溫高濕條件下實時研究化學和物理降解的能力可以縮短研究藥物成分穩定性的環境條件所需的時間和精力。

參考文獻

[1] S. Airaksinen et al. "Role of water in the physical stability of solid dosage formulations..."Journal of pharmaceuticalsciences,9410(2005):2147-65.https://doi.org/10.1002/JPS.20411.

[2]Madhukiran R Dhondale et al. "Co-Crystallization Approach to Enhance the Stability of Moisture-SensitiveDrugs."Pharmaceutics,15(2023).https://doi.org/10.3390/pharmaceutics150 10189.

[3] Veronica, N., Heng, P. W. S., & Liew, C. V. (2022). Ensuring Product Stability–Choosing the Right Excipients.JournalofPharmaceuticalSciences,111(8),2158-2171. https://doi.org/10.1016/j.xphs.2022.05.001

[4] Ciriminna R., Meneguzzo F., Delisi R., Pagliaro M. Citric acid: Emerging applications of key biotechnology industrial product.Chem.Cent.J.2017;11:22. doi: 10.1186/s13065-017-0251-y

詳見Application Note109: Application Note Moisture induced degredation using DVS and Raman.